起重機械吊鉤組軸承選型標準分析

韓吉超，王永新，李鵬舉

(山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 250131)

1 概 述

吊鉤組是起重機械上應用最廣泛的取物裝置，它由吊鉤、吊鉤螺母、吊鉤橫梁、推力軸承等零部件組成，有的零件已經形成專門的國家標準，其中的推力軸承盡管是標準件，但需要通過計算進行選型。

對于吊鉤組軸承的計算選型，許多相關參考書、手冊上均有介紹，由于設計手冊不同，采用的標準不同，安全系數取值不同，導致了計算結果差異很大。

2 問題的提出

吊鉤軸承一般采用推力球軸承和推力調心滾子軸承兩種類型。推力球軸承轉動靈活，但壽命相對較短，一般適用于承受輕、中載荷；推力調心滾子軸承承載能力大于推力球軸承，一般適用于承受中、重載荷以及沖擊載荷，但轉動靈活性遜于球軸承。據測算，在基本外形尺寸相同的情況下，滾子軸承的承載能力為球軸承1.5～3倍，且壽命相對較長，適用于低速運轉場合，因此，可根據使用條件按照上述原則進行選擇。本文特指推力調心滾子軸承。

吊鉤軸承的一般選型方法如下。

1）《機械設計手冊》（第三版第2卷，成大先主編，化學工業出版社）（以下簡稱《手冊》三版）。

對低速旋轉或緩慢擺動的軸承，應分別計算額定動負荷和額定靜負荷，取其中較大者選擇軸承。額定靜負荷的計算見下式

式中C0——基本額定靜負荷計算值，N；

P0——當量靜負荷，N；

S0——安全系數，推力調心滾子軸承S0≥2;

Coa——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定靜負荷，N。

2）《機械設計手冊》（第五版第2卷，成大先主編，化學工業出版社）（以下簡稱《手冊》五版）。

計算公式與《手冊》三版相同，但對于推力調心滾子軸承，無論其旋轉與否均應取安全系數S0≥4。

從以上可以看出，和《手冊》三版相比，五版的安全系數S0增大了1倍，這給初學設計者帶來了困惑。

成大先主編的《機械設計手冊》是新中國第一部機械設計大型工具書，自1969年至已修訂至第五版。累計銷售量超過120萬套，歷史悠久，影響尤為深遠，機械設計人員幾乎人手一套，其權威性毋庸置疑，但是不同的版本，安全系數差異何以如此大？仔細對比《手冊》三版和五版可以看出以下區別：①三版采用的是GB 5859-84，而五版采用的是GB/T 5859-1994。②追根溯源，查原始標準，發現GB 5859僅是推力調心滾子軸承外形尺寸的標準，基本額定動負荷和基本額定靜負荷是根據另外兩個標準GB 4662《滾動軸承 額定靜載荷》及GB/T 6391《滾動軸承額定動載荷和額定壽命》分別計算得來的，這兩個標準也分別對應有84版和94版，實際上手冊所列的軸承尺寸及性能表是這3個標準的綜合。③對比《手冊》三版和五版中的基本額定負荷可以看出，額定動負荷的大小變化不大，但在《手冊》五版中，額定靜負荷比84版增大了2倍左右。

3 GB 4662《滾動軸承 額定靜負荷》的演變

20世紀80年代，國家有關部門要求滾動軸承等基礎件應在1983年采用國際標準，但是由于軸承相關基礎研究十分薄弱，《滾動軸承 額定靜載荷》國家標準是按照先制定標準、后進行驗證的方針開始了首次制定，并且按照積極采用國際標準的政策等效采用了ISO76-1978，即GB 4662-84。

隨著ISO76-1978的修訂，在1993年對滾動軸承額定靜載荷標準進行了第一次修訂，等效采用了ISO76-1987，即GB/T 4662-1993，與84版標準相比改動較大，最主要的改動是對額定靜載荷的定義做了修改：84版標準從允許的最大永久變形量為依據，即根據允許永久變形量為滾動體直徑的萬分之一制定的；而93版修改為采用允許接觸應力的方法，即以在受載最大的滾動體與套圈滾道接觸處產生的總塑性變形量為滾動體直徑的萬分之一左右時，對應的接觸應力為基礎來制定額定靜負荷的標準。

經對比這兩種版本的計算結果，發現對多數軸承類型，新方法計算的額定靜負荷比原來大，其中93版推力調心滾子軸承額定靜負荷值約為84版標準值的1.6～2.2倍，可見,《手冊》五版中安全系數增大1倍的根本原因是計算方法的不同。

GB 4662《滾動軸承額定靜負荷》先后經歷了4次制、修訂：①GB 4662-84；②GB/T 4662-1993；③GB/T 4662-2003；④GB/T 4662-2012，此標準為現行的國家標準，實施日期為2013年3月1日。

在有關設計手冊中，也有GB/T 5859《滾動軸承 推力調心滾子軸承 外形尺寸》不同版本額定靜負荷性能表與GB 4662相對應。目前出版的有：①GB5859-84；②GB/T 5859-1994；③GB/T 5859-2008，這是目前最新版。

4 其他設計手冊相關情況

文獻[3]：尺寸及性能標準為GB/T 5859-2008。與GB/T5859-1994相比較，盡管額定靜負荷有所增加，但增加幅度不大。推力調心滾子軸承安全系數取S0≥4。

文獻[4]：尺寸及性能標準為GB/T 5859-1994。對于推力調心滾子軸承，無論其旋轉與否安全系數均應取S0≥4。

文獻[5]：尺寸及性能標準為GB/T 5859-1994。對于推力調心滾子軸承，無論是旋轉還是靜止，安全系數應取S0＞2～4，

文獻[6]：尺寸及性能標準為《向心對稱球面滾子軸承》（GB303-74）。對起重機中的軸承推薦取安全系數n0=0.8～1.2，工作頻繁、沖擊較大者取大值，反之取小值。

對滾動軸承計算載荷的確定原則：當n＜1轉/分時，按靜負荷進行計算，所以吊鉤軸承的計算只需按照靜負荷校核計算即可。

5 思考與體會

5.1 關于推力調心滾子軸承標準

1）標準具有很強的時效性，選擇的原則當然是以選用最新的標準為首要條件。另外，有些標準互相之間關聯，例如前述GB 5859是推力調心滾子軸承的外形尺寸標準，它和GB 4662《滾動軸承 額定靜載荷》及GB/T 6391《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》密切相關，這一點應引起注意。

2）新標準發布后，需要一定時間宣貫，相關聯的標準修訂又有延遲滯后的時間，另外，設計手冊的出版周期更長，要求收錄的所有標準是當前最新版本顯然是不現實的，因此對手冊的選擇尤為重要，不能一套標準、手冊連續使用多年，循規蹈矩，固守舊有的思想觀念是不可取的。無論新舊標準，都要深刻理解標準內容以及新舊的差別，這樣才能正確運用標準。

3）推力調心滾子軸承的設計方法是貫徹最新GB/T 5859標準，在滿足該標準規定的外形尺寸及約束條件的前提下，對主參數進行優化，設計目標是按照額定載荷的兩個標準計算，使額定載荷盡可能大，這就意味著在不斷采用新計算方法、新材料、新工藝、新技術的同時，不斷挖掘潛力，并根據ISO標準的不斷更新而修訂。

5.2 關于安全系數

從上述可知，安全系數的取值是吊鉤軸承選型計算的關鍵。很多手冊在軸承安全系數的選取上，都無一例外特別強調了推力調心滾子軸承。但安全系數如何選取沒有明確的規定，各種手冊說法不一致。

1）《起重機設計手冊》與其他手冊相比，針對起重設備的特點對于安全系數取值，采用的標準GB 303-74主體尺寸和現在的標準已有所不同。

單就推力調心滾子軸承的額定靜載荷而言，GB 5859-84版大致是GB 303-74的1.5倍左右，GB 5859-94版大致是GB 303-74的3倍左右。和《手冊》三版安全系數取2相比，該手冊取安全系數0.8～1.2，看似是差別很大，但經綜合比較靜載荷值的大小，與GB 5859-84版相比，安全系數相當于1.2～1.8左右，這主要考慮到吊鉤轉速很低，按照靜負荷計算。這個系數是籠統的粗略分析，且該手冊已逾三十多年，僅供比較參考。

2）《手冊》五版、《現代機械設計手冊》及文獻[4]《機械設計手冊》（新版）均對于推力調心滾子軸承安全系數取S0≥4，這種方法的優點是簡單，覆蓋范圍廣，且行之有效，適用于所有的機械設備，但是，這種一刀切的做法以偏概全，有時顧此失彼，未免有失偏頗，因起重機械本身與某些連續工作機械不同，是一種間歇性工作機械，根據工作繁忙程度及載荷大小，吊鉤組工作級別有高有低，所以安全系數統一取大于4不太合理。

3）《非標準機械設計手冊》安全系數取值范圍是S0＞2～4，這種取法兼顧了各種機械設備，可根據機械種類的不同以及使用條件進行取舍，對于工作級別很低的機構，例如吊鉤軸承，可根據具體情況適當取小值，因此值得借鑒。

6 結 語

我國加入WTO后，各類標準正逐漸和ISO國際標準接軌，隨著科學技術的不斷進步，標準修訂也在加快，因此應及時了解版本的更新情況，與此同時，也應密切跟蹤相關設計手冊的出版信息，理解、分析新舊版本之間的區別，真正做到與時俱進。

[1]成大先.機械設計手冊(第三版.第2卷)[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]成大先.機械設計手冊(第五版.第2卷)[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]秦大同.現代機械設計手冊(第2卷)[M].北京：化學工業出版社，2011.

[4]機械設計手冊編委會.機械設計手冊（新版.第2卷）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]岑軍健.非標準機械設計手冊[M].北京：國防工業出版社，2008.

[6]大連起重機器廠.起重機設計手冊[M].沈陽：遼寧人民出版社，1979.

[7]馬素青.滾動軸承額定靜載荷國際及國家標準演變[J].軸承，2013，(8)：62-64.

[8]賈群義.滾動軸承額定靜負荷新的計算方法[J].軸承，1994，(2)：4-9.

[9]劉曉初.滾動軸承新的額定靜載荷的研究[J].中國機械工程，2001，(9)：986-989.