齒輪箱軸承打滑損傷及預防措施

肖英

（舍弗勒貿易（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

齒輪箱技術發展的一個重要方向就是結構緊湊和高可靠性運轉，這就對齒輪箱中的軸承提出更高的要求，如更大的承載能力，更高的轉速，更低的摩擦損耗，甚至特定情況下的應急特性要求。各大軸承廠家進一步提升軸承技術，如更嚴格的鋼材選擇、優化的軸承設計、更好的磨削技術等的綜合運用，使其產品達到新的高度，其中舍弗勒的x-life系列產品是一個典型的代表。

齒輪箱廣泛運用于各個行業，其運轉工況差異性很大，尤其是某些行業主機的載荷變化差異很大，例如風電行業和錐式破碎機。國內齒輪箱廠家出于安全性考慮，選擇承載能力更高的大軸承，這對于重載工況有利；如果齒輪箱面臨多種工況，甚至是低載高速以及潤滑不良，軸承就有打滑損傷的風險［1］。一旦軸承發生打滑，并損傷到滾道面時，工作中的齒輪箱就有異常的噪音和顯著的溫升，如果不采取有效措施，軸承運轉狀態惡化，摩擦增加，溫度進一步升高，軸承工作游隙減小甚至出現負游隙，軸承溫度升高更快。工作中的軸承熱平衡一旦被破壞，各種惡性事故將會發生，如軸承卡住、燒毀；齒輪打齒，斷齒；甚至抱軸、斷軸。

齒輪箱中的中、高速級軸承由于其轉速高、載荷輕易出現打滑；滿裝圓柱滾子軸承無保持架，功率密度高，不能避免滾子和滾子之間、滾子和套圈之間的直接接觸，打滑不可避免。加之潤滑不充分，則會造成軸承早期失效，這成為齒輪箱廠家所面臨的一個共同難題。

1 打滑分析及失效機理

1.1 打滑分析

1.1.1 打滑

高速、輕載以及設備啟動和停機時易出現軸承打滑，在此以應用于風力發電行業中的齒輪箱和錐式破碎機中的軸承為例分析易于出現打滑的原因以及危害。

風力發電行業用齒輪箱，目前主流設計方案是一級行星加兩級平行軸傳動或者兩級行星加一級平行軸的傳動方案。滿裝圓柱滾子軸承由于其功率密度高、轉速低常應用于第一級行星輪軸承，第二級行星輪軸承采用帶保持架的圓柱滾子軸承，高速軸采用圓柱滾子軸承和配對圓錐滾子軸承或者圓柱滾子軸承和四點接觸球軸承。由于其主機載荷的頻繁變化，軸承內部組件速度、載荷變化頻繁，第一級的滿裝圓柱滾子軸承和高速軸上的圓柱滾子軸承打滑風險很高，影響軸承的正常使用，導致軸承早期失效。而風電行業中設計壽命要求20年，若軸承非計劃的失效將會導致昂貴的吊裝維護費用，更嚴重將會導致整個風機的倒塌、風場失火、電網波動等后果。

錐式破碎機即破碎機，是電動機通過傳動裝置帶動偏心套旋轉，動錐在偏心軸套的迫動下繞一固定做旋擺運動，從而使錐式破碎機的破碎壁時而靠近、時而離開固裝在調整套上的軋白壁表面，使得礦石在破碎腔內不斷沖擊，擠壓和彎曲作用從而實現礦石的破碎。圓柱滾子軸承會作為上下部的徑向軸承使用，圓錐滾子和推力圓柱滾子軸承作為上下部軸向軸承使用。在運行過程中下部徑向和軸向軸承輕載，即軸承不能滿足最小載荷，易于出現打滑現象，軸承失效將會導致斷軸事故。

1.1.2 滾動體打滑

內圈旋轉、外圈靜止的軸承在承受滿足最小載荷的情況下，軸順時針旋轉，滾動體組件從非承載區進入承載區，經過加速區使得滾動體組件達到正確的動力學速度，隨后滾動體組件從承載區平穩進入減速區，軸承部件由此周而復始地運動。圖1是滾動體組件旋轉一周承載區域分布圖。

圖1 滾動體承載區域分布圖

對滾動體運動速度進行檢測，得到圖2滾動體打滑運動曲線，從曲線中能夠看到滾動體組件在即將離開承載區時轉速最大，然后轉速慢慢變小到滾動體初始速度，隨后滾動體組件經過一個短暫的加速區再次進入承載區，由此周而復始。

在加速區，轉速變化快，常發生滾動體打滑，但是軸承滿足了最小載荷要求，能夠形成承載區，因此常常被忽略。若出現滾動體打滑現象，個別滾動體速度低于正常動力學速度，將會摩擦生熱。

圖2 滾動體打滑運動曲線

1.1.3 滾動體組件打滑

圖3 滾動體組件打滑運動曲線

內圈旋轉、外圈靜止的軸承，所受載荷不能滿足最小載荷要求，軸的轉速從零增加到恒定轉速。在軸達到恒定轉速之后，對其施加大于最小載荷的外部載荷。對軸、保持架組件的速度進行全過程檢測，得到圖3滾動體組件打滑運動曲線。

從試驗結果可以看出，軸承不能滿足最小載荷要求，無法形成承載區，軸的速度平穩增加，保持架組件的速度遠遠低于軸的速度，系統的噪聲很大，保持架打滑比率很高；當軸的轉速達到恒定時，對其施加大于最小載荷的外部載荷，保持架組件速度大幅度提高，系統噪聲降低，保持架打滑比率大幅度降低。

導致滾動體組件打滑的主要原因是缺少載荷，內圈滾道和滾動體之間的摩擦力不足以支撐純滾動，滾動體和保持架的速度低于保持正常動力學運動的速度［2］。滾動體打滑將會導致噪聲，在實際應用中是易于診斷的。通過再潤滑能夠短暫使得該噪聲消失。由于保持架和軸的速度差別很大，因此可以從開箱的軸承端部看到此現象。

1.2 打滑失效機理

打滑是一種現象，本身不會造成軸承的損壞，當潤滑不充分（κ＜1）的情況下，即潤滑油膜不能夠防止金屬對金屬的直接接觸時，打滑會產生滑動摩擦，這會引起黏著磨損。黏著磨損是金屬材料從接觸的一個表面向另外一個表面轉移。主要的表現形式是灰變、擦傷、熱斑。灰變和擦傷是低能轉換，會導致接觸表面的應力集中或磨損，而熱斑是高能轉換，會導致微觀組織結構變化。

任何一種形式的打滑都不會立即導致軸承失效，但是會對軸承材料性能、接觸幾何形狀以及應力分布造成影響，隨之微蝕之后發生點蝕，最終導致軸承早期失效。

2 預防措施

選擇合適的軸承使其滿足最小載荷要求將會減小打滑風險的發生，或者通過改善摩擦行為、減少在混合摩擦下的磨損、減緩打滑的損害或者避免發生打滑，由此有如下預防措施。

2.1 軸承選擇和最小載荷要求

2.1.1 軸承選擇

齒輪傳動包括圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、雙曲面齒輪傳動、行星齒輪傳動。深溝球軸承承受徑向載荷和兩個方向的軸向載荷，摩擦小，高轉速，價格便宜，常應用于必須對軸進行軸向定位且負載相對小的場合。角接觸球軸承的能承受比深溝球軸承更大的軸向載荷，單列和雙列角接觸球軸承優先用于蝸桿的定位端軸承，四點接觸球軸承主要作為推力軸承用于高速的圓柱齒輪傳動，軸承的外圈要徑向自由。

圓柱滾子軸承高徑向承載能力、低摩擦性能、適合的速度范圍廣、在承受徑向載荷的情況下可以承受中等程度的軸向載荷、在外部徑向加速度時運轉良好、安裝拆卸方便常用于所有高性能傳動的非定位端軸承。在圓柱齒輪傳動中，甚至在由螺旋齒產生的既有軸向載荷又有徑向載荷時，最常放置在中間軸上［3］。圓柱滾子軸承由于其不同的法蘭結構（NU，NJ，N，NUP，SL，RSL 設計）使得軸承適用于很多的應用場合。而且不同的保持架設計提高了軸承的應用范圍。

調心滾子軸承的自調心和高的性價比在齒輪箱中廣泛使用。圓錐滾子軸承的承受重的復合載荷性能應用在斜齒圓柱齒輪箱、圓錐及圓錐/圓柱齒輪箱和蝸桿齒輪箱中，通過不同的接觸角可達到改善軸的剛度和優化引導并提高使用壽命。推力調心滾子軸承的軸向承載和自調心能力常應用在驅動機器產生軸向力的場合，如擠壓機和水輪機齒輪箱。這種軸承成功應用在大型重載圓錐和蝸桿傳動中的小齒輪軸和蝸桿軸上。

2.1.2 最小載荷要求

為了保證軸承的正常運轉，需要滿足最小載荷要求，舍弗勒公司對軸承最小載荷要求如下：圓柱滾子軸承的最小載荷要求為Frmin=C0r/60；調心滾子軸承的最小載荷要求為P/Cr＞0.02；圓錐滾子軸承的最小載荷要求P/Cr＞0.02；球軸承的最小載荷要求為P/Cr＞0.01；四點接觸球軸承要滿足最小載荷要求Fa≥1.2Fr。對于四點接觸球軸承只承受純軸向力的時候，它能夠達到很高的轉速。推力調心滾子軸承的徑向載荷不能超過55%的軸向載荷。最小載荷要求［4］為其中：Frmin為最小徑向載荷；C0r為基本額定靜載荷；P為當量動載；Cr為基本額定動載荷；Fa為軸向載荷；Fr為徑向載荷；Famin為最小軸向載荷；C0a為基本額定靜載；Ka為確定最小載荷系數；n為最高轉速。

2.2 黑色氧化處理

黑色氧化處理［5］是將鋼或鑄鋼浸泡在 130～150°C 的鹽溶液中，在其表面形成厚度介于0.5～2滋m的FeO和Fe2O3混合氧化物。表面顏色介于深棕色到黑色之間。低溫處理后的軸承的內部基體組織沒有發生改變，對安裝配合的影響可忽略不計。經處理過的表面更加平滑，粘附力更小，磨損更低，從而防止打滑引起的磨損，也優化了防銹性能。根據需要可選擇滾動體和兩套圈，部分或全部黑色氧化處理。該方案改善軸承在運行中的性能，能夠減小打滑對軸承的損傷，不能從根本上解決打滑問題。

2.3 碳基涂層

碳化鎢/碳涂層［6］是在未被氧化的軸承表面形成SP3金剛石和SP2石墨組成的非結晶SP3+SP2，顏色是亞光灰黑色。0.5～4滋m的涂層厚度不影響軸承的安裝尺寸，與標準軸承可相互替換。碳基涂層顯著減少了軸承在混合潤滑和邊界潤滑條件下的摩擦系數，在外形尺寸不變的情況下，摩擦力矩降低40%以上，特別適合大型高打滑風險的工況。表面硬度1 100～1 500HV，使得耐磨性和抗污染性能都很好，從而增加了軸承在不良潤滑條件下的使用壽命。涂層只需要在滾動體上使用即可達到良好的效果。

2.4 空心滾子軸承

空心滾子軸承即在整個圓周三等分處采用空心滾子，中間有支撐體，有一定預緊。其它位置采用實心滾動體，有一定的間隙。輕載時，三個空心滾子的過盈量使得整個軸承滿足最小載荷要求；重載時，空心滾子剛度小，變形不承擔載荷，實心滾子將起承載作用來滿足設備承載作用。

舍弗勒對標準NU2332-E-M1-C3軸承和帶三個空心滾子的NU2332-E-M1-C3在1 000 r/min轉速下進行試驗，施加越來越大的徑向載荷，得到兩類軸承的打滑比率如圖4所示。橫軸為載荷，縱軸為打滑率。

圖4 NU2332-E-M1-C3改進前后打滑比例和載荷區線圖

從試驗結果看出，在低于最小載荷26.4 kN區域，標準NU2332-E-M1-C3在加載過程中，隨載荷增加，打滑率從80%降低到2%左右，當載荷超過最小載荷要求之后，打滑率將保持在2%左右；卸載時，隨載荷減小，打滑率又從2%增加到80%。而對帶三個空心滾子的NU2332-E-M1-C3軸承，即使載荷在低于軸承最小載荷要求時，打滑率依然很低。

2.6 薄壁保持架軸承

對于行星輪軸承，特殊設計一款保持架來改變保持架的尺寸，將滾子和滾子分開，避免滾子與滾子的直接接觸，又不改變保持架的剛度。舍弗勒公司設計了一款特殊保持架是將兩片保持架嵌套在一起，內層保持架提供自保持功能和與滾動體接觸功能，外層保持架提供高的剛性，同時優化與滾動體運行時接觸的表面。該款保持架有很好的自保持功能，即受限的滾動體徑向下垂量使得安裝時無需安裝套，即使無內圈，滾動體仍不會掉落。

2.7 整合式設計

空間限制了行星輪軸承的選擇，整合式設計即采用無外圈軸承，將行星輪內孔作為軸承的外圈滾道，這樣增加了軸承的可用空間，可采用帶保持架無外圈的軸承，可減小所需的最小載荷，又避免了滾子和滾子之間的直接接觸，使設計緊湊又避免了軸承打滑問題。圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承都可以采用該種方案。圖5是顯示了圓柱/圓錐滾子軸承的整合式設計。

圖5 圓柱/圓錐滾子軸承整合式設計

行星輪的內孔作為軸承的外滾道，對行星輪的幾何尺寸和內孔表面都有特殊要求；不同的加工工藝導致退刀槽的不同尺寸要求；對于行星輪的材料、硬化層深度、殘余奧氏體含量、鋼的純凈度，微觀組織結構等都有要求。當齒輪箱廠家要采用該種設計方案時，請聯系軸承廠家，尋求他們的幫助來完善設計和加工制造，使得齒輪箱有更好的性能。

3 結論

打滑包括滾動體打滑和保持架組件打滑，滿足最小載荷可能會出現滾動體打滑，不滿足最小載荷將會出現保持架組件打滑風險。設備運轉工況的復雜性和多樣性使得軸承在整個生命周期會同時或交替出現兩種打滑現象。滾動體打滑只需驅動個別滾動體，而保持架組件需驅動整個保持架組件達到正常的動力學運轉速度，因此滾動體組件打滑的危害遠遠大于前者。打滑加之潤滑不充分則會導致軸承的早期黏著磨損，從而影響軸承的正常使用。

合理選擇軸承類型和尺寸、減小打滑對軸承的損傷和避免打滑是解決打滑失效問題的主要方向。根據不同軸承類型的特點、適合的工況以及所需要的最小載荷要求選擇合適的軸承可以減小打滑的風險。

黑色氧化處理可減緩打滑，碳基涂層可減小軸承在邊界潤滑條件下摩擦力，從而較緩打滑失效風險，卻不能根本解決打滑問題。空心滾子軸承利用不同載荷情況下，空心或實心滾子的不同尺寸來承載，避免軸承打滑；薄壁保持架軸承，將滾子和滾子分開，避免滾子與滾子的直接接觸，又不改變保持架的剛度；利用帶保持架的圓柱滾子、圓錐滾子軸承和調心滾子軸承作為整合式設計，即行星輪內孔作為軸承的外圈滾道，可以從根本上解決行星輪軸承打滑的問題。行星輪內孔作為滾道，對行星輪內孔外形尺寸、熱處理、材料都有詳細的要求。

針對具體的應用工況和具體的問題可將上述各方案組合使用從而得到最佳的方案來滿足設備的正常高效的運轉。

［參考文獻］

［1］張成鐵，陳國定，李建華.高速滾動軸承的動力學分析［J］.機械科學與技術 1997，16（1）：136-139.

［2］Rolling Bearings in Electric Machines and Office Technology Publ.No.WL 01 201 EA FAG Schweinfurt

［3］SKF公司.工業齒輪箱中的滾動軸承［M］.SKF公司，2007.

［4］舍弗勒.滾動軸承 HR1樣本［M］.舍弗勒公司，2010.

［5］DIN50938 Black oxide treatment of ferrous product，April 2000［S］.

［6］Schaeffler KG.TPI186_Higher Performance capacity through the use of coatings Coated rolling bearings and precision components［M］.Schaeffler KG，2009.