特大型滾子軸承支柱保持架優化設計

鄒德鵬

（瓦房店軸承集團有限責任公司 ，遼寧 瓦房店116300）

特大型滾子軸承支柱保持架優化設計

鄒德鵬

（瓦房店軸承集團有限責任公司 ，遼寧 瓦房店116300）

在分析了特大型滾子軸承支柱保持架失效模式的基礎上，對支柱與墊片連接的螺紋連接端和焊接連接端分別進行了優化設計，大大降低了支柱保持架的失效概率。

特大型滾子軸承；支柱保持架；錐螺紋；焊接疲勞裂紋

1 前言

在鋼鐵行業、水泥機械行業、礦山機械行業等大型重載機械中，加強型支柱保持架、空心滾子結構的特大型滾子軸承得到廣泛應用。這種結構在特大型圓柱滾子軸承、特大型圓錐滾子軸承應用較多，在特大型調心滾子軸承、特大型推力滾子軸承中也有不少的應用。其特點如下：（1）支柱保持架結構可以使滾子間距更小，同等條件下較實體保持架可容納更多滾子，因此承載負荷更大；（2）支柱保持架加工工藝性好，加工設備全部為通用設備。而其他類特大型軸承保持架加工難度則較大，如特大型圓錐滾子軸承沖壓保持架需要大噸位壓力機、特大型沖壓模具和特大型保持架收縮模具等；特大型圓柱滾子軸承機加工銅保持架離心澆鑄有一定的難度等。

2 常規設計的支柱保持架失效模式分析

加強型支柱保持架結構的滾子軸承在實際應用取得了良好的效果。該軸承的主要失效模式為外、內圈滾道或滾子工作表面疲勞剝落失效，支柱保持架失效也有一定比例，其失效的主要模式為支柱從墊片中脫離。下面就支柱與墊片脫離這一具體失效形式的失效機理進行分析，并優化改進設計。支柱保持架結構見圖1和圖2。支柱與墊片的連接方式：09支柱與06墊片一（大墊片）為螺紋連接，09支柱與16墊片二（小墊片）為焊接連接。

2.1 支柱保持架支柱與墊片脫離的原因分析

09支柱與06墊片一（大墊片）為螺紋連接，螺紋為普通螺紋（如M10×1），這個部位失效原因是質量原因，是支柱或墊片的螺紋部位加工的質量不合格，俗話就是螺紋加工松了，見示意圖3。螺紋加工松了會有兩個問題，一是支柱與墊片螺紋連接面積減小，降低螺紋連接強度；二是螺紋牙部位連接間隔加大。這種結構螺紋連接的預緊是通過支柱螺紋收尾部位實現的，而不是螺紋牙部位。軸承在工作中承受沖擊負荷時，螺紋連接時常會出現松動，因螺紋牙間隙較大，造成螺紋牙部位軸向反復竄動撞擊，進而脫出連接，失效。

09支柱與16墊片二（小墊片）為焊接連接，焊接示意圖見圖 1、圖 2。支柱從墊片中脫出的失效原因如下：

圖1 圓柱滾子軸承結構示意圖

圖2 雙列圓錐滾子軸承結構示意圖

圖3 螺紋牙部位示意圖

（1）在焊接過程中會有熱循環、焊接變形、焊接殘余應力產生，造成焊接部位脆化，形成脆性裂紋；同時焊接時也有可能出現虛焊點。

（2）低碳鋼焊接性能良好，而中碳鋼焊接性能一般。支柱材料為中碳鋼，墊片材料為低碳鋼。墊片和支柱不是一種材料且支柱為中碳鋼材料，因此焊接部位出現脆性裂紋幾率要大于低碳鋼部件（或同一種材料）相互焊接。當軸承在工作過程中承受沖擊負荷時，支柱保持架軸向反復竄動撞擊，焊接部位將產生沖擊疲勞裂紋，疲勞裂紋是從焊接區不可避免存在的微小缺陷（虛焊點）和脆性裂紋開始，最終造成支柱從墊片中脫出。

（3）因需保證滾子的硬度，一般去焊接殘余應力工藝，不適合支柱保持架。

3 優化改進設計及結構分析

3.1 支柱與墊片螺紋連接端改進設計

支柱保持架原設計的螺紋連接部分為普通螺紋連接，如M10×1、M12×1.5等，現將此部位螺紋改為錐螺紋連接，參照國標GB1415米制密封錐螺紋國家標準進行優化設計，螺紋部位增加一個1：16的錐度，見示意圖 4。錐螺紋隨著螺紋的旋進，內、外螺紋牙之間的間隙會逐漸消除而擰緊，達到連接穩定的效果，消除了原結構由于螺紋加工松了帶來的質量問題，改進后螺紋預緊是通過螺紋牙間隙消除來實現的，而不是通過螺紋收尾部位來實現的，預緊可靠性較原結構高很多。因國標GB1415的螺紋長度和旋入長度是固定的，不能滿足設計要求，因此改進后的錐螺紋設計長度和旋入長度較GB1415標準長一些，需訂制專用絲錐。支柱保持架進行標準系列化設計后，制造成本增加不大。

圖4 米制錐螺紋連接示意圖

3.2 支柱與墊片焊接連接端改進設計

優化設計方法有三種。

（1）增加焊接面積，提高焊接強度。焊接連接力與焊接面積有關。支柱直徑尺寸受滾子直徑限制，支柱引導滾子的工作部位直徑不能增大，因此只能增大支柱焊接端直徑，加大焊接面積，見圖5a，支柱焊接端直徑d1較支柱工作部分直徑加大20%，焊接面積增加44%，增加了焊接連接力。此改進較簡明。

（2）支柱焊接端增加一個軸肩，見圖5b，這種結構的軸向負荷主要由支柱與保持架墊片之間的軸肩承受，分擔了大部分焊接部位承受的軸向力，同時焊接面積也增加了，而常規設計軸向力全部由焊接部位承受。

（3）圓錐滾子軸承因受內圈擋邊直徑的影響，墊片內、外徑之差較小，若采用第二種優化設計方法，墊片空間不足，因此采用圖5c結構，支柱焊接端改為圓錐結構，同時墊片支柱孔也改為圓錐孔，其圓錐孔角度要大于支柱圓錐角度0.5～1.0度。這種結構的軸向負荷仍然主要由支柱與保持架墊片的圓錐孔承受，焊接部位承受一小部分軸向力。

圖5 支柱與墊片焊接端優化示意圖

4 優化改進設計后的支柱結構

優化后的三種支柱結構見圖 6。第一種結構a，裝配工藝與原結構一樣，不用做調整；第二種 b 結構和第三種 c 結構支柱保持架結構裝配工藝與原結構不同，這兩種結構的支柱和墊片支柱孔部位的精度有較高的要求，并且在設計中要考慮支柱保持架與滾子端面之間的間隙尺寸計算。

圖6 支柱優化后簡圖

5 結論

經實際使用證明，這三種優化結構較原結構的使用性能都有了較大的提高。

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，

[2]GB/T 1415-2008，米制密封錐螺紋[S].

（編輯：鐘 媛）

Optimum design of pillar cage for extra-large roller bearing

Zou Depeng
( Wafangdian Bearing Group Co.,Ltd., Wafangdian116300,China )

On the basis of analysis of failure mode of extra-large roller bearing pillar cage, optimization design of the thread and welding connection ends between the joint of pillar and washer was done respectively. The failure probability of pillar cage was decreased greatly.

extra-large roller bearing; pillar cage; tapered thread; welding fatigue crack

TH133.33+2

B

1672-4852（2017）02-0006-03

2017-03-23.

鄒德鵬（1964-），男，高級工程師.