港口岸橋小車減速箱軸承跑圈原因及解決方案

楊 健

（上海振華重工股份有限公司，上海 200125）

0 引言

在港口岸橋，特別是自行式或載重式小車驅動的小車減速箱日常維護中，會發現小車減速箱內軸承在運轉一定時間后會產生滑動，即隨著軸承在運動時，因軸承的外圈鉗制力矩小于軸承套圈總驅動力矩而使得軸承外套圈產生滑動，俗稱“跟轉”。而當軸承的外圈鉗制力矩遠遠小于軸承套圈總驅動力矩從而使得軸承外套圈產生跑動的現象，稱之為軸承跑圈。

1 岸橋小車系統介紹及小車減速箱軸承跑圈現象

在港口岸橋，使集裝箱或貨物作水平往復運動的機構總成稱為運行小車系統。運行小車系統包括運行小車總成、運行小車驅動機構、小車鋼絲繩纏繞和安全保護裝置。目前小車運行驅動機構在港口岸橋上主要分為2種形式。

（1）牽引式驅動機構由電機、聯軸器、制動器、減速器、卷筒、支撐及安全限位開關等組成。電機經減速器驅動卷筒，再經過小車鋼絲繩纏繞系統，由卷筒來牽引小車沿大梁軌道作平移運動。這類形式多用于牽引式小車驅動。

（2）驅動機構由電機、聯軸器或萬向傳動軸、制動器、減速器及安全限位裝置等組成，小車的驅動機構設在小車上。動力經減速器直接驅動小車車輪，從而使小車沿大梁軌道作橫向運動。這類形式多用于自行式或載重式小車驅動。

無論是哪種形式的驅動機構，特別是在自行式或載重式小車驅動的小車減速箱日常維護時不難發現，小車減速箱內軸承在一定時間運轉后會產生滑動，即“跟轉”或跑圈。

2 軸承在小車齒輪箱中的功能

該小車減速箱軸承布置主要為交叉布置，軸承在減速箱中主要用于軸系定位來確定軸及其軸上零件的功能位置，承受載荷來支撐軸系并承受系統功能轉換所產生的載荷及其系統固有的結構載荷（包括重力和預負荷），規范運動來確保系統各零件在設計矢量方向的運行關系。

3 軸承跑圈機理分析

以FH1035.24.A1A-00系列小車減速箱為例，減速箱潤滑采用齒輪箱油（VG320），其他主要工作狀況見表1。

計算滾動軸承摩擦力矩，一種方法是將摩擦力矩區分為1個無關負荷的力矩M0和1個由負荷決定的力矩M1，然后把兩者相加，即M=M0+M1。但是，如果按摩擦來源來區分，還可以有更精確的計算方法。實際上，M0代表額外的外部摩擦來源，再加上滾動摩擦中的“流體動力”成分，而這一成分中也有一部分與負荷相關。要精確計算滾動軸承內的摩擦，必須計算4個不同來源的摩擦力矩，即M=Mrr+Msl+Mseal+Mdrag。其中，M為總摩擦力矩，Mrr為滾動摩擦力矩，Msl為滑動摩擦力矩，Mseal為密封件摩擦力矩，Mdrag為由于拖曳損失、攪動和飛濺等導致的摩擦力矩。

表1 減速箱主要工作狀況描述

當減速箱內部設計結構為內圈過盈、外圈間隙的狀態，軸承座的受力如圖1所示。如果定義Mco為外圈鉗制力矩，Mci為內圈鉗制力矩，M為軸承套圈總驅動力矩，那么軸承套圈的鉗制條件即Mco或Mci大于M。反之，Mco=M時，套圈產生微動；Mco＜M時，套圈產生滑動；Mco＜＜M時，套圈產生跑動。

由上述分析不難發現，影響軸承摩擦力矩M的主要因素有6個，分別是軸承類型與尺寸、載荷構成與大小、軸承內部游隙、潤滑介質、運行精度及運行溫度。

圖1 軸承座受力示意

4 解決方案及其優劣勢

為了解決軸承的跑圈現象，可以通過降低總驅動力矩的方式，也就是從影響軸承摩擦力矩的主要因素著手，即軸承類型與尺寸的選擇、軸承內部游隙、潤滑介質、運行精度、運行溫度等。但是這些方式降低總驅動力矩的效果微乎其微，那么只能從增加鉗制力矩Mco的方式來考慮。

4.1 增加鉗制力矩 （Mco＞Mr，Mr為軸承總摩擦力矩）

4.1.1 增加鉗制表面積——選用更緊的配合

該方案通過將間隙配合提高至過渡配合后，鉗制表面積增加，將有利于提高外圈鉗制力矩（圖2）。這里需要注意的是，通常情況下，軸承供應商會基于一般工業應用提供配合公差作為應用參考，而在實際應用中，在減速箱條件允許的情況下，配合的選用必須按照實際應用而進行綜合平衡考慮。

這樣的解決方案主要有結構改動小、可適當增加鉗制力矩的特點，但缺點也很明顯:對于分體式箱體，結構一旦錯位，即會形成多承載區；由于增加了鉗制表面積，也很有可能會干涉軸向浮動；對于有沖擊和震動載荷的應用不能夠完全適應。

4.1.2 增加鉗制力——套圈端面夾持

該方案是在軸承兩端增加端面夾持來增加軸承內圈或外圈的鉗制力矩（圖3）。這類方案可以大幅增加鉗制力和鉗制力矩，同時增加鉗制表面并能夠適應一般沖擊和震動載荷的應用。但是，由于結構改變復雜，所需要的結構改變較大并需要有足夠的空間來進行設計優化，并且也會干涉軸向浮動，對于既有設計并不太適用。

圖2 軸承外圈在座孔內示意

圖3 套圈端面夾持示意

4.1.3 增加鉗制摩擦數——樂泰膠粘接

為了防止跑圈等類似的問題，在樂泰維修解決方案中提供了固持解決方案，主要針對圓柱形金屬零件進行粘接，具有如下特性:①有中等強度及高強度產品可選，能夠消除微振磨損現象，承受高負載；②能夠填充所有空隙，防止微動腐蝕現象；③降低公差要求；④100%接觸，在連接處負載與應力分布均勻。

針對減速箱軸承外圈跑圈的情況，樂泰的工程師建議采用LOCTITE 680產品。該產品具有極佳的耐動態載荷、軸向載荷、徑向載荷性能，適用于軸、齒輪、滑輪以及其他類似的圓柱形部件的固持作業。一般使用條件下，初步固化時間為20 min，全部固化時間為24 h，且這類產品對于減速箱潤滑油沒有污染，有耐高溫的特性。

該方案雖然可以大幅增加鉗制力矩及鉗制摩擦系數，但同樣會干涉軸向浮動，而且一旦粘接失效會助長滑動。在操作上，該方案也并不簡便，需要先對減速箱內部進行清洗再使用固持膠水進行粘接。

4.1.4 增加鉗制摩擦數——增加O形圈

通過增加O形圈的方式也可以加大鉗制力矩和鉗制摩擦系數。但在實際使用中，軸承會出現偏載、干涉軸向浮動，需要改變現有箱體的設計，這在安裝過程中較難把握。而且O形圈在潤滑油中老化快、時效不長，不利于日常維護。

4.2 結構鉗制——增加套圈定位銷

相比于普通的軸承，也可以采用軸承外圈有固定槽的特殊軸承。根據ISO 20515—2012的規范標準，這類固定槽可以用于單列向心推力球軸承、四點接觸球軸承、徑向圓柱滾子軸承，但不適用于外圈密封屏蔽徑向球軸承或沒有擋邊的徑向圓柱滾子軸承。

這類方案的優點是剛性鉗制力及鉗制力矩保持了既有的箱體結構設計，可靠性高且能夠適應頻繁啟停、換向、沖擊和振動載荷的應用，但缺點是需要改變箱體端蓋的設計、軸承增設了止動槽及定位銷。另外目前標準規范中對于適用的軸承范圍還比較少。

除了ISO 20515—2012規范標準中的標準定位銷方案以外，也可以針對不同的減速箱參照該方案采用不同的定位銷及定位銷缺口。