新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計與應(yīng)用

崔文斌，呂俊

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

在典型的工業(yè)設(shè)備中，通常用兩個位于軸端的軸承來支撐旋轉(zhuǎn)軸，其中一個軸承承擔(dān)施加在軸上的軸向載荷，并對整個軸系進行軸向定位，該軸承被稱作“定位”、“固定”或“保持”軸承[1]；而另一個軸承的作用是承擔(dān)徑向載荷，它應(yīng)允許軸向運動，以彌補結(jié)構(gòu)的制造公差和機器組裝時的定位誤差，這個軸承就被稱作“非定位”、“浮動”或“自由”軸承。

本文在軸承常規(guī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)，結(jié)合其在觀覽車主軸上的應(yīng)用，與常規(guī)軸承的使用場合相比較，以闡明其在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢。

1 自調(diào)心軸承的常規(guī)應(yīng)用

自調(diào)心軸承常用于非定位位置，此時軸承必須能進行軸向滑動，通常是在軸承座內(nèi)部滑動以適應(yīng)軸的膨脹和收縮，如圖1所示。這種簡單、堅固的布局既能承受高徑向和推力載荷，又便于適應(yīng)由加工和組裝誤差造成的不對心、熱變形或受載變形。但自調(diào)心球軸承用在非定位位置會帶來一定的后果，比如要使非定位軸承進行軸向移動，則其中一個軸承圈必須在間隙配合下安裝，并具有運動所需的軸向空間[2-4]。在許多情況下，間隙配合會妥協(xié)機器的設(shè)計，由于在一定的載荷條件下，軸承圈會旋轉(zhuǎn)并損壞軸承座，加快磨損速度并增強振動，從而增加了額外的維護和維修費用，這意味著軸在徑向上所受到的支撐減弱。

1-自調(diào)心軸承；2-軸體;3-軸承座。圖1 右側(cè)“無軸向力”的兩個自調(diào)心軸承的傳統(tǒng)布局

如果非定位軸承的軸向運動需要間隙配合，則在操作過程中必須始終保持間隙配合狀態(tài)，然而維持這種間隙配合并不簡單，其原因為：

1) 如果軸承座的形狀不符合標(biāo)準(zhǔn)(如制造成橢圓形或錐形)，或是由于安放的底座不夠平坦和牢固而在啟動時或機器受載荷限制軸向運動的非定位軸承時發(fā)生扭曲變形，則軸承圈會停留在原位，不能輕易地移動以適應(yīng)所需的軸向運動。

2) 不良載荷條件下的松環(huán)磨損會引起摩擦腐蝕，這種腐蝕會“銹蝕”軸承圈。

如果非定位軸承圈因上述原因而無法移動，則兩個軸承都將在軸向承受預(yù)加載荷，這意味著隨著軸或結(jié)構(gòu)的長度變化，兩個軸承之間會產(chǎn)生較高的軸向載荷，如圖2所示。這就是在這種布局下，為滿足非定位軸承的間隙配合而進行折中所帶來的典型后果。該典型結(jié)構(gòu)通常運用在系統(tǒng)具有一定轉(zhuǎn)速，軸向載荷相對較小，徑向載荷也相對較小，以及機器零件加工精度比較高的場合[5]。

1-自調(diào)心軸承；2-距離套；3-軸體。圖2 限制軸向運動的非定位軸承示意圖

當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)要求承受比較大的徑向及軸向載荷，轉(zhuǎn)速又極其緩慢的場合，而兩個軸承之間的相對位置精度又無法達到較好的水平時，采用兩個大直徑調(diào)心軸承配套使用的方案固然可行，但成本十分高昂。

2 新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的設(shè)計

新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承自由端如圖3所示，在回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置一個球面圈，即球面圈與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈之間是以球面互相配合，與軸之間則采用間隙配合。以這種新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承作為配對軸承中的“自由”軸承時，回轉(zhuǎn)支承的球軸承部分承擔(dān)徑向載荷并完成軸承的旋轉(zhuǎn)功能，其球面圈5則利用其與旋轉(zhuǎn)軸6之間的間隙配合消除系統(tǒng)可能產(chǎn)生的軸向微小位移。更為重要的是內(nèi)圈4與球面圈5之間的球面間隙配合可使旋轉(zhuǎn)軸6繞球面圈中心微小擺動，如此使系統(tǒng)化解了兩回轉(zhuǎn)支承之間因制造及安裝所產(chǎn)生的平行度誤差。該性能為配對使用的大型回轉(zhuǎn)支承正常工作提供了一種便捷的途徑。

1-主軸軸頭；2-連接螺栓；3-回轉(zhuǎn)支承外圈；4-回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈；5-球面圈；6-旋轉(zhuǎn)軸。圖3 球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承自由端結(jié)構(gòu)示意圖

3 新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的應(yīng)用實例

圖4為球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承在觀覽車主軸上的應(yīng)用。球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的設(shè)計其右側(cè)回轉(zhuǎn)支承外圈與主軸右端軸頭螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與主軸旋轉(zhuǎn)筒體螺栓連接；左側(cè)回轉(zhuǎn)支承外圈與主軸左端軸頭螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈釋放軸向平移及軸向旋轉(zhuǎn)自由度。

1-主軸軸頭；2-球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承；3-主軸筒體；4-普通回轉(zhuǎn)支承。圖4 球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承在觀覽車主軸上的應(yīng)用

在實際工作狀態(tài)下，兩端軸頭同軸度盡管存在一定的公差，但其左側(cè)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與主軸旋轉(zhuǎn)筒體間隙配合，左側(cè)軸向平移與軸向旋轉(zhuǎn)處于釋放狀態(tài)。該系統(tǒng)不僅能很好地消除制作的公差及安裝誤差，而且不會在軸的兩個回轉(zhuǎn)支承之間產(chǎn)生任何附加軸向力(推力)，也不必考慮回轉(zhuǎn)支承的對心性。該回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)更能適應(yīng)安裝精度、制作精度要求不高的工況,對于觀覽車這種重載低速的工況，該回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)是比較合適的選擇。

4 結(jié)論

1) 該球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承的優(yōu)點是降低了對制造精度的要求，在安裝精度較低的場合仍能正常工作。以往觀覽車的主軸軸承通常采用常規(guī)軸承系統(tǒng)，由于制造與安裝的關(guān)系，主軸無法呈現(xiàn)理想工作狀態(tài)，使得軸承在安裝完畢運行一段時間后產(chǎn)生異響，磨損軸承滾子，從而對整個觀覽車產(chǎn)生負(fù)面影響。球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承的應(yīng)用,可以解決這些問題，使觀覽車主軸在較好的工況下工作。

2) 目前球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承已運用到實際產(chǎn)品開發(fā)中，并已在一臺觀覽車設(shè)備中實現(xiàn)運營。此類設(shè)計也同樣可以運用到煤礦機械中，在更廣闊的領(lǐng)域里得到運用及衍生發(fā)展。