滾動軸承與軸配合關系對軸徑磨損的影響驗證*

孟 倩，趙瑞峰

(山西工程職業學院，山西 太原 030032)

0 引言

滾動軸承是機械傳動系統中重要的零部件，軸承各元件之間采用高副接觸。滾動軸承主要應用于減速器及各類變速箱體中，安放在箱體上或軸承座中，用來支撐各類軸的回轉運動，從而提高軸的旋轉精度，減小啟動阻力[1]。在實際工程應用尤其是非標機械設計中，滾動軸承也大量使用在高轉速、低負載的場合。根據軸承內圈與軸公差帶之間的位置關系，其配合分為間隙配合、過渡配合、過盈配合。根據實際生產的不同要求，對裝配關系的選擇也有所不同。

本文結合某企業實際需要，設計了配合選取的驗證實驗，對軸與滾動軸承配合關系的選取對軸徑磨損的影響進行分析驗證，為后續企業對配合選取的合理化改善提供一定的理論支撐。

1 軸與軸承配合選取理論

在對某企業生產調研時發現，其工務部門每個月軸承和軸的消耗量巨大，企業中以皮帶傳送結構為主的設備每個月維修更換4、5次，遠遠超出了正常的維修保養頻率，磨損實物如圖1所示。針對企業存在的這一問題，對傳送機構的應用場合、受力情況、選用材料等進行了分析，認為導致該設備維修率高的根本原因如下：該企業要求軸有一定的可拆卸性，因此制造設備時所用的軸與軸承配合均采用了小間隙配合，使得軸與軸承有間隙存在，加速了磨損。

當設計的零件與標準件相配時，基準制的選擇公差等級應按標準件而定。本案中，軸是加工件，軸承是標準件，因此軸與滾動軸承配合應選擇基孔制(例如H7)?；字葡拢S的公差帶分布如圖2所示[2]。

圖2 基孔制軸的公差帶

本案中，該企業僅僅片面考慮保證拆卸方便，因而選取了有配合間隙的間隙配合。考慮到存在相對運動情況，為了將相對運動的影響降至最低，軸和軸承選用g6的小間隙配合。實際裝配后軸和軸承之間存在相對運動，從而發生磨損，額外疊加裝配同軸度不好的問題，造成裝配失效、“跑套”、軸端磨損發塵、軸承損壞等問題，嚴重時發生斷軸現象。軸的磨損進展很快，重新更換配件后，迅速發生圖1左側的發塵現象，“切削”飛揚污染產品，造成了極大的經濟損失。若要優化軸承的全跳動和同軸度誤差，軸承內圈與軸的配合一般采用過盈配合。但如果過盈量過大，不僅導致軸承安裝和拆卸困難，還會導致軸承元件應力過高，在工作中較早出現點蝕現象，產生振動、噪聲等現象，從而影響軸承的旋轉精度。軸承元件彈性變形較大同樣會造成軸承旋轉精度的下降。

圖1 磨損實物

既要保證拆卸方便(要求有間隙)，又不能允許有相對運動(發生磨損)，按照以上理論分析來講是不可能的。存在小間隙、小過盈的過渡配合因此成為了唯一的且比較經濟的選擇。

筆者設計了幾組實驗，分別為間隙配合、過盈配合、過渡配合，在同等運行條件下，比較軸承與軸磨損程度、機構的裝配難度，驗證理論上過渡配合是唯一選擇的合理性。其中，磨損程度采用測量實驗前、后軸徑尺寸來衡量，裝配難度采用裝配時使用的工具及時長來衡量。

2 實驗驗證

企業中該傳送設備主要采用了滾動軸承6901，驗證實驗同樣以滾動軸承6901為例，驗證不同配合關系的選擇對軸徑磨損的影響。參考文獻[3],滾動軸承6901的基本參數如表1所示。

表1 滾動軸承6901的基本參數

滾動軸承的尺寸參數d、D、B和安裝有關，一旦選定，軸承的基本額定負載和允許轉速就確定了。經過計算，在實際應用環境下，當量靜載荷為236 N<1.04 kN，當量動載荷為897 N<1.92 kN；實際使用最大速度為3 000 r/min<32 000 r/min，因此該軸承的選取滿足實際需求。滾動軸承材料選用SUJ2高碳鉻軸承鋼(對應國標牌號GCr15)，軸承精度選取為GB307 P0。基于軸承材料的耐磨性較好，配合磨損的判定僅測量軸的尺寸。

2.1 配合選型

表2 選配軸的參數

為保證實驗效果的準確性，所選配軸均為同一材料：采用45鋼車削，表面無電解鍍鎳。

2.2 簡單驗證機構

本次設計的簡單驗證機構如圖3所示，整個傳送機構由安裝框架、傳送電機、傳送皮帶、傳送滾輪、聯軸器、軸、軸承及固定件組成。為保證框架的穩定性及軸承安裝孔的精度，機構的框架采用整體加工的方法，從一塊完整的6061鋁合金上直接加工成所需結構。這樣的加工方式，保證了兩軸端軸承安裝孔之間的位置度、軸承安裝孔的尺寸精度以及軸承安裝孔對于框架底面的平行度，從而最大限度地降低零件加工精度對軸承磨損造成的影響。

1-軸承；2-軸；3-安裝框架；4-傳送電機；5-聯軸器；6-固定件；7-傳送滾輪；8-傳送皮帶

傳送皮帶具有一定的彈性，為了傳遞運動，皮帶需要對軸有一定的拉力及摩擦力，這些作用力既要保證傳遞動力又需將對軸的影響降低到最低。根據工程經驗，軸的彎曲變形量小于0.05 mm時，可保證正常運動的傳遞同時對軸端影響較小。皮帶選型時，皮帶長度為原長的97%，打表實測軸彎曲在0.05 mm以內。

裝配時，首先檢查框架是否安裝正確，并對軸承安裝孔、面及框架進行清潔；其次將軸承壓入框架上對應安裝孔內，軸上依次套上滾輪和皮帶，穿過軸承內孔，軸端兩側和軸承用固定件進行固定；最后安裝電機及聯軸器，并調整同軸度。為保證機構的穩定性，將整個機構固定在一個平臺上。其中裝配、拆卸可能用到的工具有內六角扳手、三角拉馬、油壓機。

2.3 驗證過程

驗證過程中保持所有尺寸參數、運動參數一致，僅改變與滾動軸承選配軸的軸徑尺寸，詳見表2。企業實際生產需要的傳送帶速度為800 mm/s，實驗為了加快進程，使用4 m/s運行速度；企業實行一天3班工作制度，設備每天運行約20 h，實驗過程同樣一天運行20 h。該機構和企業生產設備中某一段傳送機構完全一致，因此可以模擬生產實際，實驗驗證過程如下：

(1)選取間隙配合(H7/g6)的軸1，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實驗機構上，運行速度4 m/s,每日觀察運行情況，2周后拆除確認軸端磨損情況，測量軸徑。

(2)選取過渡配合(H7/k6)的軸2，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實驗機構上，運行速度4 m/s,每日觀察運行情況，2周后拆除確認軸端磨損情況，測量軸徑。

(3)選取過盈配合(H7/p6)的軸3，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實驗機構上，運行速度4 m/s,每日觀察運行情況，2周后拆除確認軸端磨損情況，測量軸徑。

按照表2順序，依次對軸4～軸9進行對應驗證實驗，并記錄。實驗過程傳送框架未發生磨損及形變，因此可以多次拆卸使用。

3 實驗結果

通過記錄軸徑變化、安裝使用工具、運行過程以及磨損感度，對表2中9根軸進行了實驗驗證，其結果如表3所示。

表3 磨損實驗驗證結果

從安裝、拆卸的角度來說，過盈配合(軸3、軸6、軸9)非常不利于裝配和維修拆卸，人工無法將軸裝入軸承中，所以選擇了油壓機壓入的方式。壓入后發現軸在轉動時不順滑，考慮是由于過盈量大，在壓入過程中軸承受到了損傷。此外，在結束實驗拆卸時發現，軸和軸承拆卸十分困難，甚至使用了三角拉馬進行輔助拆卸。對拆下來的軸觀察發現，除磨損痕跡外，有大量安裝拆卸造成的軸表面損傷，同時運行中聯軸器也發生了損壞。相對來說，過渡配合及間隙配合在安裝拆卸時僅使用內六角扳手，必要時使用橡皮錘進行輔助裝配，安裝拆卸較為方便。

表3中的磨損數據表明，無論哪種配合，在長達2周的運轉下軸徑均發生了變化，尺寸發生了不同程度的減少。尤其對于間隙配合的軸1、軸4、軸7，軸徑尺寸變化量非常大，接近0.1 mm，并且肉眼可見發生了磨損。而過渡配合的軸2、軸5、軸8軸徑尺寸變化量極小，最大的減少量僅0.004 mm，這種程度的減少接近正常運行的磨損量。過盈配合的軸3、軸6、軸9尺寸減少了不到0.2 mm，但無法判斷是由于磨損還是裝配造成。

從運行過程看到，過盈配合的軸3、軸6、軸9，在實驗過程中一直伴隨明顯的振動及噪聲，噪聲既是裝配不良的提示，也意味著運動不合理隨時發生失效危險。間隙及過渡配合相對來說，運行平穩，無明顯的異響。

從磨損感度來說，間隙配合的軸1、軸4、軸7磨損明顯，拆卸下來的軸明顯“瘦”了一圈，甚至在實驗過程中，有些黑色粉末飛濺出來污染了傳送皮帶和阻塞了軸承，又加劇了磨損，這一現象和該企業設備實際運行狀況十分吻合。過渡配合及過盈配合雖然也有尺寸減少，但軸上僅僅留下來寬度和軸承寬度一致的一圈磨損痕跡，和正常磨損現場一致。

4 結論

通過以上驗證數據及相關理論分析，我們得出以下結論：

(1)在該企業相關應用領域，軸與軸承配合選擇過渡配合要比選擇間隙配合和過盈配合更合理。過渡配合相對來講既方便拆卸，又不會造成嚴重磨損。

(2)長期困擾企業的軸和軸承消耗量大、設備頻繁維修的問題，就是由于設備制造時片面追求方便拆卸，選取配合方式不合理造成的。

經過與企業溝通，分析其存在問題后，企業對目前存在問題的設備進行了改造。改造前半年內進行了56次維修，共維修磨損點88處；改造后半年內僅僅進行了每月定期保養，共計6次，維修磨損點11處，大大降低了企業的經濟及人力成本。