變速間歇沖擊載荷工況下的圓柱滾子軸承設計

張煦

（瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 瓦房店 116300）

近年來，圓柱滾子軸承在船舶、起重運輸、大中型電動機、軋鋼機等行業的應用日益廣泛，要求軸承在特殊工況下穩定旋轉，因此對軸承的承載能力、可靠性等的要求越來越高。目前常用的一種加強型結構即 E 型圓柱滾子軸承，其外形尺寸等已標準化。本文在 E 型圓柱滾子軸承的基礎上，通過內部結構設計優化及仿真分析滾子修形優化，進一步提高軸承性能，設計符合瞬間加速減速、間歇式、大沖擊載荷的圓柱滾子軸承。

1 主要技術指標

本文介紹的圓柱滾子軸承是為海裝配套的滑輪軸承，軸承的承載能力與旋轉靈活性對配套設備的正常工作起著至關重要的作用。軸承間歇式工作，轉速與載荷從零到最大值再回復到零，一個工作循環不超過 3 秒。該軸承既要承受沖擊載荷，又要在間歇式變速下靈活旋轉、不卡死。

軸承技術要求如下：（1） 軸承精度 P5，外圈旋轉；（2） 最高轉速 1 000 rpm；（3）環境溫度 -30～70 ℃；（4）最大徑向載荷Fr為 1 000 kN；（5）最大軸向載荷Fa為 65 kN。

2 軸承結構設計及材料選擇

2.1 軸承結構

依據技術指標要求，圓柱滾子軸承外形尺寸為φ320 mm×φ200 mm×90 mm，軸承外圈雙擋邊，內圈帶平擋圈，保持架端面設計通孔與滾子兩端的沉孔用彈性圓柱銷聯接成組件。軸承結構如圖1。

圖1 軸承結構

2.2 套圈材料

依據承受沖擊載荷的工況要求，軸承套圈選用耐沖擊的滲碳軸承鋼 G20Cr2Ni4。與高碳鉻軸承鋼相比，用滲碳軸承鋼制造的套圈表面具有高耐磨性、高抗疲勞性，且心部組織具有高強韌性。ISO 國際標準化組織承認，滲碳軸承鋼的使用性能與高碳鉻軸承鋼十分相似，不影響軸承理論計算壽命，并且沖擊載荷下用滲碳軸承鋼制造的軸承的實際壽命高于高碳鉻軸承鋼制造的。

2.3 滾子優化

2.3.1 滾子尺寸優化

軸承所承受的變速間歇沖擊載荷至少等效于其靜載荷值的兩倍，所以滾子尺寸的設計目標是最大限度地提高軸承的承載能力。為了提高軸承額定載荷，常設計加強 E 型圓柱滾子軸承，依據其經驗公式，計算出的最大滾子尺寸為φ34.8 mm×66 mm[1]。理論上，當軸向載荷與徑向載荷比值時，軸向載荷對軸承壽命的影響甚小，一般不予考慮。本文原設計軸承載荷比值小于 0.13，所以可以適當增加滾子長度，滾子直徑在保證套圈壁厚及保持架兜孔間梁寬的前提下也隨之增加。經優化滾子尺寸可增加到φ35 mm×71.4 mm。

2.3.2 滾子修形優化

滾子接觸區域的應力分布情況與滾子母線的凸度設計密切相關，凸度量小，高應力區集中在滾子端部；凸度量大，滾子中部應力較大，兩者均會造成滾子接觸應力分布不均勻。應用英國 Romax Designer 仿真分析軟件，建立該軸系模型，對軸承施加最大工況載荷，即徑向載荷Fr= 1 000 kN，軸向載荷Fa= 65 kN（仿真模型見圖2）。運行軸承軸系，通過對滾子接觸應力線及云圖分析，迭代優化設計符合工況的最優滾子對數母線修形曲線，使滾子在工作載荷下既不發生邊緣效應，也不存在應力集中，軸承接觸應力分布均勻。仿真分析結果見圖3，圖4。

圖2 Romax 仿真模型

圖3 滾道接觸應力線

圖4 滾道接觸應力云圖

2.4 保持架改進

軸承在變速、間歇式沖擊載荷下工作極易產生滾子歪斜，減少軸承壽命，因此為該工況設計一體式帶彈性圓柱銷保持架。保持架特點如下：

（1）一體式。一體保持架具有優良的動平衡性能，好的動平衡性能可以降低振動噪聲，在大的沖擊載荷下不易造成滾子歪斜，提高了軸承壽命與可靠性。

（2）直兜孔。直兜孔對滾子的包容量小，接觸面積小，可減少摩擦發熱，同時不易卡滾子，對提高軸承使用壽命至關重要，且加工簡單。

（3）保持架端面設計通孔與滾子端面用彈性圓柱銷連接。軸承頻繁地改變旋轉速度，將增加滾子在旋轉過程中卡死的幾率。本軸承保持架與滾子的這種安裝方式設計，使軸承在平穩工作時，由于滾子端面沉孔直徑大于軸承徑向間隙，所以滾子與彈性圓柱銷不發生接觸，不會產生摩擦。當高速變速時，一旦發生滾子歪斜，在回轉中心徑處的彈性圓柱銷可以與保持架兜孔共同幫助滾子回到正確旋轉軌道上，保證軸承不卡死。

3 試驗驗證

由于軸承每次工作時間很短、間歇式，且每次工作時轉速及載荷變化快，所以長時間較穩定載荷、轉速下進行的壽命試驗無法有效地反映軸承在該工況下的適應性，本文對軸承進行了振動試驗。試驗條件快加速，試驗轉速 1 000 轉/分鐘，振動（加速度）質量趨勢圖見圖5。由試驗結果可知，軸承工作平穩，旋轉正常，最大峭度2.51；試驗后的軸承外觀完好，滾道、滾子接觸位置正常，保持架完整。證明軸承經優化設計后能夠符合工況要求。

圖5 振動（加速度）質量趨勢圖

4 結束語

通過對瞬間加速減速、間歇式沖擊載荷工況的研究，設計了一種符合工況和技術指標要求的圓柱滾子軸承。應用 Romax Designer 仿真分析軟件，迭代優化設計符合工況要求的滾子對數修形曲線。成品檢測后，對軸承進行振動試驗，驗證軸承結構設計合理，符合使用要求。