齒輪傳動設(shè)備軸承應(yīng)用分析探討

　　陸建國(鐵姆肯公司高級應(yīng)用工程師)

　　齒輪傳動設(shè)備廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其類型和尺寸多種多樣，需要滿足的應(yīng)用要求也各不相同。而軸承作為各種齒輪傳動設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，它的性能好壞一定程度上直接決定了整個設(shè)備的使用壽命。因此，對齒輪傳動設(shè)備中所選擇的軸承進(jìn)行必要的分析和計(jì)算是至關(guān)重要的。同時也要避免把計(jì)算軸承L10理論壽命等同于軸承應(yīng)用分析的全部內(nèi)容，尤其是對于齒輪傳動設(shè)備而言，各行各業(yè)的應(yīng)用環(huán)境差別很大，甚至在同一個傳動設(shè)備不同位置的軸承分析所要關(guān)注的重點(diǎn)也應(yīng)該是不同的。

　　低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的軸承應(yīng)用分析

　　大部分的齒輪傳動設(shè)備都是減速應(yīng)用，因此往往輸出軸是轉(zhuǎn)速最低的。不同行業(yè)輸出軸的轉(zhuǎn)速都不同，一般為二十幾轉(zhuǎn)每分鐘，有些甚至只有十幾轉(zhuǎn)每分鐘。如果忽略損耗，那么功率在傳動中基本保持不變，因此輸出軸的扭矩一般都很大，低速高扭矩的應(yīng)用中最需要關(guān)注的是軸承的潤滑情況，也就是油膜的形成問題。油膜的作用是在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時分開兩個金屬接觸面，避免金屬和金屬之間直接發(fā)生接觸。我們一般采用參數(shù)λ來表征潤滑的效果（λ定義為油膜厚度與兩接觸表面粗糙度之和的比值）。如果λ大于1，說明油膜的厚度足夠分開兩個金屬表面，潤滑效果好，而如果λ小于1，則說明油膜的厚度不足以分開兩個金屬表面，潤滑效果不理想。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中如果λ值小于1，則可能會出現(xiàn)如圖1所示的損傷。

　　圖1在潤滑不良的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承可能會發(fā)生的損傷

　　如果通過分析得到λ值小于1，那么為了避免發(fā)生如圖1所示的損傷，一般要根據(jù)實(shí)際情況對軸承的粗糙度提出更高的要求。應(yīng)用了加強(qiáng)的粗糙度后，很多情況下就可以有效避免軸承滾道和滾子之間的金屬直接接觸，如圖2所示。

　　圖2使用不同粗糙度時滾道和滾子之間的直接接觸

　　高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的軸承應(yīng)用分析

　　不同行業(yè)齒輪傳動設(shè)備的高速軸轉(zhuǎn)速都不同，但大部分的行業(yè)高速軸轉(zhuǎn)速都比較高，比如，很多水泥輥壓機(jī)齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)速為900多轉(zhuǎn)每分鐘。在對高速軸軸承進(jìn)行分析時需要考慮的重點(diǎn)和之前提到的低速軸軸承是截然不同的。由于轉(zhuǎn)速較高，軸承滾道及滾子間的油膜比較好，因此此種條件下，一般磨加工后的軸承粗糙度就可以滿足應(yīng)用要求。但由于轉(zhuǎn)速高軸承的發(fā)熱量較大，所以在選擇游隙時一般都相對于其他應(yīng)用要大一些。雖然運(yùn)轉(zhuǎn)后由于內(nèi)外圈溫差的存在會導(dǎo)致游隙有一定程度的減小，但絕大部分情況下高速軸的運(yùn)行游隙還是比較大的，否則會有溫度上升甚至燒壞軸承的風(fēng)險。然而，軸承在高速、低載荷并且大游隙的情況下容易發(fā)生打滑擦傷的風(fēng)險，如圖3所示。

　　圖3在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下發(fā)生擦傷的滾子

　　要避免這種情況的發(fā)生，精確的游隙控制在很多時候是一種可行的方法。對于調(diào)心或者圓柱滾子軸承來說，根據(jù)軸承內(nèi)外徑來選配軸以及軸承座進(jìn)行安裝，而對于雙列圓錐滾子軸承則進(jìn)行隔圈現(xiàn)場配磨，這些都是不錯的方法。當(dāng)然在一些特殊的應(yīng)用中，即使是精確調(diào)節(jié)游隙也無法避免這種現(xiàn)象，那么可以嘗試采用其他方法，比如鐵姆肯公司開發(fā)的表面處理技術(shù)。圖4顯示的是經(jīng)過一種表面處理的軸承。

　　圖4經(jīng)過表面處理的Timken®調(diào)心滾子軸承

　　高偏心條件下的軸承應(yīng)用分析

　　很多的齒輪傳動設(shè)備都采用行星輪組件，因?yàn)樾行禽唫鲃邮莿恿鲃又凶罹o湊的解決方案，它的特點(diǎn)是扭矩大，尺寸小，重量輕并且效率高。為了提高重合度，降低噪音，很多的行星輪傳動采用斜齒輪。斜齒行星輪產(chǎn)生的偏心以及變形要比直齒行星輪更加復(fù)雜，在這種應(yīng)用條件下，軸承往往容易偏心形成應(yīng)力集中。很顯然，這種偏心會對軸承造成不利的影響。針對這種情況，可以設(shè)計(jì)并采用具有針對性的軸承接觸型面，以有效避免應(yīng)力集中，如圖5所示。

　　圖5針對性修型對應(yīng)力分布的影響

　　避免了這種應(yīng)力集中就有效提高了軸承的壽命。應(yīng)用中偏心程度越厲害，這種針對性的接觸型面提高軸承壽命的效果通常也越明顯。如圖6所示。

　　（數(shù)據(jù)來源：鐵姆肯公司美國坎頓技術(shù)與工程中心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）

　　輕載條件下的軸承應(yīng)用分析

　　很多齒輪傳動設(shè)備都采用行星輪傳動機(jī)構(gòu)，一般情況下都會采用兩個軸承來支撐整個行星架。在絕大部分的情況下，這兩個行星架支撐軸承所承受的載荷一般都比較有限，尤其是對于低速級的行星架支撐軸承，軸承的尺寸一般相對較大，但所承受的載荷卻往往只是行星輪組件的重量而已。從一般軸承L10樣本壽命計(jì)算公式看，軸承的壽命值是非常高的，所以對于這個位置的應(yīng)用來說，疲勞壽命顯然不是關(guān)注的重點(diǎn)。相反，由于載荷較小，我們更應(yīng)該關(guān)注軸承運(yùn)行時的承載區(qū)。一般情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承在瞬間只有一部分滾子承受載荷，這些滾子所構(gòu)成的區(qū)域稱為軸承的承載區(qū)。對承載區(qū)的分析在輕載應(yīng)用條件下顯得極為重要。

　　在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，承載區(qū)內(nèi)滾子驅(qū)動保持架轉(zhuǎn)動，而在非承載區(qū)則是保持架驅(qū)動滾子。所以承載區(qū)的大小一方面影響著滾子附著力的大小，從而進(jìn)一步?jīng)Q定著非承載區(qū)滾子的運(yùn)動方式是滾動還是滑動，另一方面更是影響著保持架被滾子沖擊的程度（滾子進(jìn)出承載區(qū)時會對保持架造成一定的沖擊）。因此必須對輕載應(yīng)用條件下的軸承進(jìn)行承載區(qū)分析，如果發(fā)現(xiàn)承載區(qū)偏小，比如只有30度，則需要擴(kuò)大承載區(qū)。

　　影響承載區(qū)的因素有軸承游隙，載荷大小，溫升等因素。對于設(shè)計(jì)者來說比較容易控制的是軸承游隙，軸承游隙越小則承載區(qū)越大。因此一旦發(fā)現(xiàn)軸承承載區(qū)過小，則可以優(yōu)先考慮采用減小游隙的方法，如圖7所示。

　　圖7游隙減小前后承載區(qū)的比較

　　總之，齒輪傳動設(shè)備所涉及的行業(yè)多種多樣，應(yīng)用環(huán)境也是各有不同，有的是高速運(yùn)載條件，有的是輕載條件。實(shí)際應(yīng)用中，真正因?yàn)檫_(dá)到疲勞壽命而損壞的軸承比例非常小，絕大多數(shù)情況下軸承是由于潤滑不良、應(yīng)力集中或滾子打滑磨損等原因而失效。因此，除了對所選擇的軸承進(jìn)行L10理論壽命的計(jì)算之外，還必須要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行針對性的分析，比如本文中提到的潤滑分析、偏心情況分析和承載區(qū)分析等等。只有這樣，才可以在設(shè)計(jì)階段就避免軸承在日后的運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)損傷，從而減少停機(jī)時間，提高齒輪傳動設(shè)備的工作效率。