大型圓柱滾子軸承滾動(dòng)體素線形狀對(duì)端面圓跳動(dòng)檢測(cè)值的影響

鄭國(guó)勝，吳迎清

（1. 鐵道部駐哈爾濱車(chē)輛驗(yàn)收室，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸承集團(tuán)公司 鐵路軸承制造分廠，黑龍江 哈爾濱150036）

1 前言

大型圓柱滾子軸承是大型機(jī)械設(shè)備使用的重要部件之一，其質(zhì)量的好壞直接影響到主機(jī)的性能及安全性。大型圓柱滾子軸承通常承受的載荷非常大，而且工作環(huán)境惡劣，所以如何提高其承載能力和使用壽命也就非常重要。為了降低邊緣效應(yīng)，防止應(yīng)力集中，滾動(dòng)體一般采用圓弧、直線加圓弧修形及對(duì)數(shù)曲線等形狀。由于滾動(dòng)體素線為圓弧形狀，當(dāng)以圓弧素線為基準(zhǔn)測(cè)量滾子端面圓跳動(dòng)時(shí)，造成測(cè)量值偏大，所測(cè)數(shù)值不是真實(shí)數(shù)值。本文就圓弧素線影響滾子端面圓跳動(dòng)測(cè)量值展開(kāi)討論，并提出了解決辦法。

2 滾子端面圓跳動(dòng)測(cè)量存在的問(wèn)題

圖1 中，滾動(dòng)體滾動(dòng)面（φ32mm尺寸所標(biāo)注的圓柱表面）素線方程：Y=3.58×10-3ln〔1/［1-（2X/49.2）2］〕，其中X≠49.2/2。素線是由兩條滿足此方程的彼此對(duì)稱(chēng)的對(duì)數(shù)曲線所組成。

該軸承滾動(dòng)體的加工工藝如下：

1.棒料鋸斷→2.毛坯車(chē)成型→3.熱處理→4.粗磨外徑→5.粗磨端面→6.細(xì)磨外徑→7.細(xì)磨端面→8.硬車(chē)倒角→9.精磨外徑→10.精磨端面→11.終磨外徑→12.尺寸分組→13.精研外徑→14.磁粉探傷15.光飾→16.超精外徑→17.清洗→18外觀→19.尺寸分組→20.涂油包裝→21.終檢驗(yàn)收。

在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，端面圓跳動(dòng)合格的滾動(dòng)體，經(jīng)“超精外徑”工序加工之后，端面圓跳動(dòng)變得不合格了。

圖1 某軸承滾動(dòng)體的相關(guān)技術(shù)要求

“超精外徑”工序加工前后比較，除滾動(dòng)體直徑有變化外，滾動(dòng)體滾動(dòng)面的素線形狀也與加工前的不同。經(jīng)“超精外徑”工序加工后，素線形狀由加工前的直線變成了對(duì)數(shù)曲線。

工藝中其它的外徑加工工序，如：“終磨外徑”、“精磨外徑”等，雖然加工前后，滾動(dòng)體直徑同樣有變化，但素線形狀卻沒(méi)變（加工前后都是直線）。這些工序加工后，沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似于“超精外徑”工序加工后的測(cè)量問(wèn)題，因此，素線形狀是導(dǎo)致出現(xiàn)端面圓跳動(dòng)測(cè)量問(wèn)題的原因。

滾動(dòng)面素線形狀對(duì)滾動(dòng)體端面圓跳動(dòng)測(cè)量的影響，有必要進(jìn)行深入的分析。

3 對(duì)數(shù)形素線對(duì)測(cè)量端面圓跳動(dòng)影響的定性分析

測(cè)量滾動(dòng)體端面圓跳動(dòng)使用的儀器是C742型軸承檢測(cè)專(zhuān)用儀器。檢測(cè)時(shí)，被測(cè)滾動(dòng)體的滾動(dòng)面被置于“支撐三角臺(tái)”的兩個(gè)傾斜面上，滾動(dòng)體滾動(dòng)面與兩傾斜面呈線接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了徑向的定位；在滾動(dòng)體軸向上，用“軸向定位快”加以單方向定位。圖2 給出測(cè)量時(shí)被測(cè)滾動(dòng)體、支撐三角臺(tái)、軸向定位快、檢測(cè)儀表的相互位置關(guān)系。

測(cè)量時(shí)，滾動(dòng)體必須被旋轉(zhuǎn)一周以上，并記錄下滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中千分表示值的最大和最小值。最大和最小值的差值，就是滾動(dòng)體的端面圓跳動(dòng)數(shù)值。

圖2 滾動(dòng)體端面跳動(dòng)測(cè)量示意圖

采用圖2 的測(cè)量定位方式，當(dāng)滾動(dòng)體滾動(dòng)表面的素線是直線時(shí)，測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)滾動(dòng)體施以向下和向“軸向定位塊”方向力時(shí)，滾動(dòng)體只剩下一個(gè)自由度——繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，因而，測(cè)量的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖3 軸承滾動(dòng)體的素線比例圖

如前所述，該軸承滾動(dòng)體滾動(dòng)面的素線，在“精研外徑”工序后，由直線變成了兩條相對(duì)稱(chēng)的對(duì)數(shù)曲線組合曲線，其單條曲線方程：Y=3.58×10-3ln〔1/［1-（2X/49.2）2］〕。素線形狀的比例圖見(jiàn)圖3。

由于滾動(dòng)體的素線呈現(xiàn)圖3曲線的形狀。因此，其滾動(dòng)表面與圖2 中“支撐三角臺(tái)”的兩個(gè)傾斜支撐面，不像直素線滾動(dòng)體那樣呈直線接觸，而是呈點(diǎn)接觸的狀態(tài)。

按圖2，滾動(dòng)體在被施加向下和向“軸向定位塊”方向的力時(shí)，被測(cè)滾動(dòng)體實(shí)際上有2個(gè)自由度：一個(gè)是繞其自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)是在垂直平面內(nèi)，繞其與“支撐三角臺(tái)”兩支撐面支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于存在著繞支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，測(cè)值必然存在誤差。導(dǎo)致了端面圓跳動(dòng)合格的滾動(dòng)體，在“超精外徑”工序加工之后，變得不合格了。

4 對(duì)數(shù)形素線對(duì)測(cè)量端面圓跳動(dòng)影響的定量分析

測(cè)量中，由于被測(cè)滾動(dòng)體承受的法向力不超過(guò)20N，徑向定位面（“支撐三角臺(tái)”的兩傾斜面）與滾動(dòng)體的滾動(dòng)面之間的彈性變形可以忽略。因此，可以認(rèn)為被測(cè)滾動(dòng)體與“支撐三角臺(tái)”的兩傾斜支撐面間，是相切的位置關(guān)系。

當(dāng)徑向支撐點(diǎn)位于滾動(dòng)體軸向的不同橫截面上時(shí)，“支撐三角臺(tái)”的傾斜支撐面與滾動(dòng)體軸線的夾角是不同的。

從素線方程Y=3.58×10-3l n〔1/［1-（2X/49.2）2］〕出發(fā)，可以得出徑向支撐點(diǎn)在滾動(dòng)體軸向的不同橫截面上時(shí)，支撐面與滾動(dòng)體軸線間的夾角。其公式如下（推導(dǎo)過(guò)程略）：

其中：θ——滾動(dòng)體軸線與“支撐三角臺(tái)”支撐面間的夾角；

X——滾動(dòng)體支撐點(diǎn)所在的軸向橫截面與滾子軸向中截面間的距離。

由公式（1）可知，當(dāng)X=0時(shí)、θ=0；當(dāng)X≠0時(shí)、θ≠0。即除支撐點(diǎn)位于中截面外，位于任意橫截面上，被測(cè)滾動(dòng)體的軸線都會(huì)與水平面存在夾角。

被測(cè)滾動(dòng)體的軸線與水平面間的夾角可以用下述公式計(jì)算（推導(dǎo)過(guò)程略）：

其中：α——滾動(dòng)體軸線與水平面間的夾角；

θ——滾動(dòng)體的軸線與“支撐三角臺(tái)”支撐面間的夾角；

γ——“支撐三角臺(tái)”兩傾斜支撐面間的夾角。

從表1 是按公式（1）和（2）計(jì)算后得出的支撐點(diǎn)在不同位置時(shí)，滾動(dòng)體的軸線與水平面間的夾角（γ取60°），計(jì)算過(guò)程略。

表1 支撐點(diǎn)所在的橫截面與中截面間間距和滾動(dòng)體軸線與水平面間夾角的對(duì)應(yīng)表

表1 得出，支撐點(diǎn)離中截面越遠(yuǎn)，滾動(dòng)體軸線與水平面夾角越大。按圖2 測(cè)量時(shí)，不可能控制住支撐點(diǎn)位置，也就是測(cè)量過(guò)程中滾動(dòng)體的軸線存在著擺動(dòng)現(xiàn)象。

軸線的擺動(dòng)對(duì)端面圓跳動(dòng)測(cè)值的影響，可以用下述公式計(jì)算（推導(dǎo)過(guò)程略）。

其中：δ——軸線擺動(dòng)對(duì)端面跳動(dòng)測(cè)值的影響值；

R——測(cè)量端面跳動(dòng)時(shí)測(cè)點(diǎn)距滾動(dòng)體端面中心的距離；

α——滾動(dòng)體軸線與水平面的夾角。

滾動(dòng)體軸線擺動(dòng)對(duì)端面圓跳動(dòng)測(cè)值的最大影響值計(jì)算如下：

（1）實(shí)際測(cè)量操作時(shí)，支撐點(diǎn)與滾動(dòng)體中截面的距離不會(huì)超過(guò)6mm。取X=6mm。

（2）測(cè)量端面圓跳動(dòng)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)要求盡量靠近滾動(dòng)體的端面倒角邊緣。由圖1可知，滾動(dòng)體的端面上的倒角最大值為1.4mm，滾動(dòng)體直徑φ32mm。因而，R=32/2-1.4=14.6（mm）?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，取R=14mm。

將X=6mm、R=14mm代入公式（3），計(jì)算得：δmax=0.103mm。

計(jì)算結(jié)果反應(yīng)出：素線是對(duì)數(shù)曲線時(shí)，按圖2 的測(cè)量方法，會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

5 解決方法

從定性和定量的分析結(jié)果看，該軸承滾動(dòng)體在“超精外徑”工序加工之后，圖2 的端面圓跳動(dòng)測(cè)量方法不再適用了。

當(dāng)采取措施，消除檢測(cè)時(shí)滾動(dòng)體在垂直平面內(nèi)繞其與“支撐三角臺(tái)”的兩傾斜支撐面上支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，被測(cè)滾動(dòng)體就僅存繞其自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

理論上采用徑向的兩點(diǎn)定位方式，可限制滾動(dòng)體在垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 是最簡(jiǎn)單的改進(jìn)方法之一。對(duì) 原有“支撐三角臺(tái)”作了改進(jìn)，在“支撐三角臺(tái)”的中部開(kāi)出槽。由于中部帶槽，被測(cè)滾動(dòng)體的滾動(dòng)面與“支撐三角臺(tái)”槽的邊緣相接觸，相當(dāng)于每側(cè)斜面有兩個(gè)接觸點(diǎn)，消除了測(cè)量過(guò)程中滾動(dòng)體在垂直面內(nèi)擺動(dòng)現(xiàn)象。

此改進(jìn)不僅使原有測(cè)量方式得以繼續(xù)沿用，而且直接用原“支撐三角臺(tái)”進(jìn)行改進(jìn)，加工簡(jiǎn)單、成本低。同時(shí)，對(duì)帶有直線性素線的滾動(dòng)體，可以直接應(yīng)用。

通過(guò)100粒樣本的試驗(yàn)證明，改進(jìn)之后，消除了改進(jìn)之前存在的測(cè)量誤差。

圖4 改進(jìn)后的滾動(dòng)體端面跳動(dòng)測(cè)量示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

在超精外徑加工之后（素線加工成對(duì)數(shù)曲線后），該軸承滾動(dòng)體滾動(dòng)面素線形狀，由直線變?yōu)閷?duì)數(shù)曲線，不能采用原有的檢測(cè)手段。

由于存在著繞徑向支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，測(cè)值必然存在誤差，且誤差很大。

為消除滾動(dòng)面素線形狀所帶來(lái)的測(cè)量誤差，采用對(duì)“支撐三角臺(tái)”中部加槽的方法，最簡(jiǎn)單、有效。

無(wú)論何種方式，采用徑向支撐面的兩點(diǎn)支撐，就可以消除對(duì)數(shù)形素線滾動(dòng)體繞支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)體端面圓跳動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)量。