電梯專(zhuān)用雙列角接觸球軸承單元功能組合設(shè)計(jì)

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

電梯專(zhuān)用雙列角接觸球軸承單元功能組合設(shè)計(jì)

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

針對(duì)新型無(wú)機(jī)房電梯曳引系統(tǒng)輪系尺寸大幅減小，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念難以滿足負(fù)荷能力問(wèn)題，進(jìn)行反繩輪（及導(dǎo)向輪）支承軸承與傳輸帶輪功能組合設(shè)計(jì)，滿足無(wú)機(jī)房電梯有限限位空間下承載能力和可靠性要求，實(shí)現(xiàn)電梯曳引傳輸系統(tǒng)帶輪傳遞作用與軸承減摩作用有機(jī)結(jié)合。

電梯專(zhuān)用軸承；組合設(shè)計(jì)；應(yīng)用

伴隨著環(huán)保節(jié)能型無(wú)機(jī)房電梯的快速發(fā)展，采用具有高曳引力和高柔韌性多楔V型齒形鋼絲復(fù)合帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)曳引鋼絲繩的無(wú)機(jī)房電梯曳引系統(tǒng)，主機(jī)體積比傳統(tǒng)電梯小70%以上，在大幅節(jié)省建筑空間，降低建造成本的同時(shí)，為乘客帶來(lái)顯著平穩(wěn)、安靜、潔凈的搭乘感受，成為當(dāng)代無(wú)機(jī)房電梯發(fā)展方向的代表，受到市場(chǎng)高度青睞。

作為其導(dǎo)向輪與反繩輪支承，軸承的承載能力、摩擦損失、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音和密封、溫升性能等直接影響電梯傳動(dòng)效率和轎廂升降平穩(wěn)性，尤其在大幅減少的輪系尺寸下如何提供足夠承載能力，成為該類(lèi)電梯曳引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的先決條件。本文以電梯反繩輪支承為例，進(jìn)行支承軸承與傳輸帶輪功能組合設(shè)計(jì)并推薦設(shè)計(jì)方法，充分滿足無(wú)機(jī)房電梯有限限位空間下承載能力和可靠性要求，實(shí)現(xiàn)電梯曳引傳輸系統(tǒng)帶輪傳遞作用與軸承減摩作用有機(jī)結(jié)合。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及其不足

本文所述無(wú)機(jī)房高速節(jié)能電梯采用高曳引力和高柔韌性多楔V型齒形鋼絲復(fù)合帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)曳引鋼絲繩（圖1），摩擦帶動(dòng)張緊輪轂旋轉(zhuǎn)，支承軸承承受電梯自重（或?qū)χ兀⑤d重施加的徑向載荷及電梯晃動(dòng)可能產(chǎn)生的傾覆力矩。

圖1 曳引媒介

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念通常將曳引輪系支承設(shè)計(jì)成帶輪內(nèi)嵌入標(biāo)準(zhǔn)軸承的部件式結(jié)構(gòu)（圖2（a）），帶輪直徑足夠大時(shí)，可匹配嵌入較大軸承提供足夠支承能力。本文所述電梯帶輪直徑僅85～150 mm，帶輪和軸承套圈必須的壁厚限制了嵌入軸承的外形尺寸，約束了軸承中心圓直徑、滾動(dòng)體直徑和數(shù)量，亦即限制了軸承的載荷能力，難以滿足承載需求。

圖2 結(jié)構(gòu)對(duì)照

2 功能組合設(shè)計(jì)

為適應(yīng)有限限位空間下承載能力要求，按照本文推薦的方法對(duì)軸承進(jìn)行功能組合設(shè)計(jì)（圖2（b）），以提高軸承負(fù)載能力和額定壽命、減少軸向竄動(dòng)，確保電梯平穩(wěn)、安靜、可靠運(yùn)行并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、免維護(hù)等使用特征。

（1）將軸承外圈外壁設(shè)計(jì)成帶有多楔V型齒的帶輪形狀，使軸承與帶輪合并為整體單元，有效增大軸承截面尺寸，取得較大的中心圓直徑、滾動(dòng)體直徑和數(shù)量，進(jìn)而增大軸承載荷能力。

（2）內(nèi)部采用雙列角接觸球軸承結(jié)構(gòu)，具有雙向承載和抵抗傾覆力矩能力。同時(shí)該類(lèi)軸承較小的軸向游隙，可有效預(yù)防電梯轎廂晃動(dòng)引起的皮帶軸向竄動(dòng)。

（3）外圈齒廓按照齒形復(fù)合帶對(duì)應(yīng)形狀設(shè)計(jì)（圖3），力求高度吻合，防止硬性交割干涉并擁有最大接觸面積。同時(shí)在齒峰和齒谷分別以一定弧度過(guò)渡（圖3（b）），避讓曳引帶齒頂和齒根，防止硬性擠壓造成皮帶不正常損毀。

圖3 多楔齒結(jié)構(gòu)形狀

（4）軸承單元設(shè)計(jì)成獨(dú)立預(yù)潤(rùn)滑密封單元，出廠時(shí)預(yù)先注入適合運(yùn)轉(zhuǎn)工況的潤(rùn)滑脂，工作壽命周期內(nèi)不需再潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。其密封設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力易造成密封腔內(nèi)油脂徑向遷移并在旋轉(zhuǎn)摩擦熱壓力引導(dǎo)下滲出[1]現(xiàn)象，設(shè)置一定減壓孔隙或逃氣凹槽，以獲得最佳防泄漏效果。

（5）內(nèi)圈內(nèi)孔制作成安裝孔，便于安裝使用。

3 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

功能組合設(shè)計(jì)有效增大了軸承截面尺寸，令增大鋼球直徑Dw、球數(shù)Z和球組中心圓直徑Dwp成為可能。應(yīng)用擬靜力學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)，在滿足一定約束條件下使軸承額定動(dòng)載荷盡可能大[2-3]。

（1）建立目標(biāo)函數(shù)

（2）設(shè)定約束條件

鋼球直徑Dw、鋼球中心徑Dwp、球數(shù)Z分別滿足：

式中：Kw—鋼球直徑系數(shù)；Kz—鋼球數(shù)量系數(shù)

（3）應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，通過(guò)局部網(wǎng)格法進(jìn)行優(yōu)化篩選，挑選滿足Cr最大的Dw、Z和Dwp最佳點(diǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

充分利用軸承厚壁截面，選擇適宜結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得最佳使用性能、使用壽命和有利于潤(rùn)滑油膜形成的接觸形式和接觸狀態(tài)。

（1）接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，是軸承內(nèi)部載荷分布、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、摩擦、潤(rùn)滑等的重要影響因素[3]。電梯反繩輪軸承主要承受轎廂自重（或?qū)χ兀┖洼d重施加的徑向載荷及其晃動(dòng)產(chǎn)生的偏擺載荷，屬中等載荷下非高速應(yīng)用，推薦接觸角α=25°。

（2）溝曲率系數(shù)

軸承工作時(shí)外圈旋轉(zhuǎn)，不宜采用較大外溝曲率系數(shù)[2]。從等強(qiáng)度概念分析并經(jīng)計(jì)算確認(rèn)，內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)分別選取fi=0.515/fe=0.525，可令兩溝道處接觸應(yīng)力相近，有利于潤(rùn)滑和提高極限轉(zhuǎn)速，降低振動(dòng)和異音。

（3）擋邊高系數(shù)

軸承在載荷作用下，球與滾道間形成接觸橢圓（圖4）。若電梯轎廂晃動(dòng)產(chǎn)生較大傾覆力矩造成軸向過(guò)載，套圈擋邊與溝道表面的交線將進(jìn)入彈性接觸區(qū)域，產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)接觸橢圓被擋邊邊緣截?cái)鄩膿p[4]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取適宜擋邊高度，使接觸橢圓邊界落在擋邊邊緣，避免截?cái)唷⒖紘?guó)內(nèi)外軸承樣品并按選定接觸角對(duì)比計(jì)算，擋邊高系數(shù)建議選取：

外圈 Kie=0.4；

內(nèi)圈 Ki2=0.4。

圖4 接觸橢圓

4 軸承性能對(duì)比分析

應(yīng)用本設(shè)計(jì)方法并結(jié)合厚壁軸承套圈防淬裂及整體淬透性熱處理、大展開(kāi)長(zhǎng)度多曲面精密復(fù)合磨削、低噪聲雙列角接觸球軸承制造、軸承檢測(cè)與試驗(yàn)、套圈表面防腐改性等多技術(shù)層面創(chuàng)新實(shí)踐，令產(chǎn)品在包括負(fù)載能力、額定壽命、旋轉(zhuǎn)精度、密封與溫升性能、低噪音水平等在內(nèi)的多項(xiàng)性能較之傳統(tǒng)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，代表型號(hào)分析對(duì)比結(jié)果如表1所列。

表1 軸承單元代表型號(hào)性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的電梯專(zhuān)用雙列角接觸球軸承單元功能組合設(shè)計(jì)方法，已應(yīng)用與多家軸承生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，成果產(chǎn)品配套世界高端乘客電梯，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。采用本設(shè)計(jì)方法，可提高軸承負(fù)載能力30%～60%、提高額定壽命120%、減少軸向竄動(dòng)50%～70%，其可靠無(wú)泄漏密封設(shè)計(jì)可大幅簡(jiǎn)化日常維護(hù)，消除電梯箱體油污污染，帶給乘客平穩(wěn)、安靜、潔凈的運(yùn)行感受度。此外，本研究方法對(duì)于其他應(yīng)用領(lǐng)域有限空間內(nèi)高軸向剛度、高承載能力軸承或通用零部件研發(fā)，同樣具有積極的指導(dǎo)意義。

［1］趙聯(lián)春.皮帶張緊驅(qū)動(dòng)外圈旋轉(zhuǎn)軸承的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)［A］.第六屆中國(guó)軸承論壇論文集［C］.寧波，2011.

［2］T.A.Harris著.羅繼偉等譯.滾動(dòng)軸承分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］角接觸球軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)［Z］.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，2006.

［4］萬(wàn)長(zhǎng)森.滾動(dòng)軸承的分析方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

Combined-Performance Design of Double Row Angular Contact Ball Bearing Units Specialized in Elevator

CHEN Qing-xi
（TCB Bearing Manufacturing Co.，Ltd.，Zhongshan 528437，China）

In terms of the issue that classical design concept hardly satisfied the load capacity when dimensions of hoist system reduced on new types of non-machine room elevator，combined-performance of support pulley and mast pulley is designed to satisfy the load capacity and reliability requirement in limited space of non-machine room elevator，in order to realize the optimized combination of pulley transmission performance of elevator hoist system and the performance of friction reduction of bearings.

bearings specialized in elevator；combined-performance design；application

TH133.3

B

1009－9492(2014)05－0159－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.040

陳慶熙，男，1961年生，廣東汕頭人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：軸承設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－22