圓錐滾子球基面穴徑對軸承壽命的影響

王江山 陳 渭 李文巖

(①瓦房店軸承集團(tuán)公司工程中心，遼寧 瓦房店116300;②西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049)

在設(shè)計(jì)圓錐滾子軸承時(shí)，滾子球基面與內(nèi)圈擋邊處的接觸設(shè)計(jì)不容忽視。不是最優(yōu)化的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致軸承的旋轉(zhuǎn)精度差、軸承使用壽命短以及軸承在使用過程中出現(xiàn)接觸位置異常、大擋邊碎裂和異常溫升等問題。內(nèi)圈擋邊、滾子球基面形狀以及滾子球基面穴徑大小都是影響軸承壽命的重要因素。

1 圓錐滾子球基面與大擋邊接觸中存在的問題

在大錐角圓錐滾子軸承中，內(nèi)圈滾道、外圈滾道和滾子外徑3 個(gè)表面主要承受徑向負(fù)荷，理論上處于純滾動狀態(tài)。本文所研究軸承的外圈滾道母線與軸心線之間的夾角約為α =25° ～29°，故稱其為大錐角圓錐滾子軸承。該種軸承承受軸向負(fù)荷的能力高于一般圓錐滾子軸承，主要用于承受以1 個(gè)方向的軸向負(fù)荷為主的徑向、軸向聯(lián)合負(fù)荷。

常規(guī)圓錐滾子球基面的設(shè)計(jì)與加工方法，沒有滿足圓錐滾子軸承的使用壽命要求。主要問題和現(xiàn)狀(如圖1 所示)有:(1)內(nèi)圈大擋邊表面及滾子球基面磨損不均勻，滾子球基面SR值散差大;(2)軸承使用過程中常常出現(xiàn)異常溫升現(xiàn)象;(3)大錐角圓錐滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸位置異常，接觸位置時(shí)而出現(xiàn)在內(nèi)圈大擋邊外側(cè)與滾子球基面的穴徑邊緣之間，時(shí)而出現(xiàn)在內(nèi)圈大擋邊內(nèi)側(cè)與滾子球基面徑向倒角邊緣之間，即滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊之間接觸位置時(shí)常出現(xiàn)飄忽不定現(xiàn)象;(4)軸承內(nèi)圈大擋邊有時(shí)出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。因此，為了有效提高這種大錐角圓錐滾子軸承使用壽命，首先要解決滾子球基面形狀對軸承性能影響的問題。依據(jù)這種大錐角圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及滾子、內(nèi)圈滾道、大擋邊磨損后的應(yīng)力狀態(tài)和變形的基本規(guī)律，對軸承圓錐滾子球基面形狀進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 圓錐滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸狀態(tài)分析

滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊都是工作表面，它們在工作時(shí)產(chǎn)生的滑動摩擦，在潤滑不良或接觸位置不合理時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦磨損、燒傷或應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致軸承滾道、滾子球基面以及外徑的早期疲勞剝落而失效。圓錐滾子球基面形狀、球基面的穴徑大小及內(nèi)圈大擋邊形狀是影響內(nèi)圈大擋邊異常溫升和軸承承載能力的主要因素，圓錐滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸位置也是很重要的環(huán)節(jié)。

內(nèi)圈大擋邊與滾子球基面之間的異常接觸位置與磨損狀況，同樣影響著軸承的使用壽命。磨損不均勻現(xiàn)象，特別是因?yàn)閳A錐滾子球基面穴徑尺寸小而引起的穴徑邊緣凸起(如圖1b 所示)，可造成滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸不良。如果同時(shí)伴隨著內(nèi)圈大擋邊角度差超差、表面粗糙度超差等問題，磨損不均勻會造成內(nèi)圈大擋邊表面出現(xiàn)螺旋形態(tài)磨損。所以，根據(jù)軸承內(nèi)圈大擋邊狀況適當(dāng)加大圓錐滾子球基面穴徑尺寸，一方面有利于圓錐滾子兩端面等面積磨削，有效保證圓錐滾子兩端倒角坐標(biāo)尺寸;另一方面，也有利于改善軸承工作軸向載荷大以及滾子球基面SR值散差大等因素導(dǎo)致的內(nèi)圈大擋邊表面、滾子球基面磨損程度不均勻現(xiàn)象。

另外，在接觸點(diǎn)處，滑動摩擦的大小與接觸點(diǎn)的位置有關(guān):當(dāng)接觸點(diǎn)所在圓周的直徑小時(shí)，滑動摩擦小;反之，滑動摩擦大［1］。因此，滾子球基面與大擋邊接觸位置在中間，能有效避免或減少大擋邊碎裂現(xiàn)象發(fā)生。

3 國內(nèi)、外圓錐滾子球基面穴徑大小現(xiàn)狀對比及分析

國外軸承的圓錐滾子球基面穴徑比較大(圖2)，滾子穴徑邊緣明顯低于內(nèi)圈大擋邊倒角;而國內(nèi)設(shè)計(jì)的部分軸承的圓錐滾子球基面穴徑比較小(圖3)，滾子穴徑邊緣明顯高于內(nèi)圈大擋邊倒角或與之平齊。

對比國內(nèi)外軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出，國外沖壓圓錐滾子球基面穴徑約為φBmm(見圖4)，大于滾子大頭直徑尺寸1/2 之多，這一結(jié)論可通過國外圓錐滾子軸承樣品的滾子穴徑尺寸測量數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證。且與滾子球基面的接觸點(diǎn)幾乎在內(nèi)圈大擋邊的中間位置，滾子穴徑邊緣低于大擋邊倒角處(如圖2 所示)。而國內(nèi)部分企業(yè)設(shè)計(jì)的圓錐滾子軸承的滾子球基面穴徑尺寸約φAmm(見圖5)，僅約為滾子大頭直徑尺寸1/2左右(也有一部分設(shè)計(jì)略大于1/2 滾子大頭直徑的)。且不同設(shè)計(jì)者不同時(shí)期設(shè)計(jì)規(guī)范也不盡統(tǒng)一，通過軸承臺架壽命試驗(yàn)可以看出，兩種結(jié)構(gòu)型式軸承旋轉(zhuǎn)精度也明顯不同。

4 改進(jìn)圓錐滾子球基面的形狀設(shè)計(jì)及加工工藝

為了提高圓錐滾子軸承的使用壽命和極限轉(zhuǎn)速，合理設(shè)計(jì)內(nèi)圈大擋邊和滾子球基面接觸點(diǎn)的位置是關(guān)鍵。優(yōu)化圓錐滾子球基面穴徑尺寸及控制實(shí)際加工球基面尺寸的散差值，也是決定二者接觸點(diǎn)位置的重要環(huán)節(jié)。對于大錐角圓錐滾子軸承而言，倘若滾子球基面的穴徑尺寸太小，則滾子球基面在內(nèi)圈大擋邊上的軸向分力很大，滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸摩擦力就很大。另一方面，對于此類型軸承的內(nèi)圈大擋邊和滾子的球基面而言，在一般實(shí)際加工中，表面粗糙度工藝要求難以達(dá)到。這樣，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸部位必然加劇磨損，而滾子球基面上穴徑邊緣高出內(nèi)圈大擋邊的那一部分則沒有磨損，這樣自然在滾子穴徑邊緣處形成一個(gè)圓環(huán)形凸臺。接觸部分磨損越多，沒有接觸部分也就凸起越高(如圖1b 所示環(huán)形凸起部分)，造成滾子在軸承內(nèi)圈大擋邊中旋轉(zhuǎn)不靈活，從而導(dǎo)致滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊表面處于異常接觸狀態(tài)，導(dǎo)致軸承異常升溫而失效。

因此，應(yīng)適當(dāng)增大滾子球基面穴徑，以使上述問題得到有效改善。本文對于圓錐滾子球基面的穴徑尺寸優(yōu)化問題進(jìn)行了有限元接觸分析?？梢钥闯?

在大的軸向負(fù)荷作用下，滾子與內(nèi)圈大擋邊的接觸區(qū)峰值應(yīng)力隨滾子球基面穴徑的增大而增大(圖6);過大的滾子球基面穴徑將導(dǎo)致滾子球基面承載不合理而局部接觸應(yīng)力過大(圖7);而小穴徑的滾子球基面具有較大的接觸面積，接觸應(yīng)力分布均勻，接觸應(yīng)力狀態(tài)良好(圖8)。所以，設(shè)計(jì)中需要根據(jù)內(nèi)圈擋邊的高度不同，調(diào)整滾子球基面穴徑尺寸，使得滾子球基面穴徑的邊緣稍微低于內(nèi)圈大擋邊倒角邊緣或與之平齊為宜(圖9)，這樣既避免了滾子球基面穴徑邊緣凸起的產(chǎn)生，在大的軸向載荷作用下又不至于出現(xiàn)不合理的接觸應(yīng)力分布。

另外，由于此類圓錐滾子半錐角角度偏大，因此，改變滾子球基面加工工藝尤為重要。原來滾子球基面通常是采用單個(gè)范成法磨削，生產(chǎn)效率極低，滾子球基面SR尺寸散差較大;為了保證圓錐滾子球基面加工精度，采用無磁通過式成型磨削球基面加工方法，以兩導(dǎo)輪盤錐面組成的內(nèi)錐角并借助隔離盤工作面對滾子滾動面定位，保證了滾子定位穩(wěn)定性和可靠性。通過球窩形的成型砂輪磨削區(qū)，使?jié)L子球基面獲得了特定的球型基面，并通過磨削區(qū)域形成楔角狀形式來實(shí)現(xiàn)粗、細(xì)、精磨削全過程。此方法對于大錐角圓錐滾子球基面跳動值有明顯改善，圓錐滾子球基面SR值尺寸散差也得到了很好的控制。但為了減小滾子球基面表面粗糙度值，還應(yīng)進(jìn)行圓錐滾子的光飾加工，另外，可以對內(nèi)圈大擋邊表面采取超精或拋光表面加工方法，以確保滾子球基面與大擋邊表面接觸良好。

5 圓錐滾子軸承臺架壽命試驗(yàn)效果分析

經(jīng)過多次實(shí)際圓錐滾子軸承臺架壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證了適當(dāng)增大圓錐滾子球基面穴徑尺寸的正確性，改善了內(nèi)圈大擋邊與滾子球基面的接觸位置。改善前，在徑向載荷Fr=148.96 kN、軸向載荷Fa=148.96 kN 及試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=170 r/min 的實(shí)驗(yàn)條件下，軸承容易出現(xiàn)滾子球基面磨損不均勻(圖10)、內(nèi)圈大擋邊表面螺旋形態(tài)磨損加劇(圖11)等現(xiàn)象。軸承僅連續(xù)運(yùn)行幾十小時(shí)，就出現(xiàn)了軸承異常溫升、滾道表面及滾子球基面磨損程度嚴(yán)重深淺不一、內(nèi)圈大擋邊碎裂等異常現(xiàn)象。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，軸承在試驗(yàn)過程沒有出現(xiàn)特別異常溫升現(xiàn)象或內(nèi)圈大擋邊碎裂現(xiàn)象。當(dāng)然，由于軸承壽命試驗(yàn)效果受多種條件制約，而本文主要重點(diǎn)是以改進(jìn)上述條件為前提的。特別需要指出的是圓錐滾子球基面SR值的散差要控制好，它也是直接影響內(nèi)圈大擋邊與圓錐滾子球基面接觸位置的一個(gè)重要因素。軸承臺架試驗(yàn)壽命有十分明顯的提高。大錐角圓錐滾子球基面穴徑邊緣磨損正常，沒有產(chǎn)生凸起現(xiàn)象(如圖12 所示)。內(nèi)圈大擋邊表面也呈現(xiàn)正常磨損狀態(tài)(如圖13所示)。

通過改變大錐角圓錐滾子球基面穴徑大小，使圓錐滾子球基面穴徑邊緣略低于內(nèi)圈大擋邊倒角邊緣，促使圓錐滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊表面正常接觸，有效避免了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后圓錐滾子球基面穴徑邊緣高于大擋邊而凸起的弊端，有效避免了軸承異常溫升現(xiàn)象的發(fā)生。適當(dāng)加大圓錐滾子球基面穴徑尺寸，使大錐角圓錐滾子基準(zhǔn)端面與內(nèi)圈大擋邊的接觸點(diǎn)處于內(nèi)圈大擋邊的中部這一最佳狀態(tài)，可有效保持圓錐滾子在內(nèi)圈大擋邊及滾道中旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，改進(jìn)了圓錐滾子與內(nèi)圈大擋邊及內(nèi)、外圈滾道的接觸應(yīng)力狀態(tài)，可以明顯降低軸承使用中運(yùn)轉(zhuǎn)異常溫升現(xiàn)象，軸承產(chǎn)生的應(yīng)力集中，是解決軸承早期疲勞失效最主要的原因。

6 結(jié)語

總之，本文主要依據(jù)大錐角圓錐滾子軸承臺架壽命試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，指出保證內(nèi)圈大擋邊與滾子球基面之間良好的接觸狀態(tài)和軸承運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)，是保證滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸狀態(tài)的基礎(chǔ)?？刂拼箦F角圓錐滾子球基面SR值的散差，并適當(dāng)加大大錐角圓錐滾子球基面穴徑尺寸，使?jié)L子球基面穴徑邊緣略低于內(nèi)圈擋邊或與之平齊，這一點(diǎn)很有必要引起人們高度重視。同時(shí)，大錐角圓錐滾子無磁通過式成型磨削及圓錐滾子光飾等加工工藝也應(yīng)引起重視。通過軸承實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果的總結(jié)對比，驗(yàn)證了以上結(jié)論的正確性，大幅度延長了大錐角圓錐滾子軸承的使用壽命。

［1］楊春，喬秀清. 圓錐軸承內(nèi)圈大擋邊與滾子基面摩擦和噪聲分析［J］.哈爾濱軸承，2007(4):10 －11.