軸承預(yù)緊力對軸承性能及壽命的影響分析

馬更生，丁開瑞，張旭平（京能集團(tuán)山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長治 046021）

軸承預(yù)緊力對軸承性能及壽命的影響分析

馬更生，丁開瑞，張旭平
（京能集團(tuán)山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長治 046021）

本文就轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械中最常見的角接觸軸承安裝預(yù)緊力的作用、估算方法及對軸承性能的影響進(jìn)行了深入闡述及探討，對角接觸軸承的安裝起到了指導(dǎo)作用。

軸承；預(yù)緊力；估算；調(diào)整；性能；壽命

0　引言

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，作為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的核心部件軸承的安裝工藝直接關(guān)系到轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的安全運(yùn)行。本文就轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械中最常見的角接觸軸承安裝預(yù)緊力的作用、估算方法及對軸承性能的影響進(jìn)行了深入闡述及探討，對角接觸軸承的安裝起到了指導(dǎo)作用。

1　概述

滾動(dòng)軸承根據(jù)不同的應(yīng)用場合，裝配時(shí)需要預(yù)留合適的工作游隙。在大部分的情況下，工作游隙應(yīng)為正值，但是如果需要提高軸系的旋轉(zhuǎn)精度或剛性時(shí)，則經(jīng)常采用負(fù)的工作游隙。預(yù)緊就是在軸承裝配時(shí)通過外部給予一定的預(yù)加負(fù)荷，消除軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外環(huán)的間隙，使軸承出現(xiàn)彈性變形產(chǎn)生負(fù)的工作游隙。預(yù)緊是減少軸因受力產(chǎn)生撓曲，促使軸承中的負(fù)荷分布更均勻，改善工作狀態(tài)下受力狀況的一種措施。通過預(yù)緊還可對滾動(dòng)體與內(nèi)外環(huán)的磨損給予一定的補(bǔ)償，降低設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲，延長軸承的使用壽命。

2　需要進(jìn)行預(yù)緊的場合

一般來說，對于軸承定位精度要求高、旋轉(zhuǎn)精度要求高、需要提高軸系剛性的高速精密運(yùn)轉(zhuǎn)的場合，以及高速輕載、溫度變化較大、做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸承配置或需要降噪減振的場合，均需要進(jìn)行預(yù)緊，以便為軸承提供最小負(fù)荷。例如精密機(jī)床的主軸軸承、減速機(jī)的軸承、汽車傳動(dòng)軸的小齒輪軸承、小型電機(jī)、低溫設(shè)備、風(fēng)機(jī)的軸承等，通常均需要在裝配時(shí)進(jìn)行預(yù)緊。

3　最小負(fù)荷的確定

最小負(fù)荷的大小受到軸承的基本額定靜負(fù)荷、最小軸向負(fù)荷系數(shù)Ka、轉(zhuǎn)速n、軸承平均直徑等的影響。我們可以根據(jù)軸承手冊提供的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，例如單列角接觸軸承的最小軸向負(fù)荷可通過公式進(jìn)行計(jì)算。如果軸承支撐的重量加外力達(dá)不到最小負(fù)荷，則必須通過調(diào)整軸承的預(yù)緊力施加額外的負(fù)荷。

4　預(yù)加負(fù)荷的確定

圖1

對于能同時(shí)承受徑向和軸向負(fù)荷的角接觸球軸承，在徑向負(fù)荷的作用下，軸承內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力，而這個(gè)軸向力通常需要由另一個(gè)位置相反的軸承來承受。如果內(nèi)圈與外圈之間能有純徑向位移，表示只有沿軸承圓周一半的滾道在承受負(fù)荷。單列角接觸軸承內(nèi)產(chǎn)生的軸向力可根據(jù)公式Fa=R Fr來計(jì)算。式中的Fr是作用在軸承上的徑向負(fù)荷，變量R是根據(jù)軸承內(nèi)部的接觸條件而定，其數(shù)值按照軸承手冊中的“確定單個(gè)或串聯(lián)配對軸承所承受的軸向負(fù)荷”方法來確定，見圖1。

5　預(yù)緊力的大小對軸承性能的影響

如果外部軸向力小于以上的計(jì)算最小負(fù)荷值時(shí)，承受負(fù)荷的滾動(dòng)體數(shù)目就會(huì)少于一半，軸承的負(fù)載能力就會(huì)相應(yīng)減少，軸承滾動(dòng)體有可能出現(xiàn)滑移，造成軸承的損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)過由于軸承鎖母未鎖緊或內(nèi)圈故障，導(dǎo)致軸承外部軸向力小于軸承所需要的最小負(fù)荷，造成工作條件惡化，軸承損壞的現(xiàn)象。因此在有外部軸向負(fù)荷的情況，需要考慮對軸承進(jìn)行預(yù)緊，以補(bǔ)償承受軸向負(fù)荷的軸承本身的竄動(dòng)產(chǎn)生的游隙和因彈性變形而產(chǎn)生的游隙，并使負(fù)荷更能平均地分布在另一端無軸向負(fù)荷的軸承。同時(shí)，假設(shè)彈性與負(fù)荷是線性關(guān)系，那在相同的外部軸向力Ka的作用下，帶預(yù)緊軸承配置的軸向位移比沒有預(yù)緊的軸承配置要小，軸承的穩(wěn)定性能則更好，見圖2。

圖2

當(dāng)然，軸承預(yù)緊力過大對軸承也有不良影響，因此必須保持正確的預(yù)緊量。在確定軸承配置中的預(yù)負(fù)荷時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)預(yù)緊超過某既定的最佳值時(shí)，剛性只能有限地提高。因?yàn)槟ゲ梁碗S之產(chǎn)生的熱將增加，如果有附加負(fù)荷并長時(shí)間作用下，軸承的壽命將會(huì)大大降低，見圖3。

圖3

6　現(xiàn)場應(yīng)用中預(yù)緊力的選取影響因素及估算方法

軸承預(yù)緊力的大小要慎重選擇，太小無法提高軸系剛度或旋轉(zhuǎn)精度，達(dá)不到預(yù)期的效果，太大則會(huì)出現(xiàn)軸承磨損加劇、發(fā)熱量大等問題、造成軸承壽命明顯縮短或損壞的問題。預(yù)緊力的大小主要考慮軸承工作轉(zhuǎn)速高低及負(fù)荷的大小，轉(zhuǎn)速高、工作負(fù)荷小的工況宜選用較小的預(yù)緊力，轉(zhuǎn)速低、中等或較大的工作負(fù)荷則應(yīng)加大預(yù)緊力。實(shí)際應(yīng)用中要在軸承壽命、旋轉(zhuǎn)精度、軸系剛性要求三者之間進(jìn)行合理平衡，一般來說預(yù)緊力略大于工作負(fù)荷為最理想。

通常我們按承受負(fù)荷的大小將滾動(dòng)軸承運(yùn)行工況分為4種狀態(tài)，分別是微負(fù)荷、輕負(fù)荷、中負(fù)荷、重負(fù)荷，它們的大小用設(shè)計(jì)手冊中滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)負(fù)荷的幾分之一來表示，如微負(fù)荷=額定動(dòng)負(fù)荷/175KN；輕負(fù)荷=額定動(dòng)負(fù)荷/30KN；中負(fù)荷=額定動(dòng)負(fù)荷/15KN；重負(fù)荷=額定動(dòng)負(fù)荷/7.5KN，然后根據(jù)負(fù)荷的種類選取預(yù)緊力的大小。一般來說，高速配輕預(yù)緊，低速配重預(yù)緊。

例如向心球軸承或角接觸球軸承來說，重負(fù)荷狀態(tài)的預(yù)緊力=額定動(dòng)負(fù)荷/25；中負(fù)荷狀態(tài)的預(yù)緊力=額定動(dòng)負(fù)荷/50；輕負(fù)荷狀態(tài)的預(yù)緊力=額定動(dòng)負(fù)荷/100；微負(fù)荷狀態(tài)的預(yù)緊力=額定動(dòng)負(fù)荷/500。

這樣我們要估計(jì)一個(gè)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力就可以先根據(jù)它的工作狀況，大致確定它是四種負(fù)荷狀況中的哪種類型，然后再通過設(shè)計(jì)手冊查出其額定動(dòng)負(fù)荷，最后將額定動(dòng)負(fù)荷除以一個(gè)系數(shù)來確定其預(yù)緊力的大小。

另外，SKF公司對單列角接觸軸承預(yù)緊負(fù)荷做了如下分類：GA輕預(yù)緊、GB 中預(yù)緊、GC 重預(yù)緊；預(yù)緊組別的范圍見表1。

7　結(jié)束語

對比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的預(yù)緊力值與SKF軸承手冊提供的預(yù)緊力矩基本符合，因此在實(shí)際的應(yīng)用中，結(jié)合設(shè)備使用狀況，如油脂的種類、軸承的精度、運(yùn)行的環(huán)境等參考以上兩種方法對預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)整。但是無論是通過計(jì)算還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的預(yù)緊力，都必需將其偏差控制在一定范圍之內(nèi)。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，會(huì)有各種因素影響測量和計(jì)算的準(zhǔn)確性，使測量出的預(yù)緊力與實(shí)際所需預(yù)緊力有較大偏差。因此在應(yīng)用上要采取測量、計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)值相結(jié)合的辦法來最終確定預(yù)緊力的大小。對于每次調(diào)整時(shí)的力矩、鎖母的軸向距離、回轉(zhuǎn)體的自由轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等數(shù)據(jù)記錄下來，以便今后重復(fù)調(diào)整。

表1

［1］李紅光.滾動(dòng)軸承預(yù)緊的意義和預(yù)緊力的估算及調(diào)整［J］.機(jī)械制造，2004（09）：46-47.

［2］SKF軸承綜合型錄，2004（10）：208-217.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.182

馬更生（1975-），男，山西長治人，本科，高級(jí)技師，主要從事鍋爐檢修管理工作。