托輥用深溝球軸承減摩設(shè)計

賈松陽，王朋偉，文婧，丁建強(qiáng)，范強(qiáng)

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗室，河南 洛陽 471039)

JB/T 8722—2010《滾動軸承 煤礦輸送機(jī)械用軸承》對托輥用深溝球軸承的旋轉(zhuǎn)阻力進(jìn)行了規(guī)定[1-2]。隨著軸承技術(shù)的發(fā)展，部分軸承用戶對托輥用深溝球軸承旋轉(zhuǎn)阻力提出了更高要求，傳統(tǒng)方法設(shè)計的軸承已不能滿足市場需求，有必要開發(fā)新的托輥用低摩擦深溝球軸承。

1 原托輥用低摩擦深溝球軸承設(shè)計

傳統(tǒng)托輥用低摩擦深溝球軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，有6204，6205，6305～6313共10個型號，后綴均為TN/C3YA。該系列深溝球軸承內(nèi)徑為20～65 mm，外徑為47～140 mm；套圈和球材料均為GCr15，保持架材料為尼龍；軸承兩側(cè)帶防塵蓋，軸承主參數(shù)與一般浪形保持架深溝球軸承相同，尼龍保持架根據(jù)傳統(tǒng)方法設(shè)計[1-2]。

1—內(nèi)圈；2—外圈；3—鋼球；4—防塵蓋；5—尼龍保持架

JB/T 8722—2010中規(guī)定的軸承技術(shù)條件為：1)尺寸和旋轉(zhuǎn)精度公差參考GB/T 307.1—2017《滾動軸承 向心軸承 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)和公差值》的P0；2)表面粗糙度符合GB/T 307.3—2017《滾動軸承 通用技術(shù)規(guī)則》的P0；3)游隙符合GB/T 4604.1—2012《滾動軸承 游隙 第1部分：向心軸承的徑向游隙》中3組的規(guī)定。

2 新型軸承結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

軸承旋轉(zhuǎn)阻力影響因素較多[3-11]，在工況一定時，球組節(jié)圓直徑越小,鋼球直徑越大,球數(shù)越少，旋轉(zhuǎn)阻力越小[12]。對該系列軸承進(jìn)行減摩優(yōu)化，軸承外形尺寸、球徑、球數(shù)、球組節(jié)圓直徑不變，考慮的主要因素有填脂量、游隙、內(nèi)外溝曲率半徑系數(shù)、公差精度、表面粗糙度及保持架結(jié)構(gòu)等。

2.1 填脂量

脂潤滑密封軸承旋轉(zhuǎn)阻力主要有潤滑脂摩擦，密封圈摩擦，軸承內(nèi)各種滾動和滑動摩擦，其中潤滑脂對軸承摩擦力影響最大。為減小潤滑脂摩擦，除尋找優(yōu)質(zhì)的潤滑脂外，主要考慮控制潤滑脂填充量。JB/T 7752—2017《滾動軸承 密封深溝球軸承 技術(shù)條件》規(guī)定密封球軸承填脂量為軸承有效空間容積的25%～40%，主要從軸承綜合性能考慮，是否適用于軸承減摩工況有待商榷。

文獻(xiàn)[13]通過試驗分析了6204和6205深溝球軸承填脂量對旋轉(zhuǎn)阻力的影響，在轉(zhuǎn)速一定時，旋轉(zhuǎn)阻力隨填脂量增大先增大，再減小，最后緩慢上升，填脂量為20%～40%時旋轉(zhuǎn)阻力較小。文獻(xiàn)[14]匯總了國外樣本中對密封球軸承填脂量的規(guī)定，認(rèn)為填脂量在30%以上時軸承旋轉(zhuǎn)阻力較小,壽命較長。綜上可知：該系列軸承填脂量為30%～40%較好。

2.2 軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 溝曲率半徑系數(shù)

為分析溝曲率對旋轉(zhuǎn)阻力的影響，分別設(shè)計內(nèi)、外溝曲率半徑系數(shù)均為0.515和內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)0.515、外溝曲率半徑系數(shù)0.525的6308深溝球軸承，各取10套進(jìn)行試驗。結(jié)果表明：2批軸承旋轉(zhuǎn)阻力均無明顯變化，說明套圈溝曲率半徑系數(shù)對旋轉(zhuǎn)阻力無明顯影響，溝曲率半徑系數(shù)可參照原設(shè)計方法。

2.2.2 公差和表面粗糙度

通過文獻(xiàn)[15-16]可知：對公差和表面粗糙度要求越高，軸承旋轉(zhuǎn)阻力越小。但公差和精度越高，加工成本越高，在此對公差和表面粗糙度做如下規(guī)定：外形尺寸精度為P6，旋轉(zhuǎn)精度為P5，表面粗糙度為P5。

2.2.3 游隙

游隙越大，旋轉(zhuǎn)阻力越小[17-18]。JB/T 8722—2010規(guī)定該系列軸承游隙為C3組，經(jīng)實(shí)踐驗證，游隙可放寬到C4組的前半段。游隙對旋轉(zhuǎn)阻力的影響要大于溝曲率、公差和表面粗糙度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況確定游隙范圍。

2.2.4 鋼球

鋼球精度等級高于JB/T 8722—2010的G40級。

2.3 保持架結(jié)構(gòu)

新設(shè)計仍采用尼龍保持架，如圖2所示，但總厚度H比原結(jié)構(gòu)減小約8%，兜孔部分厚度h比原結(jié)構(gòu)減小約35%。此外，新型保持架內(nèi)外徑比原結(jié)構(gòu)小，保持架中心線與鋼球中心線不在一條線上，新型保持架更接近內(nèi)圈。

圖2 新型保持架結(jié)構(gòu)

新型保持架優(yōu)點(diǎn)：1)總質(zhì)量比原結(jié)構(gòu)減小了20%，保持架轉(zhuǎn)動慣量也相應(yīng)減??；2)兜孔和鋼球接觸面小，在一定程度上可減小鋼球的滑動摩擦力；3)更輕薄的保持架可減小潤滑劑的黏滯阻力。

2.4 密封結(jié)構(gòu)

為減小摩擦，密封設(shè)計為非接觸式。同時，為防止漏脂，新型軸承密封設(shè)計為簡易迷宮型，如圖3所示。防塵蓋徑向延伸入內(nèi)圈一定距離，既能實(shí)現(xiàn)非接觸減摩，又能防止漏脂。

圖3 改進(jìn)前后密封結(jié)構(gòu)

3 實(shí)例分析

部分型號新型軸承優(yōu)化設(shè)計參數(shù)見表1，經(jīng)用戶驗收測試，旋轉(zhuǎn)阻力見表2，旋轉(zhuǎn)阻力比JB/T 8722—2010規(guī)定值降低了30%以上。分析結(jié)果可為該類軸承的設(shè)計提供參考。

表1 優(yōu)化后的軸承設(shè)計參數(shù)

表2 優(yōu)化后軸承旋轉(zhuǎn)阻力