港口岸橋小車減速箱軸承跑圈原因及解決方案

楊 健

（上海振華重工股份有限公司，上海 200125）

0 引言

在港口岸橋，特別是自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)的小車減速箱日常維護(hù)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)小車減速箱內(nèi)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，即隨著軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)，因軸承的外圈鉗制力矩小于軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩而使得軸承外套圈產(chǎn)生滑動(dòng)，俗稱“跟轉(zhuǎn)”。而當(dāng)軸承的外圈鉗制力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩從而使得軸承外套圈產(chǎn)生跑動(dòng)的現(xiàn)象，稱之為軸承跑圈。

1 岸橋小車系統(tǒng)介紹及小車減速箱軸承跑圈現(xiàn)象

在港口岸橋，使集裝箱或貨物作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)總成稱為運(yùn)行小車系統(tǒng)。運(yùn)行小車系統(tǒng)包括運(yùn)行小車總成、運(yùn)行小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、小車鋼絲繩纏繞和安全保護(hù)裝置。目前小車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在港口岸橋上主要分為2 種形式。

（1）牽引式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、卷筒、支撐及安全限位開(kāi)關(guān)等組成。電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)卷筒，再經(jīng)過(guò)小車鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，由卷筒來(lái)牽引小車沿大梁軌道作平移運(yùn)動(dòng)。這類形式多用于牽引式小車驅(qū)動(dòng)。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、聯(lián)軸器或萬(wàn)向傳動(dòng)軸、制動(dòng)器、減速器及安全限位裝置等組成，小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在小車上。動(dòng)力經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)小車車輪，從而使小車沿大梁軌道作橫向運(yùn)動(dòng)。這類形式多用于自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)。

無(wú)論是哪種形式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是在自行式或載重式小車驅(qū)動(dòng)的小車減速箱日常維護(hù)時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，小車減速箱內(nèi)軸承在一定時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，即“跟轉(zhuǎn)”或跑圈。

2 軸承在小車齒輪箱中的功能

以國(guó)內(nèi)某知名起重機(jī)廠生產(chǎn)的FH1035.24.A1A-00 系列小車減速箱為例，其主要參數(shù)：傳送功率55 kW，速比33.334:1，輸入軸額定轉(zhuǎn)速1750 r/min，配合（跑圈軸承）軸承為22319E（調(diào)心滾子軸承），軸頸Φ95 m5，軸承座。

該小車減速箱軸承布置主要為交叉布置，軸承在減速箱中主要用于軸系定位來(lái)確定軸及其軸上零件的功能位置，承受載荷來(lái)支撐軸系并承受系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的載荷及其系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)載荷（包括重力和預(yù)負(fù)荷），規(guī)范運(yùn)動(dòng)來(lái)確保系統(tǒng)各零件在設(shè)計(jì)矢量方向的運(yùn)行關(guān)系。

3 軸承跑圈機(jī)理分析

以FH1035.24.A1A-00 系列小車減速箱為例，減速箱潤(rùn)滑采用齒輪箱油（VG320），其他主要工作狀況見(jiàn)表1。

計(jì)算滾動(dòng)軸承摩擦力矩，一種方法是將摩擦力矩區(qū)分為1個(gè)無(wú)關(guān)負(fù)荷的力矩M0和1 個(gè)由負(fù)荷決定的力矩M1，然后把兩者相加，即M=M0+M1。但是，如果按摩擦來(lái)源來(lái)區(qū)分，還可以有更精確的計(jì)算方法。實(shí)際上，M0代表額外的外部摩擦來(lái)源，再加上滾動(dòng)摩擦中的“流體動(dòng)力”成分，而這一成分中也有一部分與負(fù)荷相關(guān)。要精確計(jì)算滾動(dòng)軸承內(nèi)的摩擦，必須計(jì)算4 個(gè)不同來(lái)源的摩擦力矩，即M=Mrr+Msl+Mseal+Mdrag。其中，M 為總摩擦力矩，Mrr為滾動(dòng)摩擦力矩，Msl為滑動(dòng)摩擦力矩，Mseal為密封件摩擦力矩，Mdrag為由于拖曳損失、攪動(dòng)和飛濺等導(dǎo)致的摩擦力矩。

表1 減速箱主要工作狀況描述

當(dāng)減速箱內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為內(nèi)圈過(guò)盈、外圈間隙的狀態(tài)，軸承座的受力如圖1 所示。如果定義Mco為外圈鉗制力矩，Mci為內(nèi)圈鉗制力矩，M 為軸承套圈總驅(qū)動(dòng)力矩，那么軸承套圈的鉗制條件即Mco或Mci大于M。反之，Mco=M 時(shí)，套圈產(chǎn)生微動(dòng)；Mco

由上述分析不難發(fā)現(xiàn)，影響軸承摩擦力矩M 的主要因素有6 個(gè)，分別是軸承類型與尺寸、載荷構(gòu)成與大小、軸承內(nèi)部游隙、潤(rùn)滑介質(zhì)、運(yùn)行精度及運(yùn)行溫度。

圖1 軸承座受力示意

4 解決方案及其優(yōu)劣勢(shì)

為了解決軸承的跑圈現(xiàn)象，可以通過(guò)降低總驅(qū)動(dòng)力矩的方式，也就是從影響軸承摩擦力矩的主要因素著手，即軸承類型與尺寸的選擇、軸承內(nèi)部游隙、潤(rùn)滑介質(zhì)、運(yùn)行精度、運(yùn)行溫度等。但是這些方式降低總驅(qū)動(dòng)力矩的效果微乎其微，那么只能從增加鉗制力矩Mco的方式來(lái)考慮。

4.1 增加鉗制力矩（Mco>Mr，Mr為軸承總摩擦力矩）

4.1.1 增加鉗制表面積——選用更緊的配合

該方案通過(guò)將間隙配合提高至過(guò)渡配合后，鉗制表面積增加，將有利于提高外圈鉗制力矩（圖2）。這里需要注意的是，通常情況下，軸承供應(yīng)商會(huì)基于一般工業(yè)應(yīng)用提供配合公差作為應(yīng)用參考，而在實(shí)際應(yīng)用中，在減速箱條件允許的情況下，配合的選用必須按照實(shí)際應(yīng)用而進(jìn)行綜合平衡考慮。

這樣的解決方案主要有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小、可適當(dāng)增加鉗制力矩的特點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯：對(duì)于分體式箱體，結(jié)構(gòu)一旦錯(cuò)位，即會(huì)形成多承載區(qū)；由于增加了鉗制表面積，也很有可能會(huì)干涉軸向浮動(dòng)；對(duì)于有沖擊和震動(dòng)載荷的應(yīng)用不能夠完全適應(yīng)。

4.1.2 增加鉗制力——套圈端面夾持

該方案是在軸承兩端增加端面夾持來(lái)增加軸承內(nèi)圈或外圈的鉗制力矩（圖3）。這類方案可以大幅增加鉗制力和鉗制力矩，同時(shí)增加鉗制表面并能夠適應(yīng)一般沖擊和震動(dòng)載荷的應(yīng)用。但是，由于結(jié)構(gòu)改變復(fù)雜，所需要的結(jié)構(gòu)改變較大并需要有足夠的空間來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并且也會(huì)干涉軸向浮動(dòng)，對(duì)于既有設(shè)計(jì)并不太適用。

圖2 軸承外圈在座孔內(nèi)示意

4.1.3 增加鉗制摩擦數(shù)——樂(lè)泰膠粘接

為了防止跑圈等類似的問(wèn)題，在樂(lè)泰維修解決方案中提供了固持解決方案，主要針對(duì)圓柱形金屬零件進(jìn)行粘接，具有如下特性：①有中等強(qiáng)度及高強(qiáng)度產(chǎn)品可選，能夠消除微振磨損現(xiàn)象，承受高負(fù)載；②能夠填充所有空隙，防止微動(dòng)腐蝕現(xiàn)象；③降低公差要求；④100%接觸，在連接處負(fù)載與應(yīng)力分布均勻。

針對(duì)減速箱軸承外圈跑圈的情況，樂(lè)泰的工程師建議采用LOCTITE 680 產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有極佳的耐動(dòng)態(tài)載荷、軸向載荷、徑向載荷性能，適用于軸、齒輪、滑輪以及其他類似的圓柱形部件的固持作業(yè)。一般使用條件下，初步固化時(shí)間為20 min，全部固化時(shí)間為24 h，且這類產(chǎn)品對(duì)于減速箱潤(rùn)滑油沒(méi)有污染，有耐高溫的特性。

該方案雖然可以大幅增加鉗制力矩及鉗制摩擦系數(shù)，但同樣會(huì)干涉軸向浮動(dòng)，而且一旦粘接失效會(huì)助長(zhǎng)滑動(dòng)。在操作上，該方案也并不簡(jiǎn)便，需要先對(duì)減速箱內(nèi)部進(jìn)行清洗再使用固持膠水進(jìn)行粘接。

4.1.4 增加鉗制摩擦數(shù)——增加O 形圈

通過(guò)增加O 形圈的方式也可以加大鉗制力矩和鉗制摩擦系數(shù)。但在實(shí)際使用中，軸承會(huì)出現(xiàn)偏載、干涉軸向浮動(dòng)，需要改變現(xiàn)有箱體的設(shè)計(jì)，這在安裝過(guò)程中較難把握。而且O 形圈在潤(rùn)滑油中老化快、時(shí)效不長(zhǎng)，不利于日常維護(hù)。

圖3 套圈端面夾持示意

4.2 結(jié)構(gòu)鉗制——增加套圈定位銷

相比于普通的軸承，也可以采用軸承外圈有固定槽的特殊軸承。根據(jù)ISO 20515—2012 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這類固定槽可以用于單列向心推力球軸承、四點(diǎn)接觸球軸承、徑向圓柱滾子軸承，但不適用于外圈密封屏蔽徑向球軸承或沒(méi)有擋邊的徑向圓柱滾子軸承。

這類方案的優(yōu)點(diǎn)是剛性鉗制力及鉗制力矩保持了既有的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可靠性高且能夠適應(yīng)頻繁啟停、換向、沖擊和振動(dòng)載荷的應(yīng)用，但缺點(diǎn)是需要改變箱體端蓋的設(shè)計(jì)、軸承增設(shè)了止動(dòng)槽及定位銷。另外目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于適用的軸承范圍還比較少。

除了ISO 20515—2012 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)定位銷方案以外，也可以針對(duì)不同的減速箱參照該方案采用不同的定位銷及定位銷缺口。