起吊設(shè)備繩輪用雙列滿裝圓柱滾子軸承的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)

易 帥

（洛陽巨創(chuàng)軸承科技有限公司，河南 洛陽 471000）

1 前言

起重設(shè)備是一種空間運輸設(shè)備，完成重物的移動，繩輪是起重設(shè)備中的主要零部件。單個繩輪及繩輪軸承安裝結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，軸承安裝在繩輪內(nèi)孔中，兩側(cè)用止動環(huán)固定。鋼纜纏繞在滑輪槽內(nèi)， 起重設(shè)備工作時， 重物重量由鋼纜承受，因此物體重量通過鋼絲繩和滑輪直接傳遞給軸承。繩輪軸承空間結(jié)構(gòu)緊湊，但由于其工況特殊，需要軸承能承受較大的徑向載荷，同時還可承受雙向軸向載荷。為提高其使用壽命，減少維護，通常需要軸承兩側(cè)自帶密封結(jié)構(gòu)[1-3]。

圖1 起吊設(shè)備繩輪結(jié)構(gòu)

2 繩輪軸承結(jié)構(gòu)

通常繩輪軸承為 NNF 雙列滿裝圓柱滾子軸承, 結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，由一個雙滾道外圈、兩個單滾道內(nèi)圈、兩個端面密封、若干圓柱滾子和一個鎖緊環(huán)組成，雙滾道外圈外徑上帶有兩個安裝軸向定位止動環(huán)的止動槽。通常繩輪軸承內(nèi)圈比外圈寬 1mm[4]。

圖2 繩輪用雙列滿裝圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)

軸承裝配時，外圈、內(nèi)圈、滾子和密封組裝好后，由鎖緊環(huán)將兩個內(nèi)圈圓周方向鎖緊，防止軸承散套，同時還要保證鎖緊環(huán)與軸承內(nèi)圈不產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，從而防止兩個零件上的油孔錯位。

3 出現(xiàn)的問題

3.1 軸承制造問題

由于繩輪軸承特殊的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)圈由兩個單滾道內(nèi)圈組成， 軸承裝配后為防止兩內(nèi)圈分開，通常用鎖緊環(huán)將兩個單滾道內(nèi)圈圓周方向鎖緊。

鎖緊方式主要有兩種，一種是由通用 65Mn等彈簧鋼材料制造的彈性鎖緊環(huán)進行鎖緊，鎖緊環(huán)尺寸比內(nèi)圈槽口的尺寸略大，有開口，通過彈性變形扣入內(nèi)圈的環(huán)形槽中，從而起到鎖緊兩內(nèi)圈的目的。但是由于鎖緊環(huán)淬火后變形較大，尺寸難以控制，往往會導(dǎo)致鎖緊環(huán)與軸承內(nèi)圈產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，使兩個零件上的油孔產(chǎn)生錯位。而且鎖緊環(huán)彈性有限，在搬運、運輸和安裝過程中經(jīng)常會出現(xiàn)軸承散套。另一種是由環(huán)形薄鋼板通過專用模具將薄鋼板兩端擠壓在內(nèi)圈內(nèi)徑的環(huán)形槽內(nèi)，將兩內(nèi)圈鎖緊。但此方法需要專業(yè)模具，不同尺寸軸承模具不同，且沖壓力、沖壓深度全靠人工掌握，可靠性低， 經(jīng)常出現(xiàn)軸承散套的情況，更重要的一點是沖壓過程中鎖緊環(huán)容易出現(xiàn)橢圓變形，如圖 3 所示，嚴重的會引起鎖緊環(huán)凸出內(nèi)徑面，導(dǎo)致無法安裝。

圖3 鎖緊環(huán)變形凸出內(nèi)徑

3.2 軸承安裝問題

軸承外徑與繩輪內(nèi)徑為過盈配合，用戶通過壓力機將軸承壓入繩輪內(nèi)孔。軸承在壓入滑輪內(nèi)孔時，若操作時軸承與繩輪發(fā)生傾斜，通過壓力機強行壓入時，軸承的倒角起不到壓裝引導(dǎo)作用，歪斜的軸承外徑倒角將滑輪內(nèi)徑啃傷掉塊，如圖 4 所示，如果傾斜嚴重甚至可將滑輪撐裂。

圖4 軸承安裝時繩輪內(nèi)徑擦傷

另外，軸承壓裝時，壓力機通過模具或墊塊與軸承端面接觸，其安裝示意圖如圖 5 所示。

圖5 繩輪軸承壓裝過程

由于軸承內(nèi)圈比外圈寬 1mm，壓裝時上作用力作用在內(nèi)圈上，未接觸外圈，然后通過第一列滾動體將力傳遞到外圈，外圈擋邊再通過第二列滾動體將力傳遞到另一內(nèi)圈。滾動體在壓裝過程中傳遞了壓裝力，此現(xiàn)象應(yīng)極力避免。另兩內(nèi)圈在安裝過程中均受壓裝力，兩內(nèi)圈的作用力會使鎖緊環(huán)脫開而無法復(fù)原，甚至導(dǎo)致軸承散套。

3.3 軸承使用過程中問題

軸承使用時主要易出現(xiàn)以下不良狀況：

（1）軸承與繩輪傾斜，軸承端面密封圓周方向會有部分密封與套圈脫開，且在提升重物受力時傾斜嚴重，密封脫開變大，如圖 6 所示，繩輪軸承端面密封出現(xiàn)漏脂現(xiàn)象。

圖6 軸承端面密封漏脂

（2）繩輪軸承傾斜或兩列游隙相差較大，會出現(xiàn)軸承偏載受力，有一列滾動體受力較大。兩列滾動體轉(zhuǎn)速不同可能會引起兩內(nèi)圈錯位或相對運動，造成鎖緊環(huán)松動等問題，從而導(dǎo)致軸承早期失效。

（3）軸承安裝時通過滾動體受力，容易引起滾動體和擋邊出現(xiàn)損傷，兩內(nèi)圈受力會造成兩內(nèi)圈之間的鎖緊環(huán)鎖緊裝置松動，嚴重的會在軸承工作時導(dǎo)致軸承散套。

（4）安裝后軸承外徑兩側(cè)與繩輪過盈量不同，造成整套軸承內(nèi)徑橢圓，軸承內(nèi)孔安裝在銷軸上時較困難。

4 軸承的優(yōu)化設(shè)計

從雙列滿裝圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)，結(jié)合軸承實際加工及用戶安裝使用情況，對軸承密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過密封結(jié)構(gòu)的軸向定位取消了兩內(nèi)圈之間原有的鎖緊環(huán)聯(lián)結(jié)，并對繩輪軸承的安裝方式進行改進，降低加工及安裝難度，提高軸承的使用壽命。

4.1 軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)繩輪軸承使用情況及繩輪軸承的結(jié)構(gòu)，主要從軸承密封結(jié)構(gòu)及通過密封軸向定位對兩內(nèi)圈聯(lián)結(jié)方式進行優(yōu)化改進。

繩輪軸承雙側(cè)均帶密封，密封位于內(nèi)圈擋邊與外圈滾道之間。常見的密封為橡膠密封結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示。

圖7 繩輪軸承常見密封結(jié)構(gòu)

骨架式橡膠密封，骨架與外圈滾道過盈配合，密封唇與內(nèi)圈擋邊接觸，橡膠內(nèi)的骨架使密封具有較好的剛性。一體式橡膠密封，密封唇與外圈滾道接觸，橡膠密封內(nèi)徑的凸出安裝在內(nèi)圈擋邊的密封槽內(nèi)，密封為一體式結(jié)構(gòu)，具有較低的成本，其材料顏色若為淺色，也可觀察軸承內(nèi)部情況。兩種結(jié)構(gòu)密封均由密封唇與軸承套圈接觸起到密封效果，當軸承內(nèi)外的溫差、壓力差較大或軸承安裝傾斜時，在軸承提升重物工作時會出現(xiàn)漏脂現(xiàn)象。

為減少軸承傾斜、內(nèi)圈聯(lián)結(jié)對密封效果的影響， 對密封結(jié)構(gòu)進行改進， 采用鋼制擋圈式密封，如圖 8 所示。

圖8 優(yōu)化后的繩輪密封結(jié)構(gòu)

鋼制擋圈式密封由密封擋圈和密封卡簧組成，密封擋圈外徑面和軸承外圈滾道相對應(yīng)處均設(shè)置有密封環(huán)形槽，密封卡簧為開口式正多邊形結(jié)構(gòu)，安裝在密封擋圈和外圈滾道的密封槽內(nèi)，正多邊形密封卡簧一部分卡在外圈槽內(nèi)，一部分卡在密封擋圈槽內(nèi)，進而將兩者聯(lián)結(jié)在一起[5]。正多邊形密封卡簧、外圈和擋圈密封槽的具體參數(shù)可根據(jù)文獻[5]計算。

軸承內(nèi)圈擋邊及密封擋圈內(nèi)徑處均設(shè)計成臺階狀，兩臺階相互貼合，其貼合處徑向和軸向均存在一定的間隙，從而形成簡易迷宮密封，其間隙根據(jù)軸承尺寸依照機械設(shè)計手冊迷宮密封間隙設(shè)計[6-7]。

4.2 內(nèi)圈聯(lián)結(jié)方式優(yōu)化

繩輪軸承裝配時用鎖緊環(huán)在軸承內(nèi)徑處將兩個單滾道內(nèi)圈圓周方向鎖緊，鎖緊時需要專業(yè)模具伸入軸承內(nèi)徑處，將鎖緊環(huán)兩側(cè)擠壓在內(nèi)圈鎖緊槽內(nèi)。 實際操作時沖壓力、 沖壓深度全靠人工掌握，可靠性低，經(jīng)常出現(xiàn)鎖緊環(huán)變形，工作時兩內(nèi)圈相對轉(zhuǎn)動引起鎖緊環(huán)松動，甚至軸承散套的情況。

由于鋼制擋圈式密封中密封卡簧將軸承外圈和密封擋圈聯(lián)結(jié)在一起，而密封擋圈上的臺階和內(nèi)圈擋邊上的臺階相配合，起到軸向和徑向限位的作用，擋圈式密封裝配進而可間接地將軸承兩內(nèi)圈聯(lián)結(jié)在一起。

針對改進后密封結(jié)構(gòu)可間接聯(lián)結(jié)兩內(nèi)圈這一特征，將兩單滾道內(nèi)圈改為“裂紋吻合型”聯(lián)結(jié)。所謂裂紋吻合型聯(lián)結(jié)就是：內(nèi)圈在裝配之前是按雙滾道內(nèi)圈進行加工，在軸承裝配時通過液壓或其他設(shè)備，沿內(nèi)圈對稱中心線將內(nèi)圈圓周撐裂或拉裂，變成兩個單滾道內(nèi)圈，然后將兩單滾道內(nèi)圈沿斷裂處的裂紋相互吻合裝配。其內(nèi)圈結(jié)構(gòu)如圖 9 所示。

圖9 優(yōu)化后的軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)

為使內(nèi)圈圓周撐裂時簡單易操作，如圖 9所示， 在兩滾道之間中擋邊中部圓周方向設(shè)置一“V”形槽，與之相對的內(nèi)圈內(nèi)徑處同樣有一“V” 形槽， 兩“V”形槽的中心線與內(nèi)圈的中心線重合，槽深應(yīng)保證：兩“V”形槽槽底之間的距離在 2 ～ 3mm?！癡”形槽中部圓周方向均布 4 個或 6 個油孔，在內(nèi)圈圓周撐裂時，通過“V”形槽中的油孔，將雙滾道內(nèi)圈沿“V”形槽槽底圓周撐裂或拉裂，從而成為兩個單滾道內(nèi)圈。

此內(nèi)圈聯(lián)結(jié)方式，在軸承裝配后，兩半內(nèi)圈沿斷裂處的裂紋相互吻合后，利用裂紋的無規(guī)則性，裂紋吻合會阻止兩內(nèi)圈發(fā)生相互轉(zhuǎn)動，起到定位的作用。但內(nèi)圈裂紋聯(lián)結(jié)是基于軸承密封結(jié)構(gòu)對兩內(nèi)圈軸向限位、間接聯(lián)結(jié)的前提下，若采用其他密封結(jié)構(gòu)還需考慮內(nèi)圈裝配限位的問題。目前采用此密封結(jié)構(gòu)及內(nèi)圈聯(lián)結(jié)方式的軸承已在某單位 1 600T 全地面起重吊滑輪上得到應(yīng)用。

5 軸承的應(yīng)用技術(shù)

5.1 軸承安裝

由于軸承內(nèi)圈比外圈寬，原壓裝時模具與內(nèi)圈端面接觸，壓裝力通過內(nèi)圈、滾動體傳遞，為避免此現(xiàn)象，對安裝模具進行改進。改進后的繩輪軸承安裝過程如圖 10 所示。

圖10 改進后的軸承壓裝過程

對壓裝用模具進行改進，使模具壓裝時避開軸承內(nèi)圈端面，直接與外圈端面相接觸，只通過外圈受力將軸承壓裝到繩輪內(nèi)孔中。通過壓裝模具的改進， 可避免壓裝過程中滾動體、 內(nèi)圈受力，且對軸承密封及內(nèi)圈的聯(lián)結(jié)件均無影響，保證了軸承的可靠性。

5.2 軸承配合

繩輪軸承外圈與繩輪過盈配合，內(nèi)圈裝在銷軸上為間隙配合，工作時外圈旋轉(zhuǎn)，不同的軸承尺寸及繩輪材質(zhì)，軸承應(yīng)該選用不同的配合，配合選擇如表 1 所示：

表1 繩輪軸承與軸和孔的配合

5.3 游隙選擇

不同軸承尺寸及不同繩輪材質(zhì)，軸承與繩輪裝配后過盈量對軸承游隙影響不同。根據(jù)繩輪材質(zhì)及軸承尺寸不同其游隙可按表 2 選?。?/p>

表2 繩輪軸承徑向游隙組別

6 結(jié)束語

密封型雙列滿裝圓柱滾子軸承廣泛應(yīng)用在起重設(shè)備繩輪上，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈需要緊固聯(lián)結(jié)，在軸承加工裝配、用戶安裝使用過程均易出現(xiàn)問題從而影響軸承壽命。本文針對軸承結(jié)構(gòu)及安裝使用中出現(xiàn)的問題，對兩內(nèi)圈聯(lián)結(jié)方式、軸承端面密封等進行了優(yōu)化改進，降低了軸承加工難度；改進了繩輪軸承的安裝過程，避免因安裝不當造成軸承的早期失效； 另介紹了軸承與繩輪及軸的配合和軸承游隙的選擇。通過這些措施，保證軸承的使用可靠性，提高了軸承的壽命。