滾動(dòng)軸承與軸配合關(guān)系對軸徑磨損的影響驗(yàn)證*

孟 倩，趙瑞峰

(山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030032)

0 引言

滾動(dòng)軸承是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的零部件，軸承各元件之間采用高副接觸。滾動(dòng)軸承主要應(yīng)用于減速器及各類變速箱體中，安放在箱體上或軸承座中，用來支撐各類軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而提高軸的旋轉(zhuǎn)精度，減小啟動(dòng)阻力[1]。在實(shí)際工程應(yīng)用尤其是非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)中，滾動(dòng)軸承也大量使用在高轉(zhuǎn)速、低負(fù)載的場合。根據(jù)軸承內(nèi)圈與軸公差帶之間的位置關(guān)系，其配合分為間隙配合、過渡配合、過盈配合。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的不同要求，對裝配關(guān)系的選擇也有所不同。

本文結(jié)合某企業(yè)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了配合選取的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對軸與滾動(dòng)軸承配合關(guān)系的選取對軸徑磨損的影響進(jìn)行分析驗(yàn)證，為后續(xù)企業(yè)對配合選取的合理化改善提供一定的理論支撐。

1 軸與軸承配合選取理論

在對某企業(yè)生產(chǎn)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，其工務(wù)部門每個(gè)月軸承和軸的消耗量巨大，企業(yè)中以皮帶傳送結(jié)構(gòu)為主的設(shè)備每個(gè)月維修更換4、5次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的維修保養(yǎng)頻率，磨損實(shí)物如圖1所示。針對企業(yè)存在的這一問題，對傳送機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場合、受力情況、選用材料等進(jìn)行了分析，認(rèn)為導(dǎo)致該設(shè)備維修率高的根本原因如下：該企業(yè)要求軸有一定的可拆卸性，因此制造設(shè)備時(shí)所用的軸與軸承配合均采用了小間隙配合，使得軸與軸承有間隙存在，加速了磨損。

當(dāng)設(shè)計(jì)的零件與標(biāo)準(zhǔn)件相配時(shí)，基準(zhǔn)制的選擇公差等級(jí)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)件而定。本案中，軸是加工件，軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此軸與滾動(dòng)軸承配合應(yīng)選擇基孔制(例如H7)?；字葡拢S的公差帶分布如圖2所示[2]。

圖2 基孔制軸的公差帶

本案中，該企業(yè)僅僅片面考慮保證拆卸方便，因而選取了有配合間隙的間隙配合?？紤]到存在相對運(yùn)動(dòng)情況，為了將相對運(yùn)動(dòng)的影響降至最低，軸和軸承選用g6的小間隙配合。實(shí)際裝配后軸和軸承之間存在相對運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生磨損，額外疊加裝配同軸度不好的問題，造成裝配失效、“跑套”、軸端磨損發(fā)塵、軸承損壞等問題，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生斷軸現(xiàn)象。軸的磨損進(jìn)展很快，重新更換配件后，迅速發(fā)生圖1左側(cè)的發(fā)塵現(xiàn)象，“切削”飛揚(yáng)污染產(chǎn)品，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。若要優(yōu)化軸承的全跳動(dòng)和同軸度誤差，軸承內(nèi)圈與軸的配合一般采用過盈配合。但如果過盈量過大，不僅導(dǎo)致軸承安裝和拆卸困難，還會(huì)導(dǎo)致軸承元件應(yīng)力過高，在工作中較早出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲等現(xiàn)象，從而影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度。軸承元件彈性變形較大同樣會(huì)造成軸承旋轉(zhuǎn)精度的下降。

圖1 磨損實(shí)物

既要保證拆卸方便(要求有間隙)，又不能允許有相對運(yùn)動(dòng)(發(fā)生磨損)，按照以上理論分析來講是不可能的。存在小間隙、小過盈的過渡配合因此成為了唯一的且比較經(jīng)濟(jì)的選擇。

筆者設(shè)計(jì)了幾組實(shí)驗(yàn)，分別為間隙配合、過盈配合、過渡配合，在同等運(yùn)行條件下，比較軸承與軸磨損程度、機(jī)構(gòu)的裝配難度，驗(yàn)證理論上過渡配合是唯一選擇的合理性。其中，磨損程度采用測量實(shí)驗(yàn)前、后軸徑尺寸來衡量，裝配難度采用裝配時(shí)使用的工具及時(shí)長來衡量。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

企業(yè)中該傳送設(shè)備主要采用了滾動(dòng)軸承6901，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)同樣以滾動(dòng)軸承6901為例，驗(yàn)證不同配合關(guān)系的選擇對軸徑磨損的影響。參考文獻(xiàn)[3],滾動(dòng)軸承6901的基本參數(shù)如表1所示。

表1 滾動(dòng)軸承6901的基本參數(shù)

滾動(dòng)軸承的尺寸參數(shù)d、D、B和安裝有關(guān)，一旦選定，軸承的基本額定負(fù)載和允許轉(zhuǎn)速就確定了。經(jīng)過計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，當(dāng)量靜載荷為236 N<1.04 kN，當(dāng)量動(dòng)載荷為897 N<1.92 kN；實(shí)際使用最大速度為3 000 r/min<32 000 r/min，因此該軸承的選取滿足實(shí)際需求。滾動(dòng)軸承材料選用SUJ2高碳鉻軸承鋼(對應(yīng)國標(biāo)牌號(hào)GCr15)，軸承精度選取為GB307 P0?；谳S承材料的耐磨性較好，配合磨損的判定僅測量軸的尺寸。

2.1 配合選型

表2 選配軸的參數(shù)

為保證實(shí)驗(yàn)效果的準(zhǔn)確性，所選配軸均為同一材料：采用45鋼車削，表面無電解鍍鎳。

2.2 簡單驗(yàn)證機(jī)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的簡單驗(yàn)證機(jī)構(gòu)如圖3所示，整個(gè)傳送機(jī)構(gòu)由安裝框架、傳送電機(jī)、傳送皮帶、傳送滾輪、聯(lián)軸器、軸、軸承及固定件組成。為保證框架的穩(wěn)定性及軸承安裝孔的精度，機(jī)構(gòu)的框架采用整體加工的方法，從一塊完整的6061鋁合金上直接加工成所需結(jié)構(gòu)。這樣的加工方式，保證了兩軸端軸承安裝孔之間的位置度、軸承安裝孔的尺寸精度以及軸承安裝孔對于框架底面的平行度，從而最大限度地降低零件加工精度對軸承磨損造成的影響。

1-軸承；2-軸；3-安裝框架；4-傳送電機(jī)；5-聯(lián)軸器；6-固定件；7-傳送滾輪；8-傳送皮帶

傳送皮帶具有一定的彈性，為了傳遞運(yùn)動(dòng)，皮帶需要對軸有一定的拉力及摩擦力，這些作用力既要保證傳遞動(dòng)力又需將對軸的影響降低到最低。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，軸的彎曲變形量小于0.05 mm時(shí)，可保證正常運(yùn)動(dòng)的傳遞同時(shí)對軸端影響較小。皮帶選型時(shí)，皮帶長度為原長的97%，打表實(shí)測軸彎曲在0.05 mm以內(nèi)。

裝配時(shí)，首先檢查框架是否安裝正確，并對軸承安裝孔、面及框架進(jìn)行清潔；其次將軸承壓入框架上對應(yīng)安裝孔內(nèi)，軸上依次套上滾輪和皮帶，穿過軸承內(nèi)孔，軸端兩側(cè)和軸承用固定件進(jìn)行固定；最后安裝電機(jī)及聯(lián)軸器，并調(diào)整同軸度。為保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，將整個(gè)機(jī)構(gòu)固定在一個(gè)平臺(tái)上。其中裝配、拆卸可能用到的工具有內(nèi)六角扳手、三角拉馬、油壓機(jī)。

2.3 驗(yàn)證過程

驗(yàn)證過程中保持所有尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致，僅改變與滾動(dòng)軸承選配軸的軸徑尺寸，詳見表2。企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要的傳送帶速度為800 mm/s，實(shí)驗(yàn)為了加快進(jìn)程，使用4 m/s運(yùn)行速度；企業(yè)實(shí)行一天3班工作制度，設(shè)備每天運(yùn)行約20 h，實(shí)驗(yàn)過程同樣一天運(yùn)行20 h。該機(jī)構(gòu)和企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中某一段傳送機(jī)構(gòu)完全一致，因此可以模擬生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程如下：

(1)選取間隙配合(H7/g6)的軸1，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)上，運(yùn)行速度4 m/s,每日觀察運(yùn)行情況，2周后拆除確認(rèn)軸端磨損情況，測量軸徑。

(2)選取過渡配合(H7/k6)的軸2，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)上，運(yùn)行速度4 m/s,每日觀察運(yùn)行情況，2周后拆除確認(rèn)軸端磨損情況，測量軸徑。

(3)選取過盈配合(H7/p6)的軸3，測量軸徑并記錄。使用工具安裝在實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)上，運(yùn)行速度4 m/s,每日觀察運(yùn)行情況，2周后拆除確認(rèn)軸端磨損情況，測量軸徑。

按照表2順序，依次對軸4～軸9進(jìn)行對應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并記錄。實(shí)驗(yàn)過程傳送框架未發(fā)生磨損及形變，因此可以多次拆卸使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過記錄軸徑變化、安裝使用工具、運(yùn)行過程以及磨損感度，對表2中9根軸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如表3所示。

表3 磨損實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

從安裝、拆卸的角度來說，過盈配合(軸3、軸6、軸9)非常不利于裝配和維修拆卸，人工無法將軸裝入軸承中，所以選擇了油壓機(jī)壓入的方式。壓入后發(fā)現(xiàn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不順滑，考慮是由于過盈量大，在壓入過程中軸承受到了損傷。此外，在結(jié)束實(shí)驗(yàn)拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸和軸承拆卸十分困難，甚至使用了三角拉馬進(jìn)行輔助拆卸。對拆下來的軸觀察發(fā)現(xiàn)，除磨損痕跡外，有大量安裝拆卸造成的軸表面損傷，同時(shí)運(yùn)行中聯(lián)軸器也發(fā)生了損壞。相對來說，過渡配合及間隙配合在安裝拆卸時(shí)僅使用內(nèi)六角扳手，必要時(shí)使用橡皮錘進(jìn)行輔助裝配，安裝拆卸較為方便。

表3中的磨損數(shù)據(jù)表明，無論哪種配合，在長達(dá)2周的運(yùn)轉(zhuǎn)下軸徑均發(fā)生了變化，尺寸發(fā)生了不同程度的減少。尤其對于間隙配合的軸1、軸4、軸7，軸徑尺寸變化量非常大，接近0.1 mm，并且肉眼可見發(fā)生了磨損。而過渡配合的軸2、軸5、軸8軸徑尺寸變化量極小，最大的減少量僅0.004 mm，這種程度的減少接近正常運(yùn)行的磨損量。過盈配合的軸3、軸6、軸9尺寸減少了不到0.2 mm，但無法判斷是由于磨損還是裝配造成。

從運(yùn)行過程看到，過盈配合的軸3、軸6、軸9，在實(shí)驗(yàn)過程中一直伴隨明顯的振動(dòng)及噪聲，噪聲既是裝配不良的提示，也意味著運(yùn)動(dòng)不合理隨時(shí)發(fā)生失效危險(xiǎn)。間隙及過渡配合相對來說，運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯的異響。

從磨損感度來說，間隙配合的軸1、軸4、軸7磨損明顯，拆卸下來的軸明顯“瘦”了一圈，甚至在實(shí)驗(yàn)過程中，有些黑色粉末飛濺出來污染了傳送皮帶和阻塞了軸承，又加劇了磨損，這一現(xiàn)象和該企業(yè)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況十分吻合。過渡配合及過盈配合雖然也有尺寸減少，但軸上僅僅留下來寬度和軸承寬度一致的一圈磨損痕跡，和正常磨損現(xiàn)場一致。

4 結(jié)論

通過以上驗(yàn)證數(shù)據(jù)及相關(guān)理論分析，我們得出以下結(jié)論：

(1)在該企業(yè)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，軸與軸承配合選擇過渡配合要比選擇間隙配合和過盈配合更合理。過渡配合相對來講既方便拆卸，又不會(huì)造成嚴(yán)重磨損。

(2)長期困擾企業(yè)的軸和軸承消耗量大、設(shè)備頻繁維修的問題，就是由于設(shè)備制造時(shí)片面追求方便拆卸，選取配合方式不合理造成的。

經(jīng)過與企業(yè)溝通，分析其存在問題后，企業(yè)對目前存在問題的設(shè)備進(jìn)行了改造。改造前半年內(nèi)進(jìn)行了56次維修，共維修磨損點(diǎn)88處；改造后半年內(nèi)僅僅進(jìn)行了每月定期保養(yǎng)，共計(jì)6次，維修磨損點(diǎn)11處，大大降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)及人力成本。