变速间歇冲击载荷工况下的圆柱滚子轴承设计

张煦

（瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁 瓦房店 116300）

近年来，圆柱滚子轴承在船舶、起重运输、大中型电动机、轧钢机等行业的应用日益广泛，要求轴承在特殊工况下稳定旋转，因此对轴承的承载能力、可靠性等的要求越来越高。目前常用的一种加强型结构即 E 型圆柱滚子轴承，其外形尺寸等已标准化。本文在 E 型圆柱滚子轴承的基础上，通过内部结构设计优化及仿真分析滚子修形优化，进一步提高轴承性能，设计符合瞬间加速减速、间歇式、大冲击载荷的圆柱滚子轴承。

1 主要技术指标

本文介绍的圆柱滚子轴承是为海装配套的滑轮轴承，轴承的承载能力与旋转灵活性对配套设备的正常工作起着至关重要的作用。轴承间歇式工作，转速与载荷从零到最大值再回复到零，一个工作循环不超过 3 秒。该轴承既要承受冲击载荷，又要在间歇式变速下灵活旋转、不卡死。

轴承技术要求如下：（1） 轴承精度 P5，外圈旋转；（2） 最高转速 1 000 rpm；（3）环境温度 -30～70 ℃；（4）最大径向载荷Fr为 1 000 kN；（5）最大轴向载荷Fa为 65 kN。

2 轴承结构设计及材料选择

2.1 轴承结构

依据技术指标要求，圆柱滚子轴承外形尺寸为φ320 mm×φ200 mm×90 mm，轴承外圈双挡边，内圈带平挡圈，保持架端面设计通孔与滚子两端的沉孔用弹性圆柱销联接成组件。轴承结构如图1。

图1 轴承结构

2.2 套圈材料

依据承受冲击载荷的工况要求，轴承套圈选用耐冲击的渗碳轴承钢 G20Cr2Ni4。与高碳铬轴承钢相比，用渗碳轴承钢制造的套圈表面具有高耐磨性、高抗疲劳性，且心部组织具有高强韧性。ISO 国际标准化组织承认，渗碳轴承钢的使用性能与高碳铬轴承钢十分相似，不影响轴承理论计算寿命，并且冲击载荷下用渗碳轴承钢制造的轴承的实际寿命高于高碳铬轴承钢制造的。

2.3 滚子优化

2.3.1 滚子尺寸优化

轴承所承受的变速间歇冲击载荷至少等效于其静载荷值的两倍，所以滚子尺寸的设计目标是最大限度地提高轴承的承载能力。为了提高轴承额定载荷，常设计加强 E 型圆柱滚子轴承，依据其经验公式，计算出的最大滚子尺寸为φ34.8 mm×66 mm[1]。理论上，当轴向载荷与径向载荷比值时，轴向载荷对轴承寿命的影响甚小，一般不予考虑。本文原设计轴承载荷比值小于 0.13，所以可以适当增加滚子长度，滚子直径在保证套圈壁厚及保持架兜孔间梁宽的前提下也随之增加。经优化滚子尺寸可增加到φ35 mm×71.4 mm。

2.3.2 滚子修形优化

滚子接触区域的应力分布情况与滚子母线的凸度设计密切相关，凸度量小，高应力区集中在滚子端部；凸度量大，滚子中部应力较大，两者均会造成滚子接触应力分布不均匀。应用英国 Romax Designer 仿真分析软件，建立该轴系模型，对轴承施加最大工况载荷，即径向载荷Fr= 1 000 kN，轴向载荷Fa= 65 kN（仿真模型见图2）。运行轴承轴系，通过对滚子接触应力线及云图分析，迭代优化设计符合工况的最优滚子对数母线修形曲线，使滚子在工作载荷下既不发生边缘效应，也不存在应力集中，轴承接触应力分布均匀。仿真分析结果见图3，图4。

图2 Romax 仿真模型

图3 滚道接触应力线

图4 滚道接触应力云图

2.4 保持架改进

轴承在变速、间歇式冲击载荷下工作极易产生滚子歪斜，减少轴承寿命，因此为该工况设计一体式带弹性圆柱销保持架。保持架特点如下：

（1）一体式。一体保持架具有优良的动平衡性能，好的动平衡性能可以降低振动噪声，在大的冲击载荷下不易造成滚子歪斜，提高了轴承寿命与可靠性。

（2）直兜孔。直兜孔对滚子的包容量小，接触面积小，可减少摩擦发热，同时不易卡滚子，对提高轴承使用寿命至关重要，且加工简单。

（3）保持架端面设计通孔与滚子端面用弹性圆柱销连接。轴承频繁地改变旋转速度，将增加滚子在旋转过程中卡死的几率。本轴承保持架与滚子的这种安装方式设计，使轴承在平稳工作时，由于滚子端面沉孔直径大于轴承径向间隙，所以滚子与弹性圆柱销不发生接触，不会产生摩擦。当高速变速时，一旦发生滚子歪斜，在回转中心径处的弹性圆柱销可以与保持架兜孔共同帮助滚子回到正确旋转轨道上，保证轴承不卡死。

3 试验验证

由于轴承每次工作时间很短、间歇式，且每次工作时转速及载荷变化快，所以长时间较稳定载荷、转速下进行的寿命试验无法有效地反映轴承在该工况下的适应性，本文对轴承进行了振动试验。试验条件快加速，试验转速 1 000 转/分钟，振动（加速度）质量趋势图见图5。由试验结果可知，轴承工作平稳，旋转正常，最大峭度2.51；试验后的轴承外观完好，滚道、滚子接触位置正常，保持架完整。证明轴承经优化设计后能够符合工况要求。

图5 振动（加速度）质量趋势图

4 结束语

通过对瞬间加速减速、间歇式冲击载荷工况的研究，设计了一种符合工况和技术指标要求的圆柱滚子轴承。应用 Romax Designer 仿真分析软件，迭代优化设计符合工况要求的滚子对数修形曲线。成品检测后，对轴承进行振动试验，验证轴承结构设计合理，符合使用要求。