某大型儀器高精度轉(zhuǎn)盤(pán)軸承

崔旋，劉攀，趙雁，郭玉輝，毛斐然

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 軸承的工況及要求

某大型精密儀器作為天文臺(tái)內(nèi)的重要設(shè)備，其回轉(zhuǎn)臺(tái)底座上使用的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承應(yīng)具有足夠的承載能力，高的回轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，良好的潤(rùn)滑及密封性能。該軸承的安裝示意圖如圖1所示。支座軸與內(nèi)圈止口配合，并通過(guò)螺栓固定在支座上，回轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)螺栓固定在外圈上。儀器工作時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的精確旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)整方位角的目的。

圖1 軸承安裝示意圖

該軸承外形尺寸為Ф3 928 mm×Ф3 394 mm×216 mm；工作中軸向載荷Fa≥700 kN，徑向載荷Fr≥60 kN；最大工作轉(zhuǎn)速n=3 r/min；對(duì)于旋轉(zhuǎn)精度，軸向跳動(dòng)應(yīng)不超過(guò)0.06 mm，徑向跳動(dòng)應(yīng)不超過(guò)0.04 mm。

2 結(jié)構(gòu)形式與材料

2.1 結(jié)構(gòu)形式

基于軸承的工況及精度要求，選擇液體靜壓軸承雖能保證低摩擦力矩和邊緣剛度，但初始研究和維護(hù)費(fèi)用較高；選用四點(diǎn)接觸球軸承、三列滾子軸承及兩列球軸承，雖剛度高且成本低，但摩擦阻力較大，而且需要增加預(yù)緊力來(lái)提高剛度，易使?jié)L動(dòng)體打滑；選用推力球軸承，雖然摩擦阻力較小，但需要優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，使其具有一定的徑向承載能力。

基于以上對(duì)比分析，選擇了一種雙排球結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，下排球采用大接觸角(85°)設(shè)計(jì)和較大直徑鋼球，主要承受軸向載荷；而上排球使用直徑較小的鋼球，并具有一定的預(yù)載荷，主要承受徑向載荷。上排滾道采用直滾道形式，便于鋼球裝配、更換，鋼球與其他零部件構(gòu)成三點(diǎn)接觸，滾道面為徑向方向的兩接觸面，軸向接觸面主要起到擋邊的作用。這種結(jié)構(gòu)的軸承具有足夠的剛度，上排鋼球結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了推力軸承徑向剛度較低的不足，而且由于鋼球良好的滾動(dòng)特性具有較小的摩擦阻力。

1—內(nèi)圈；2，6，11—螺釘；3—蓋板； 4—上排鋼球；5—下密封擋板；7—外圈；8—下密封擋板；9—保持架；10—下排鋼球；12—O形密封圈圖2 軸承結(jié)構(gòu)

2.2 套圈

套圈材料選用42CrMo鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,硬度為240～280 HB。42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度表面淬火鋼，具有優(yōu)良的力學(xué)性能(抗磨損、抗剝蝕、抗塑性變形及抗沖擊等)，能獲得良好的表面淬火質(zhì)量，可以保證軸承承載能力和壽命。由于軸承工作溫度為-30～+50 ℃，所以對(duì)內(nèi)、外圈鍛件進(jìn)行V形缺口夏比沖擊功試驗(yàn)(-20 ℃時(shí)3次沖擊試驗(yàn)?zāi)芰恐档钠骄挡粦?yīng)小于27 J，單值應(yīng)不小于19 J)，以保證其力學(xué)性能滿(mǎn)足使用要求。

2.3 鋼球

大直徑鋼球采用ZGCr15SiMn高碳鉻軸承鋼制造，小直徑鋼球采用ZGCr15高碳鉻軸承鋼制造，熱處理質(zhì)量應(yīng)符合JB/T 1255—2001的規(guī)定。

鋼球直徑與軸承承載能力正相關(guān)，同時(shí)，綜合考慮軸承外形尺寸及保持架加工制造能力等因素，選取下排鋼球直徑為50.8 mm，精度等級(jí)為G40，上排鋼球直徑為18.256 mm，精度等級(jí)為G28。鋼球數(shù)的計(jì)算式為

式中：Dw為鋼球直徑；Z為鋼球數(shù)，Dpw為球組節(jié)圓直徑；Ks為載荷系數(shù)，一般取Ks=1.15～1.33。由此計(jì)算得，下排鋼球數(shù)為186，上排鋼球?yàn)?19。

2.4 保持架

下排鋼球的保持架采用聚四氟乙烯分段式保持架(圖3)，球形兜孔能夠保證可靠地鎖住鋼球；聚四氟乙烯在-196～260 ℃均能保持優(yōu)良的力學(xué)性能，其摩擦因數(shù)極低的優(yōu)點(diǎn)有利于軸承低摩擦平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 分段式保持架結(jié)構(gòu)

2.5 潤(rùn)滑油路

軸承采用整體循環(huán)供油的潤(rùn)滑方式，通過(guò)軸承上的進(jìn)油、溢油及排油油路與外部供油系統(tǒng)相連接(圖2)，進(jìn)行可控供油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油經(jīng)開(kāi)設(shè)在上排滾道壓板上的進(jìn)油孔進(jìn)入軸承，對(duì)上排滾道及鋼球進(jìn)行潤(rùn)滑，而后經(jīng)兩套圈之間的間隙進(jìn)入下排滾道油池中；溢油孔保證潤(rùn)滑油對(duì)下排鋼球的浸沒(méi)深度；排油孔在清除、更換潤(rùn)滑油時(shí)使用。整套循環(huán)供油系統(tǒng)保證了軸承的充分潤(rùn)滑，不僅降低了軸承的摩擦力矩，還降低了工作中溫度對(duì)軸承的影響。

2.6 密封

上排滾道采用非接觸式迷宮密封結(jié)構(gòu)(圖4)，由環(huán)形蓋板與上擋板組成，防止外部灰塵雜質(zhì)的侵入；下排滾道的密封結(jié)構(gòu)由下?lián)醢濉形圈與套圈結(jié)合而成(圖5)，主要防止?jié)櫥偷臐B漏及外部雜質(zhì)侵入。

圖4 上排滾道局部示意圖

圖5 下排滾道局部示意圖

3 校核

由于軸承工作載荷分為軸向載荷和徑向載荷，由下滾道及上滾道分別承擔(dān)，所以需對(duì)軸承兩滾道分別校核，計(jì)算出滾道靜態(tài)安全系數(shù)和工作總轉(zhuǎn)數(shù)。需注意軸承材料42CrMo的點(diǎn)接觸許用接觸應(yīng)力為3 850 MPa[1]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，校核計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[2-3]。

表1 計(jì)算校核結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的雙排異徑球轉(zhuǎn)盤(pán)軸承具有足夠的承載能力，高的回轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，良好的潤(rùn)滑及密封性能，很好地滿(mǎn)足了主機(jī)的工況要求。