大型圓柱滾子軸承滾動體素線形狀對端面圓跳動檢測值的影響

鄭國勝，吳迎清

（1. 鐵道部駐哈爾濱車輛驗收室，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸承集團公司 鐵路軸承制造分廠，黑龍江 哈爾濱150036）

1 前言

大型圓柱滾子軸承是大型機械設備使用的重要部件之一，其質量的好壞直接影響到主機的性能及安全性。大型圓柱滾子軸承通常承受的載荷非常大，而且工作環境惡劣，所以如何提高其承載能力和使用壽命也就非常重要。為了降低邊緣效應，防止應力集中，滾動體一般采用圓弧、直線加圓弧修形及對數曲線等形狀。由于滾動體素線為圓弧形狀，當以圓弧素線為基準測量滾子端面圓跳動時，造成測量值偏大，所測數值不是真實數值。本文就圓弧素線影響滾子端面圓跳動測量值展開討論，并提出了解決辦法。

2 滾子端面圓跳動測量存在的問題

圖1 中，滾動體滾動面（φ32mm尺寸所標注的圓柱表面）素線方程：Y=3.58×10-3ln〔1/［1-（2X/49.2）2］〕，其中X≠49.2/2。素線是由兩條滿足此方程的彼此對稱的對數曲線所組成。

該軸承滾動體的加工工藝如下：

1.棒料鋸斷→2.毛坯車成型→3.熱處理→4.粗磨外徑→5.粗磨端面→6.細磨外徑→7.細磨端面→8.硬車倒角→9.精磨外徑→10.精磨端面→11.終磨外徑→12.尺寸分組→13.精研外徑→14.磁粉探傷15.光飾→16.超精外徑→17.清洗→18外觀→19.尺寸分組→20.涂油包裝→21.終檢驗收。

在檢驗過程中發現，端面圓跳動合格的滾動體，經“超精外徑”工序加工之后，端面圓跳動變得不合格了。

圖1 某軸承滾動體的相關技術要求

“超精外徑”工序加工前后比較，除滾動體直徑有變化外，滾動體滾動面的素線形狀也與加工前的不同。經“超精外徑”工序加工后，素線形狀由加工前的直線變成了對數曲線。

工藝中其它的外徑加工工序，如：“終磨外徑”、“精磨外徑”等，雖然加工前后，滾動體直徑同樣有變化，但素線形狀卻沒變（加工前后都是直線）。這些工序加工后，沒有出現類似于“超精外徑”工序加工后的測量問題，因此，素線形狀是導致出現端面圓跳動測量問題的原因。

滾動面素線形狀對滾動體端面圓跳動測量的影響，有必要進行深入的分析。

3 對數形素線對測量端面圓跳動影響的定性分析

測量滾動體端面圓跳動使用的儀器是C742型軸承檢測專用儀器。檢測時，被測滾動體的滾動面被置于“支撐三角臺”的兩個傾斜面上，滾動體滾動面與兩傾斜面呈線接觸狀態，實現了徑向的定位；在滾動體軸向上，用“軸向定位快”加以單方向定位。圖2 給出測量時被測滾動體、支撐三角臺、軸向定位快、檢測儀表的相互位置關系。

測量時，滾動體必須被旋轉一周以上，并記錄下滾動體旋轉過程中千分表示值的最大和最小值。最大和最小值的差值，就是滾動體的端面圓跳動數值。

圖2 滾動體端面跳動測量示意圖

采用圖2 的測量定位方式，當滾動體滾動表面的素線是直線時，測量時對被測滾動體施以向下和向“軸向定位塊”方向力時，滾動體只剩下一個自由度——繞自身軸線的轉動，因而，測量的結果是準確的。

圖3 軸承滾動體的素線比例圖

如前所述，該軸承滾動體滾動面的素線，在“精研外徑”工序后，由直線變成了兩條相對稱的對數曲線組合曲線，其單條曲線方程：Y=3.58×10-3ln〔1/［1-（2X/49.2）2］〕。素線形狀的比例圖見圖3。

由于滾動體的素線呈現圖3曲線的形狀。因此，其滾動表面與圖2 中“支撐三角臺”的兩個傾斜支撐面，不像直素線滾動體那樣呈直線接觸，而是呈點接觸的狀態。

按圖2，滾動體在被施加向下和向“軸向定位塊”方向的力時，被測滾動體實際上有2個自由度：一個是繞其自身軸線的轉動，另一個是在垂直平面內，繞其與“支撐三角臺”兩支撐面支撐點的轉動。

由于存在著繞支撐點轉動的現象，測值必然存在誤差。導致了端面圓跳動合格的滾動體，在“超精外徑”工序加工之后，變得不合格了。

4 對數形素線對測量端面圓跳動影響的定量分析

測量中，由于被測滾動體承受的法向力不超過20N，徑向定位面（“支撐三角臺”的兩傾斜面）與滾動體的滾動面之間的彈性變形可以忽略。因此，可以認為被測滾動體與“支撐三角臺”的兩傾斜支撐面間，是相切的位置關系。

當徑向支撐點位于滾動體軸向的不同橫截面上時，“支撐三角臺”的傾斜支撐面與滾動體軸線的夾角是不同的。

從素線方程Y=3.58×10-3l n〔1/［1-（2X/49.2）2］〕出發，可以得出徑向支撐點在滾動體軸向的不同橫截面上時，支撐面與滾動體軸線間的夾角。其公式如下（推導過程略）：

其中：θ——滾動體軸線與“支撐三角臺”支撐面間的夾角；

X——滾動體支撐點所在的軸向橫截面與滾子軸向中截面間的距離。

由公式（1）可知，當X=0時、θ=0；當X≠0時、θ≠0。即除支撐點位于中截面外，位于任意橫截面上，被測滾動體的軸線都會與水平面存在夾角。

被測滾動體的軸線與水平面間的夾角可以用下述公式計算（推導過程略）：

其中：α——滾動體軸線與水平面間的夾角；

θ——滾動體的軸線與“支撐三角臺”支撐面間的夾角；

γ——“支撐三角臺”兩傾斜支撐面間的夾角。

從表1 是按公式（1）和（2）計算后得出的支撐點在不同位置時，滾動體的軸線與水平面間的夾角（γ取60°），計算過程略。

表1 支撐點所在的橫截面與中截面間間距和滾動體軸線與水平面間夾角的對應表

表1 得出，支撐點離中截面越遠，滾動體軸線與水平面夾角越大。按圖2 測量時，不可能控制住支撐點位置，也就是測量過程中滾動體的軸線存在著擺動現象。

軸線的擺動對端面圓跳動測值的影響，可以用下述公式計算（推導過程略）。

其中：δ——軸線擺動對端面跳動測值的影響值；

R——測量端面跳動時測點距滾動體端面中心的距離；

α——滾動體軸線與水平面的夾角。

滾動體軸線擺動對端面圓跳動測值的最大影響值計算如下：

（1）實際測量操作時，支撐點與滾動體中截面的距離不會超過6mm。取X=6mm。

（2）測量端面圓跳動時，測量點要求盡量靠近滾動體的端面倒角邊緣。由圖1可知，滾動體的端面上的倒角最大值為1.4mm，滾動體直徑φ32mm。因而，R=32/2-1.4=14.6（mm）。考慮到實際應用，取R=14mm。

將X=6mm、R=14mm代入公式（3），計算得：δmax=0.103mm。

計算結果反應出：素線是對數曲線時，按圖2 的測量方法，會產生很大的誤差。

5 解決方法

從定性和定量的分析結果看，該軸承滾動體在“超精外徑”工序加工之后，圖2 的端面圓跳動測量方法不再適用了。

當采取措施，消除檢測時滾動體在垂直平面內繞其與“支撐三角臺”的兩傾斜支撐面上支撐點的轉動現象，被測滾動體就僅存繞其自身軸線的轉動的一個自由度，可實現測量的準確性。

理論上采用徑向的兩點定位方式，可限制滾動體在垂直平面內的轉動。

圖4 是最簡單的改進方法之一。對 原有“支撐三角臺”作了改進，在“支撐三角臺”的中部開出槽。由于中部帶槽，被測滾動體的滾動面與“支撐三角臺”槽的邊緣相接觸，相當于每側斜面有兩個接觸點，消除了測量過程中滾動體在垂直面內擺動現象。

此改進不僅使原有測量方式得以繼續沿用，而且直接用原“支撐三角臺”進行改進，加工簡單、成本低。同時，對帶有直線性素線的滾動體，可以直接應用。

通過100粒樣本的試驗證明，改進之后，消除了改進之前存在的測量誤差。

圖4 改進后的滾動體端面跳動測量示意圖

6 結束語

在超精外徑加工之后（素線加工成對數曲線后），該軸承滾動體滾動面素線形狀，由直線變為對數曲線，不能采用原有的檢測手段。

由于存在著繞徑向支撐點轉動的現象，測值必然存在誤差，且誤差很大。

為消除滾動面素線形狀所帶來的測量誤差，采用對“支撐三角臺”中部加槽的方法，最簡單、有效。

無論何種方式，采用徑向支撐面的兩點支撐，就可以消除對數形素線滾動體繞支撐點轉動的現象，實現對滾動體端面圓跳動的準確測量。