電梯專用雙列角接觸球軸承單元功能組合設計

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

電梯專用雙列角接觸球軸承單元功能組合設計

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

針對新型無機房電梯曳引系統輪系尺寸大幅減小，傳統設計理念難以滿足負荷能力問題，進行反繩輪（及導向輪）支承軸承與傳輸帶輪功能組合設計，滿足無機房電梯有限限位空間下承載能力和可靠性要求，實現電梯曳引傳輸系統帶輪傳遞作用與軸承減摩作用有機結合。

電梯專用軸承；組合設計；應用

伴隨著環保節能型無機房電梯的快速發展，采用具有高曳引力和高柔韌性多楔V型齒形鋼絲復合帶代替傳統曳引鋼絲繩的無機房電梯曳引系統，主機體積比傳統電梯小70%以上，在大幅節省建筑空間，降低建造成本的同時，為乘客帶來顯著平穩、安靜、潔凈的搭乘感受，成為當代無機房電梯發展方向的代表，受到市場高度青睞。

作為其導向輪與反繩輪支承，軸承的承載能力、摩擦損失、運轉噪音和密封、溫升性能等直接影響電梯傳動效率和轎廂升降平穩性，尤其在大幅減少的輪系尺寸下如何提供足夠承載能力，成為該類電梯曳引系統實現的先決條件。本文以電梯反繩輪支承為例，進行支承軸承與傳輸帶輪功能組合設計并推薦設計方法，充分滿足無機房電梯有限限位空間下承載能力和可靠性要求，實現電梯曳引傳輸系統帶輪傳遞作用與軸承減摩作用有機結合。

1 傳統設計思路及其不足

本文所述無機房高速節能電梯采用高曳引力和高柔韌性多楔V型齒形鋼絲復合帶代替傳統曳引鋼絲繩（圖1），摩擦帶動張緊輪轂旋轉，支承軸承承受電梯自重（或對重）、載重施加的徑向載荷及電梯晃動可能產生的傾覆力矩。

圖1 曳引媒介

傳統設計理念通常將曳引輪系支承設計成帶輪內嵌入標準軸承的部件式結構（圖2（a）），帶輪直徑足夠大時，可匹配嵌入較大軸承提供足夠支承能力。本文所述電梯帶輪直徑僅85～150 mm，帶輪和軸承套圈必須的壁厚限制了嵌入軸承的外形尺寸，約束了軸承中心圓直徑、滾動體直徑和數量，亦即限制了軸承的載荷能力，難以滿足承載需求。

圖2 結構對照

2 功能組合設計

為適應有限限位空間下承載能力要求，按照本文推薦的方法對軸承進行功能組合設計（圖2（b）），以提高軸承負載能力和額定壽命、減少軸向竄動，確保電梯平穩、安靜、可靠運行并具有結構簡單、安裝方便、免維護等使用特征。

（1）將軸承外圈外壁設計成帶有多楔V型齒的帶輪形狀，使軸承與帶輪合并為整體單元，有效增大軸承截面尺寸，取得較大的中心圓直徑、滾動體直徑和數量，進而增大軸承載荷能力。

（2）內部采用雙列角接觸球軸承結構，具有雙向承載和抵抗傾覆力矩能力。同時該類軸承較小的軸向游隙，可有效預防電梯轎廂晃動引起的皮帶軸向竄動。

（3）外圈齒廓按照齒形復合帶對應形狀設計（圖3），力求高度吻合，防止硬性交割干涉并擁有最大接觸面積。同時在齒峰和齒谷分別以一定弧度過渡（圖3（b）），避讓曳引帶齒頂和齒根，防止硬性擠壓造成皮帶不正常損毀。

圖3 多楔齒結構形狀

（4）軸承單元設計成獨立預潤滑密封單元，出廠時預先注入適合運轉工況的潤滑脂，工作壽命周期內不需再潤滑，實現免維護。其密封設計應針對外圈旋轉時離心力易造成密封腔內油脂徑向遷移并在旋轉摩擦熱壓力引導下滲出[1]現象，設置一定減壓孔隙或逃氣凹槽，以獲得最佳防泄漏效果。

（5）內圈內孔制作成安裝孔，便于安裝使用。

3 軸承結構參數優化

3.1 主參數優化設計

功能組合設計有效增大了軸承截面尺寸，令增大鋼球直徑Dw、球數Z和球組中心圓直徑Dwp成為可能。應用擬靜力學理論建立數學模型，優化軸承結構主參數，在滿足一定約束條件下使軸承額定動載荷盡可能大[2-3]。

（1）建立目標函數

（2）設定約束條件

鋼球直徑Dw、鋼球中心徑Dwp、球數Z分別滿足：

式中：Kw—鋼球直徑系數；Kz—鋼球數量系數

（3）應用計算機輔助設計手段，通過局部網格法進行優化篩選，挑選滿足Cr最大的Dw、Z和Dwp最佳點。

3.2 結構參數選取

充分利用軸承厚壁截面，選擇適宜結構參數，獲得最佳使用性能、使用壽命和有利于潤滑油膜形成的接觸形式和接觸狀態。

（1）接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要設計參數，是軸承內部載荷分布、運動關系、摩擦、潤滑等的重要影響因素[3]。電梯反繩輪軸承主要承受轎廂自重（或對重）和載重施加的徑向載荷及其晃動產生的偏擺載荷，屬中等載荷下非高速應用，推薦接觸角α=25°。

（2）溝曲率系數

軸承工作時外圈旋轉，不宜采用較大外溝曲率系數[2]。從等強度概念分析并經計算確認，內、外圈溝曲率半徑系數分別選取fi=0.515/fe=0.525，可令兩溝道處接觸應力相近，有利于潤滑和提高極限轉速，降低振動和異音。

（3）擋邊高系數

軸承在載荷作用下，球與滾道間形成接觸橢圓（圖4）。若電梯轎廂晃動產生較大傾覆力矩造成軸向過載，套圈擋邊與溝道表面的交線將進入彈性接觸區域，產生應力集中，出現接觸橢圓被擋邊邊緣截斷壞損[4]。設計時應選取適宜擋邊高度，使接觸橢圓邊界落在擋邊邊緣，避免截斷。參考國內外軸承樣品并按選定接觸角對比計算，擋邊高系數建議選取：

外圈 Kie=0.4；

內圈 Ki2=0.4。

圖4 接觸橢圓

4 軸承性能對比分析

應用本設計方法并結合厚壁軸承套圈防淬裂及整體淬透性熱處理、大展開長度多曲面精密復合磨削、低噪聲雙列角接觸球軸承制造、軸承檢測與試驗、套圈表面防腐改性等多技術層面創新實踐，令產品在包括負載能力、額定壽命、旋轉精度、密封與溫升性能、低噪音水平等在內的多項性能較之傳統技術具有明顯優勢，代表型號分析對比結果如表1所列。

表1 軸承單元代表型號性能對比

5 結束語

本文給出的電梯專用雙列角接觸球軸承單元功能組合設計方法，已應用與多家軸承生產企業產品開發，成果產品配套世界高端乘客電梯，取得了顯著經濟效益。采用本設計方法，可提高軸承負載能力30%～60%、提高額定壽命120%、減少軸向竄動50%～70%，其可靠無泄漏密封設計可大幅簡化日常維護，消除電梯箱體油污污染，帶給乘客平穩、安靜、潔凈的運行感受度。此外，本研究方法對于其他應用領域有限空間內高軸向剛度、高承載能力軸承或通用零部件研發，同樣具有積極的指導意義。

［1］趙聯春.皮帶張緊驅動外圈旋轉軸承的摩擦學設計［A］.第六屆中國軸承論壇論文集［C］.寧波，2011.

［2］T.A.Harris著.羅繼偉等譯.滾動軸承分析［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［3］角接觸球軸承優化設計［Z］.洛陽軸研科技股份有限公司，2006.

［4］萬長森.滾動軸承的分析方法［M］.北京：機械工業出版社，1985.

Combined-Performance Design of Double Row Angular Contact Ball Bearing Units Specialized in Elevator

CHEN Qing-xi
（TCB Bearing Manufacturing Co.，Ltd.，Zhongshan 528437，China）

In terms of the issue that classical design concept hardly satisfied the load capacity when dimensions of hoist system reduced on new types of non-machine room elevator，combined-performance of support pulley and mast pulley is designed to satisfy the load capacity and reliability requirement in limited space of non-machine room elevator，in order to realize the optimized combination of pulley transmission performance of elevator hoist system and the performance of friction reduction of bearings.

bearings specialized in elevator；combined-performance design；application

TH133.3

B

1009－9492(2014)05－0159－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.040

陳慶熙，男，1961年生，廣東汕頭人，大學本科，高級工程師。研究領域：軸承設計、制造與應用。已發表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－22