圓錐滾子球基面穴徑對軸承壽命的影響

王江山 陳 渭 李文巖

(①瓦房店軸承集團公司工程中心，遼寧 瓦房店116300;②西安交通大學機械工程學院，陜西 西安710049)

在設計圓錐滾子軸承時，滾子球基面與內圈擋邊處的接觸設計不容忽視。不是最優(yōu)化的設計將導致軸承的旋轉精度差、軸承使用壽命短以及軸承在使用過程中出現(xiàn)接觸位置異常、大擋邊碎裂和異常溫升等問題。內圈擋邊、滾子球基面形狀以及滾子球基面穴徑大小都是影響軸承壽命的重要因素。

1 圓錐滾子球基面與大擋邊接觸中存在的問題

在大錐角圓錐滾子軸承中，內圈滾道、外圈滾道和滾子外徑3 個表面主要承受徑向負荷，理論上處于純滾動狀態(tài)。本文所研究軸承的外圈滾道母線與軸心線之間的夾角約為α =25° ～29°，故稱其為大錐角圓錐滾子軸承。該種軸承承受軸向負荷的能力高于一般圓錐滾子軸承，主要用于承受以1 個方向的軸向負荷為主的徑向、軸向聯(lián)合負荷。

常規(guī)圓錐滾子球基面的設計與加工方法，沒有滿足圓錐滾子軸承的使用壽命要求。主要問題和現(xiàn)狀(如圖1 所示)有:(1)內圈大擋邊表面及滾子球基面磨損不均勻，滾子球基面SR值散差大;(2)軸承使用過程中常常出現(xiàn)異常溫升現(xiàn)象;(3)大錐角圓錐滾子球基面與內圈大擋邊接觸位置異常，接觸位置時而出現(xiàn)在內圈大擋邊外側與滾子球基面的穴徑邊緣之間，時而出現(xiàn)在內圈大擋邊內側與滾子球基面徑向倒角邊緣之間，即滾子球基面與內圈大擋邊之間接觸位置時常出現(xiàn)飄忽不定現(xiàn)象;(4)軸承內圈大擋邊有時出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。因此，為了有效提高這種大錐角圓錐滾子軸承使用壽命，首先要解決滾子球基面形狀對軸承性能影響的問題。依據(jù)這種大錐角圓錐滾子軸承結構特點以及滾子、內圈滾道、大擋邊磨損后的應力狀態(tài)和變形的基本規(guī)律，對軸承圓錐滾子球基面形狀進行了優(yōu)化改進設計。

2 圓錐滾子球基面與內圈大擋邊接觸狀態(tài)分析

滾子球基面與內圈大擋邊都是工作表面，它們在工作時產(chǎn)生的滑動摩擦，在潤滑不良或接觸位置不合理時，將產(chǎn)生嚴重的摩擦磨損、燒傷或應力集中，進而導致軸承滾道、滾子球基面以及外徑的早期疲勞剝落而失效。圓錐滾子球基面形狀、球基面的穴徑大小及內圈大擋邊形狀是影響內圈大擋邊異常溫升和軸承承載能力的主要因素，圓錐滾子球基面與內圈大擋邊的接觸位置也是很重要的環(huán)節(jié)。

內圈大擋邊與滾子球基面之間的異常接觸位置與磨損狀況，同樣影響著軸承的使用壽命。磨損不均勻現(xiàn)象，特別是因為圓錐滾子球基面穴徑尺寸小而引起的穴徑邊緣凸起(如圖1b 所示)，可造成滾子球基面與內圈大擋邊接觸不良。如果同時伴隨著內圈大擋邊角度差超差、表面粗糙度超差等問題，磨損不均勻會造成內圈大擋邊表面出現(xiàn)螺旋形態(tài)磨損。所以，根據(jù)軸承內圈大擋邊狀況適當加大圓錐滾子球基面穴徑尺寸，一方面有利于圓錐滾子兩端面等面積磨削，有效保證圓錐滾子兩端倒角坐標尺寸;另一方面，也有利于改善軸承工作軸向載荷大以及滾子球基面SR值散差大等因素導致的內圈大擋邊表面、滾子球基面磨損程度不均勻現(xiàn)象。

另外，在接觸點處，滑動摩擦的大小與接觸點的位置有關:當接觸點所在圓周的直徑小時，滑動摩擦小;反之，滑動摩擦大［1］。因此，滾子球基面與大擋邊接觸位置在中間，能有效避免或減少大擋邊碎裂現(xiàn)象發(fā)生。

3 國內、外圓錐滾子球基面穴徑大小現(xiàn)狀對比及分析

國外軸承的圓錐滾子球基面穴徑比較大(圖2)，滾子穴徑邊緣明顯低于內圈大擋邊倒角;而國內設計的部分軸承的圓錐滾子球基面穴徑比較小(圖3)，滾子穴徑邊緣明顯高于內圈大擋邊倒角或與之平齊。

對比國內外軸承結構設計可以看出，國外沖壓圓錐滾子球基面穴徑約為φBmm(見圖4)，大于滾子大頭直徑尺寸1/2 之多，這一結論可通過國外圓錐滾子軸承樣品的滾子穴徑尺寸測量數(shù)據(jù)得到驗證。且與滾子球基面的接觸點幾乎在內圈大擋邊的中間位置，滾子穴徑邊緣低于大擋邊倒角處(如圖2 所示)。而國內部分企業(yè)設計的圓錐滾子軸承的滾子球基面穴徑尺寸約φAmm(見圖5)，僅約為滾子大頭直徑尺寸1/2左右(也有一部分設計略大于1/2 滾子大頭直徑的)。且不同設計者不同時期設計規(guī)范也不盡統(tǒng)一，通過軸承臺架壽命試驗可以看出，兩種結構型式軸承旋轉精度也明顯不同。

4 改進圓錐滾子球基面的形狀設計及加工工藝

為了提高圓錐滾子軸承的使用壽命和極限轉速，合理設計內圈大擋邊和滾子球基面接觸點的位置是關鍵。優(yōu)化圓錐滾子球基面穴徑尺寸及控制實際加工球基面尺寸的散差值，也是決定二者接觸點位置的重要環(huán)節(jié)。對于大錐角圓錐滾子軸承而言，倘若滾子球基面的穴徑尺寸太小，則滾子球基面在內圈大擋邊上的軸向分力很大，滾子球基面與內圈大擋邊的接觸摩擦力就很大。另一方面，對于此類型軸承的內圈大擋邊和滾子的球基面而言，在一般實際加工中，表面粗糙度工藝要求難以達到。這樣，當軸承運轉一段時間后，滾子球基面與內圈大擋邊的接觸部位必然加劇磨損，而滾子球基面上穴徑邊緣高出內圈大擋邊的那一部分則沒有磨損，這樣自然在滾子穴徑邊緣處形成一個圓環(huán)形凸臺。接觸部分磨損越多，沒有接觸部分也就凸起越高(如圖1b 所示環(huán)形凸起部分)，造成滾子在軸承內圈大擋邊中旋轉不靈活，從而導致滾子球基面與內圈大擋邊表面處于異常接觸狀態(tài)，導致軸承異常升溫而失效。

因此，應適當增大滾子球基面穴徑，以使上述問題得到有效改善。本文對于圓錐滾子球基面的穴徑尺寸優(yōu)化問題進行了有限元接觸分析。可以看出:

在大的軸向負荷作用下，滾子與內圈大擋邊的接觸區(qū)峰值應力隨滾子球基面穴徑的增大而增大(圖6);過大的滾子球基面穴徑將導致滾子球基面承載不合理而局部接觸應力過大(圖7);而小穴徑的滾子球基面具有較大的接觸面積，接觸應力分布均勻，接觸應力狀態(tài)良好(圖8)。所以，設計中需要根據(jù)內圈擋邊的高度不同，調整滾子球基面穴徑尺寸，使得滾子球基面穴徑的邊緣稍微低于內圈大擋邊倒角邊緣或與之平齊為宜(圖9)，這樣既避免了滾子球基面穴徑邊緣凸起的產(chǎn)生，在大的軸向載荷作用下又不至于出現(xiàn)不合理的接觸應力分布。

另外，由于此類圓錐滾子半錐角角度偏大，因此，改變滾子球基面加工工藝尤為重要。原來滾子球基面通常是采用單個范成法磨削，生產(chǎn)效率極低，滾子球基面SR尺寸散差較大;為了保證圓錐滾子球基面加工精度，采用無磁通過式成型磨削球基面加工方法，以兩導輪盤錐面組成的內錐角并借助隔離盤工作面對滾子滾動面定位，保證了滾子定位穩(wěn)定性和可靠性。通過球窩形的成型砂輪磨削區(qū)，使?jié)L子球基面獲得了特定的球型基面，并通過磨削區(qū)域形成楔角狀形式來實現(xiàn)粗、細、精磨削全過程。此方法對于大錐角圓錐滾子球基面跳動值有明顯改善，圓錐滾子球基面SR值尺寸散差也得到了很好的控制。但為了減小滾子球基面表面粗糙度值，還應進行圓錐滾子的光飾加工，另外，可以對內圈大擋邊表面采取超精或拋光表面加工方法，以確保滾子球基面與大擋邊表面接觸良好。

5 圓錐滾子軸承臺架壽命試驗效果分析

經(jīng)過多次實際圓錐滾子軸承臺架壽命試驗，驗證了適當增大圓錐滾子球基面穴徑尺寸的正確性，改善了內圈大擋邊與滾子球基面的接觸位置。改善前，在徑向載荷Fr=148.96 kN、軸向載荷Fa=148.96 kN 及試驗轉速n=170 r/min 的實驗條件下，軸承容易出現(xiàn)滾子球基面磨損不均勻(圖10)、內圈大擋邊表面螺旋形態(tài)磨損加劇(圖11)等現(xiàn)象。軸承僅連續(xù)運行幾十小時，就出現(xiàn)了軸承異常溫升、滾道表面及滾子球基面磨損程度嚴重深淺不一、內圈大擋邊碎裂等異常現(xiàn)象。改進設計后，軸承在試驗過程沒有出現(xiàn)特別異常溫升現(xiàn)象或內圈大擋邊碎裂現(xiàn)象。當然，由于軸承壽命試驗效果受多種條件制約，而本文主要重點是以改進上述條件為前提的。特別需要指出的是圓錐滾子球基面SR值的散差要控制好，它也是直接影響內圈大擋邊與圓錐滾子球基面接觸位置的一個重要因素。軸承臺架試驗壽命有十分明顯的提高。大錐角圓錐滾子球基面穴徑邊緣磨損正常，沒有產(chǎn)生凸起現(xiàn)象(如圖12 所示)。內圈大擋邊表面也呈現(xiàn)正常磨損狀態(tài)(如圖13所示)。

通過改變大錐角圓錐滾子球基面穴徑大小，使圓錐滾子球基面穴徑邊緣略低于內圈大擋邊倒角邊緣，促使圓錐滾子球基面與內圈大擋邊表面正常接觸，有效避免了軸承運轉一段時間后圓錐滾子球基面穴徑邊緣高于大擋邊而凸起的弊端，有效避免了軸承異常溫升現(xiàn)象的發(fā)生。適當加大圓錐滾子球基面穴徑尺寸，使大錐角圓錐滾子基準端面與內圈大擋邊的接觸點處于內圈大擋邊的中部這一最佳狀態(tài)，可有效保持圓錐滾子在內圈大擋邊及滾道中旋轉的穩(wěn)定性，改進了圓錐滾子與內圈大擋邊及內、外圈滾道的接觸應力狀態(tài)，可以明顯降低軸承使用中運轉異常溫升現(xiàn)象，軸承產(chǎn)生的應力集中，是解決軸承早期疲勞失效最主要的原因。

6 結語

總之，本文主要依據(jù)大錐角圓錐滾子軸承臺架壽命試驗結果為基礎，指出保證內圈大擋邊與滾子球基面之間良好的接觸狀態(tài)和軸承運轉穩(wěn)定狀態(tài)，是保證滾子球基面與內圈大擋邊的接觸狀態(tài)的基礎。控制大錐角圓錐滾子球基面SR值的散差，并適當加大大錐角圓錐滾子球基面穴徑尺寸，使?jié)L子球基面穴徑邊緣略低于內圈擋邊或與之平齊，這一點很有必要引起人們高度重視。同時，大錐角圓錐滾子無磁通過式成型磨削及圓錐滾子光飾等加工工藝也應引起重視。通過軸承實驗以及結果的總結對比，驗證了以上結論的正確性，大幅度延長了大錐角圓錐滾子軸承的使用壽命。

［1］楊春，喬秀清. 圓錐軸承內圈大擋邊與滾子基面摩擦和噪聲分析［J］.哈爾濱軸承，2007(4):10 －11.