圓錐滾子軸承與調(diào)心滾子軸承用于平行軸減速器的效果對比

胡曄平，郭又志

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

?

工藝與工裝

圓錐滾子軸承與調(diào)心滾子軸承用于平行軸減速器的效果對比

胡曄平，郭又志

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

摘要：對比減速器在分別使用圓錐滾子軸承與調(diào)心滾子軸承時的軸承壽命、箱體變形量、軸承傾斜角度調(diào)整能力，利用有限元法完成減速器箱體分析，獲得箱體的受力變形分布圖和軸承孔的傾斜角度。通過對比分析結(jié)果，得出在實際工況條件下合理選用圓錐滾子軸承與調(diào)心滾子軸承的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：箱體；軸承；有限元法；變形；傾斜角度

軸承是減速器中必不可少和至關(guān)重要的零件，是減速器中最容易損壞或失效的零件之一[1]，一旦軸承失效，會造成設(shè)備停機(jī)。特別是一些需要連續(xù)工作的設(shè)備（皮帶機(jī)減速器）、或者維修不便的設(shè)備（風(fēng)電齒輪箱），停機(jī)造成的損失是非常大的，而軸承的選用合理與否對減速器的整體壽命至關(guān)重要。根據(jù)使用的場合不同，減速器中常用的軸承主要是調(diào)心滾子軸承、圓錐滾子軸承、深溝球軸承、角接觸球軸承和圓柱滾子軸承等[2-3]。對于重載平行軸減速器，使用斜齒輪傳動時，由于需要承受較大的軸向力，所以常用的軸承是調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承。

為了研究減速器選用哪種類型軸承（調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承）更適用于現(xiàn)有的平行軸斜齒輪減速器，本文選用一款典型的減速器作為研究對象，分別采用這兩種類型的軸承，以觀察兩者的區(qū)別。為更好地獲得兩種類型軸承的區(qū)別，本文僅對載荷較大的第三軸分別采用調(diào)心滾子軸承與圓錐滾子軸承的兩種配置方案，而其余各級軸承使用調(diào)心滾子軸承，以期得出減速器軸承配置的最佳方案。

1　軸承配置方案簡單介紹

圖1和圖2是減速器第三軸分別采用調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承方案簡圖。

圖1　調(diào)心滾子軸承方案

圖2　圓錐滾子軸承方案

2　軸承參數(shù)對比

減速器第三軸所用兩種類型軸承在滿足設(shè)計壽命要求的前提下，軸承主要參數(shù)如表1所示[4]。

表1　第三軸軸承參數(shù)

通過對比表1中軸承主要參數(shù)可知：

（1）兩種軸承尺寸無法互換，在相近的承載能力下，圓錐滾子軸承的外徑較大，寬度較短。

（2）在相近的承載能力下，圓錐滾子軸承重量較重。

（3）在內(nèi)徑是300 mm的情況下，僅有一款圓錐滾子軸承型號能滿足設(shè)計壽命要求，可選擇的型號少。

3　輸入?yún)?shù)及分析結(jié)果

3.1輸入?yún)?shù)

減速器輸入軸電機(jī)的基本參數(shù)：輸入功率1 326 kW，輸入轉(zhuǎn)速900 rpm.軸承計算按照ISO281-2007[4]進(jìn)行。

3.2受力結(jié)果

圓錐滾子軸承與調(diào)心滾子軸承是兩種不同類型的軸承，因此受力情況不同，表2是兩種軸承基于以上工況的計算結(jié)果。

表2　軸承計算結(jié)果

通過表2可知：

（1）兩種方案的徑向力基本相同。

（2）調(diào)心滾子軸承方案：軸承所受軸向力是小齒輪與大齒輪產(chǎn)生的軸向力合力，指向一端軸承，另一端軸向力為0.

（3）圓錐滾子軸承方案：圓錐滾子軸承所受的軸向力由兩部分組成—兩齒輪的軸向力合力和圓錐滾子軸承所受的徑向力產(chǎn)生的內(nèi)部軸向力。因此兩側(cè)軸承均承受軸向力。

（4）e值定義：軸向力與徑向力的比值[5]。

該值一般推薦小于樣本給出的值。調(diào)心滾子軸承e值大于手冊推薦值時，軸承可能會出現(xiàn)單列滾子受載的情況。圓錐滾子軸承e值大于手冊推薦值時，軸承的擋邊可能會由于承受過大的軸向力而出現(xiàn)破裂[1]。

調(diào)心滾子軸承方案A側(cè)e=0.151.由于B側(cè)軸向力為0，所以e=0.兩側(cè)數(shù)值均遠(yuǎn)小于樣本上標(biāo)注值（e=0.32）.

圓錐滾子軸承方案，因第三軸的徑向力較大，A 側(cè)e=0.431，B側(cè)e=0.357，A側(cè)的e值大于樣本上標(biāo)注值（e=0.43）.

從表2可以看出，調(diào)心滾子軸承方案的A、B兩側(cè)軸向力占圓錐滾子軸承方案軸向力的34.7%與0%.

4　兩種方案箱體變形對比

箱體的受力主要來自對軸承的支撐力，以及齒輪傳動時產(chǎn)生的軸向力，其中軸向力因為受力方向垂直于箱體面板，對于箱體的變形影響較大。如前一節(jié)所述，在采用圓錐滾子軸承方案時，第三軸產(chǎn)生的軸向力在箱體兩側(cè)都存在，且軸向力的大小為采用調(diào)心滾子軸承方案的2.89倍。

箱體中間是剛度較差的地方，軸向變形同時會導(dǎo)致軸位置的變化，從而造成軸承和齒輪嚙合不對中。經(jīng)驗表明，當(dāng)箱體變形發(fā)生在軸徑小于90 mm的小型齒輪箱的時候，這種變形是可以接受的。而本文所研究的第三軸軸徑大于等于300 mm，為了獲得箱體受力變形，本文采用有限元分析軟件計算得出箱體變形圖。調(diào)心滾子軸承方案的箱體分析結(jié)果如圖3和圖4所示，圓錐滾子軸承方案的箱體分析結(jié)果如圖5和圖6所示。箱體變形結(jié)果如表3所示。

圖3　調(diào)心滾子軸承方案箱體變形（一）

圖4　調(diào)心滾子軸承方案箱體變形（二）

圖5　圓錐滾子軸承方案箱體變形（一）

圖6　圓錐滾子軸承方案箱體變形（二）

表3　箱體變形結(jié)果

由表3的分析結(jié)果可知：

（1）調(diào)心滾子軸承方案箱體變形

第三軸箱體軸向總變形量為上下兩側(cè)（A側(cè)與B側(cè)軸承孔）變形量之和。

24060調(diào)心滾子軸承的角度補(bǔ)償能力為2°，補(bǔ)償能力較好。

（2）圓錐滾子軸承方案箱體變形

箱體變形趨勢與調(diào)心滾子軸承方案類似，第三軸兩側(cè)都受軸向力，所以第三軸的變形量最大，且從計算得出的變形圖（圖5和圖6）上可看出最大變形量靠近第二軸。

在箱體上、下兩側(cè)分別取左右兩點估算軸承孔相對未變形前的傾斜角度，軸承孔直徑取540 mm.上側(cè)軸承孔偏轉(zhuǎn)角度=arctan（（0.276 8-0.041）/540）≈0.025°.下側(cè)軸承孔偏轉(zhuǎn)角度=arctan（（0.25-0.062）/540）≈0.02°

上、下兩側(cè)由箱體受力變形產(chǎn)生的傾斜角度之和約為0.045°.軸承總的傾斜角度除考慮箱體變形導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈錯位，箱體變形導(dǎo)致兩孔同軸偏差、軸的變形，還需要考慮加工時孔的公差、軸承的公差、兩軸承孔的同軸度等多種因素，以上各種因素疊加之后，最終的傾斜角度可能接近或者超過軸承的最大傾斜角度（各型號圓錐滾子軸承的最大傾斜角度在2′~4′之間）。

從以上分析可知該方案的箱體變形較大，30660圓錐滾子軸承的角度補(bǔ)償能力為4′（約0.07°），相比實際的變形量要求，補(bǔ)償能力較弱。

（3）調(diào)心滾子軸承方案軸向間隙調(diào)整

裝配時，調(diào)整端蓋以確保留有一定的軸向間隙，無需特殊調(diào)整，裝配簡單，容易保證裝配質(zhì)量[6]。

（4）圓錐滾子軸承方案軸向間隙調(diào)整

根據(jù)第三軸的使用工況，軸承廠家建議的圓錐滾子軸承的軸向間隙為0.05~0.1 mm.根據(jù)上述計算結(jié)果，箱體的軸向變形量最大有0.527 mm，遠(yuǎn)超廠家要求的間隙調(diào)整值，軸承壽命將大幅減小（見圖7）[1]。

圖7　預(yù)緊/游隙關(guān)系圖

5　結(jié)束語

（1）從對比結(jié)果來看，對于大內(nèi)徑的應(yīng)用場合，建議使用調(diào)心滾子軸承，具有軸向間隙調(diào)整簡便、傾斜角度許用值大、軸承規(guī)格齊全等優(yōu)點。

（2）圓錐滾子軸承在尺寸較小，尤其是內(nèi)徑小于90 mm范圍內(nèi)，具有選擇余地大，軸向承載大的優(yōu)點，而此時軸向力對箱體變形的影響也小，建議在小于90 mm軸徑，承受軸向載荷的情況下，優(yōu)先選用圓錐滾子軸承。

參考文獻(xiàn)：

[1]S KF.工業(yè)齒輪箱中的滾動軸承[M].瑞典：SKF集團(tuán)，2007.

[2]現(xiàn)代機(jī)械傳動手冊編委會.齒輪制造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]ISO281:2007(E)，Rolling bearings-Dynamic load ratings and rating life.

[5]ZWZ.ZWZ傳動軸承[M].遼寧：瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012.

[6]楊家軍，張衛(wèi)國.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].第二版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

中圖分類號：TH133.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0118-03

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：胡曄平（1983-），男，上海人，工程師，碩士研究生，主要從事齒輪及特種傳動的設(shè)計研發(fā)。

Contrast Parallel Reducer in Using Tapered Roller Bearing and Spherical Roller Bearing

HU Ye-ping，GUO You-zhi
（Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.，Ltd，Shanghai 200125，China）

Abstract：Contrast reducer in using tapered roller bearing and spherical roller bearing of the bearing life，housing deformation，bearing permissible angular misalignment ability，finite element method was used to analysis the reducer housing statics analysis，calculate the displacement of housing deformation value and estimate the angular misalignment of bearing hole.By contrast，it was concluded that under the condition of setting using which type of bearings was more suitable.

Key words：Housing；bearing；finite element method；deformation；angular misalignment