軸承預緊力對軸承性能及壽命的影響分析

2016-09-07 07:11:09馬更生丁開瑞張旭平京能集團山西漳山發電有限責任公司山西長治046021

山東工業技術 2016年14期

馬更生，丁開瑞，張旭平（京能集團山西漳山發電有限責任公司，山西長治 046021）

軸承預緊力對軸承性能及壽命的影響分析

馬更生，丁開瑞，張旭平
（京能集團山西漳山發電有限責任公司，山西長治 046021）

本文就轉動機械中最常見的角接觸軸承安裝預緊力的作用、估算方法及對軸承性能的影響進行了深入闡述及探討，對角接觸軸承的安裝起到了指導作用。

軸承；預緊力；估算；調整；性能；壽命

0　引言

轉動機械在現代工業中的應用非常廣泛，作為轉動機械的核心部件軸承的安裝工藝直接關系到轉動機械的安全運行。本文就轉動機械中最常見的角接觸軸承安裝預緊力的作用、估算方法及對軸承性能的影響進行了深入闡述及探討，對角接觸軸承的安裝起到了指導作用。

1　概述

滾動軸承根據不同的應用場合，裝配時需要預留合適的工作游隙。在大部分的情況下，工作游隙應為正值，但是如果需要提高軸系的旋轉精度或剛性時，則經常采用負的工作游隙。預緊就是在軸承裝配時通過外部給予一定的預加負荷，消除軸承滾動體與內外環的間隙，使軸承出現彈性變形產生負的工作游隙。預緊是減少軸因受力產生撓曲，促使軸承中的負荷分布更均勻，改善工作狀態下受力狀況的一種措施。通過預緊還可對滾動體與內外環的磨損給予一定的補償，降低設備在運行中產生的噪聲，延長軸承的使用壽命。

2　需要進行預緊的場合

一般來說，對于軸承定位精度要求高、旋轉精度要求高、需要提高軸系剛性的高速精密運轉的場合，以及高速輕載、溫度變化較大、做往復運動的軸承配置或需要降噪減振的場合，均需要進行預緊，以便為軸承提供最小負荷。例如精密機床的主軸軸承、減速機的軸承、汽車傳動軸的小齒輪軸承、小型電機、低溫設備、風機的軸承等，通常均需要在裝配時進行預緊。

3　最小負荷的確定

最小負荷的大小受到軸承的基本額定靜負荷、最小軸向負荷系數Ka、轉速n、軸承平均直徑等的影響。我們可以根據軸承手冊提供的經驗公式進行計算，例如單列角接觸軸承的最小軸向負荷可通過公式進行計算。如果軸承支撐的重量加外力達不到最小負荷，則必須通過調整軸承的預緊力施加額外的負荷。

4　預加負荷的確定

圖1

對于能同時承受徑向和軸向負荷的角接觸球軸承，在徑向負荷的作用下，軸承內會產生一個軸向力，而這個軸向力通常需要由另一個位置相反的軸承來承受。如果內圈與外圈之間能有純徑向位移，表示只有沿軸承圓周一半的滾道在承受負荷。單列角接觸軸承內產生的軸向力可根據公式Fa=R Fr來計算。式中的Fr是作用在軸承上的徑向負荷，變量R是根據軸承內部的接觸條件而定，其數值按照軸承手冊中的“確定單個或串聯配對軸承所承受的軸向負荷”方法來確定，見圖1。

5　預緊力的大小對軸承性能的影響

如果外部軸向力小于以上的計算最小負荷值時，承受負荷的滾動體數目就會少于一半，軸承的負載能力就會相應減少，軸承滾動體有可能出現滑移，造成軸承的損壞。在實際應用中，出現過由于軸承鎖母未鎖緊或內圈故障，導致軸承外部軸向力小于軸承所需要的最小負荷，造成工作條件惡化，軸承損壞的現象。因此在有外部軸向負荷的情況，需要考慮對軸承進行預緊，以補償承受軸向負荷的軸承本身的竄動產生的游隙和因彈性變形而產生的游隙，并使負荷更能平均地分布在另一端無軸向負荷的軸承。同時，假設彈性與負荷是線性關系，那在相同的外部軸向力Ka的作用下，帶預緊軸承配置的軸向位移比沒有預緊的軸承配置要小，軸承的穩定性能則更好，見圖2。

圖2

當然，軸承預緊力過大對軸承也有不良影響，因此必須保持正確的預緊量。在確定軸承配置中的預負荷時，應注意當預緊超過某既定的最佳值時，剛性只能有限地提高。因為磨擦和隨之產生的熱將增加，如果有附加負荷并長時間作用下，軸承的壽命將會大大降低，見圖3。

圖3

6　現場應用中預緊力的選取影響因素及估算方法

軸承預緊力的大小要慎重選擇，太小無法提高軸系剛度或旋轉精度，達不到預期的效果，太大則會出現軸承磨損加劇、發熱量大等問題、造成軸承壽命明顯縮短或損壞的問題。預緊力的大小主要考慮軸承工作轉速高低及負荷的大小，轉速高、工作負荷小的工況宜選用較小的預緊力，轉速低、中等或較大的工作負荷則應加大預緊力。實際應用中要在軸承壽命、旋轉精度、軸系剛性要求三者之間進行合理平衡，一般來說預緊力略大于工作負荷為最理想。

通常我們按承受負荷的大小將滾動軸承運行工況分為4種狀態，分別是微負荷、輕負荷、中負荷、重負荷，它們的大小用設計手冊中滾動軸承的額定動負荷的幾分之一來表示，如微負荷=額定動負荷/175KN；輕負荷=額定動負荷/30KN；中負荷=額定動負荷/15KN；重負荷=額定動負荷/7.5KN，然后根據負荷的種類選取預緊力的大小。一般來說，高速配輕預緊，低速配重預緊。

例如向心球軸承或角接觸球軸承來說，重負荷狀態的預緊力=額定動負荷/25；中負荷狀態的預緊力=額定動負荷/50；輕負荷狀態的預緊力=額定動負荷/100；微負荷狀態的預緊力=額定動負荷/500。

這樣我們要估計一個滾動軸承的預緊力就可以先根據它的工作狀況，大致確定它是四種負荷狀況中的哪種類型，然后再通過設計手冊查出其額定動負荷，最后將額定動負荷除以一個系數來確定其預緊力的大小。

另外，SKF公司對單列角接觸軸承預緊負荷做了如下分類：GA輕預緊、GB 中預緊、GC 重預緊；預緊組別的范圍見表1。

7　結束語

對比經驗公式計算的預緊力值與SKF軸承手冊提供的預緊力矩基本符合，因此在實際的應用中，結合設備使用狀況，如油脂的種類、軸承的精度、運行的環境等參考以上兩種方法對預緊力進行調整。但是無論是通過計算還是根據經驗確定的預緊力，都必需將其偏差控制在一定范圍之內。因為在實際工作中，會有各種因素影響測量和計算的準確性，使測量出的預緊力與實際所需預緊力有較大偏差。因此在應用上要采取測量、計算、經驗值相結合的辦法來最終確定預緊力的大小。對于每次調整時的力矩、鎖母的軸向距離、回轉體的自由轉動圈數等數據記錄下來，以便今后重復調整。