叉車門架滾輪軸承承載能力的評價方法

朱曉宏，李興林，李斌，陳寶國

（1.江蘇萬達特種軸承有限公司，江蘇 南通 226500；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022；3.機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州），杭州 310022）

叉車門架導軌用滾輪軸承（簡稱門架滾輪）是叉車的重要零部件，分別成左右對稱安裝在叉車外門架頂端、內門架下端和貨叉架的支承軸上。門架滾輪的內圈固定，外圈在所匹配的門架槽鋼內低速旋轉滾動，隨著門架的上升與下降作周期性的正反方向旋轉，支承和引導門架升降。門架滾輪在車輛載重（包括門架自重）的作用下承受較大徑向載荷，偏載條件下在承受徑向載荷的同時還承受軸向載荷，同時由于門架滾輪與匹配的槽鋼存在運動間隙，在叉車行駛、門架前后傾斜特別是叉車在叉取貨物（如盤鋼卷材等）過程中還要承受較大的沖擊載荷。由于運動及受力的特殊性，門架滾輪與其他滾動軸承的設計及使用存在較大差別，要求具有高的強度及耐沖擊性能，其外圈材料及熱處理方式均不同于其他滾動軸承。采用GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》及GB/T 4662—2012《滾動軸承 額定靜載荷》計算門架滾輪的承載能力會與實際結果有一定的偏差，故需采用試驗的方法評價軸承的承載能力。

1 門架滾輪結構及材料

1.1 結構

門架滾輪結構一般有深溝球軸承（圖1a）、雙列深溝球軸承（圖1b）、三（四）點接觸球軸承（圖1c）和圓柱滾子（針）軸承（圖1d）4種結構類型。對軸向力要求高的場合，往往采用雙列深溝球軸承和三（四）點接觸球軸承，特殊場合采用滿裝結構以提高承載能力。大型叉車采用圓柱滾子軸承結構，具有較高的徑向承載能力。

圖1 門架滾輪常見的結構形式Fig.1 Common structures of track roller for mast frame

1.2 材料

在門架滾輪設計中，為滿足門架滾輪外徑與門架槽鋼尺寸匹配的需要，外圈一般采用增大壁厚的設計。根據內部結構及強度和耐沖擊性能的要求，外圈材料多選用優質軸承鋼（GCr15，GCr15SiMn）、碳素鋼（55＃鋼、60＃鋼）、合金結構鋼（20CrMnTi，20CrMo）等。外圈熱處理后滾道硬度要求為58～62 HRC，外徑面硬度要求為30～42 HRC。門架滾輪內圈和鋼球材料選取和熱處理方式與其他滾動軸承相同。

2 門架滾輪的載荷計算

門架滾輪設計中的相關載荷主要有額定動載荷C、額定靜載荷C0及徑向當量動載荷Pr。門架滾輪徑向基本額定動載荷Cr可參考GB/T 6391—2010計算，徑向基本額定靜載荷C0r可參考GB/T 4662—2012計算。影響叉車作用在門架滾輪上的載荷P的因素較多，主要與車輛設計載荷（車輛載重）及叉車使用過程中的沖擊載荷有關。門架滾輪設計時，所需承受的徑向載荷P一般由車輛、門架設計廠家給出，通常取車輛設計載重G的0.7倍，即P＝0.7G。門架滾輪的當量動載荷應大于理論工況載荷，且一般不大于車輛載重，即G≥Pr＞P。

3 門架滾輪理論承載能力的評價方法

門架滾輪承載能力一般由用戶通過臺架試驗（門架疲勞試驗）及后期實際應用驗證，但在門架滾輪設計及制造過程中，需對門架滾輪動、靜承載能力進行分析驗證。

3.1 動承載能力

門架滾輪的壽命指門架在一定的試驗（壽命）周期內，門架滾輪隨門架升降所需旋轉的轉數。門架滾輪壽命要求一般由車輛（門架）設計廠家給出，也可通過下式計算，即

式中：L為門架滾輪在門架中旋轉運動的距離，一般取門架單節槽鋼的長度；N為門架試驗（使用）過程中門架升降的次數；D為門架滾輪外徑。

根據GB/T 6391—2010可得向心球軸承額定壽命的計算公式為

向心滾子軸承的基本額定壽命為

最新修訂的JB/T 7360—2007《滾動軸承 叉車門架用滾輪、鏈輪軸承 技術條件》為評價軸承動承載能力，要對軸承進行壽命試驗。門架滾輪與滾動軸承壽命試驗原理類似，試驗中內圈固定，外圈旋轉，施加的載荷為當量動載荷 Pr。參考JB/T 7360—2007要求試驗轉速為80 r/min，實際試驗中試驗轉速也可大于該轉速，但不允許超過120 r/min。通常采用定時截尾法（定時間或轉數）進行試驗，當試驗達到設計目標轉數后停止試驗，檢查門架滾輪是否存在疲勞剝落、裂紋等現象，從而確定門架滾輪是否滿足L′10設計要求。

3.2 靜承載能力

軸承基本額定靜載荷并不是破壞載荷，能使軸承破壞的載荷通常高于基本額定靜載荷，這也是通常軸承能在高于其基本額定靜載荷工況下運行的原因。門架滾輪也是如此，且其壁厚、材料、熱處理方式都與標準滾動軸承不同，其額定靜載荷僅可作為門架滾輪的一個參數供設計與使用參考。門架滾輪靜承載能力往往通過強度試驗獲得，一般以靜壓測試為主，必要時也可采用沖擊測試。

靜壓測試一般在液壓萬能試驗機上進行，該試驗機具備可緩慢勻速加載和數據自動記錄功能。加載速度為5 kN/s，壓力量程范圍為0～1 000 kN，在試驗的門架滾輪達到壓力極限破裂時自動卸載，此時的壓力為門架滾輪的實際靜壓強度。門架滾輪在試驗機上的安裝方式如圖2所示，門架滾輪通過支承芯軸安裝在V形支架上。加載方式有直上式和橋式，如圖3所示，直上式要求載荷通過單個滾動體中心，而橋式則要求載荷通過2個滾動體中間位置。試驗過程中一般分別在2種加載方式下進行試驗，但對于滿裝門架滾輪可不規定其載荷施加方式。而對雙列球結構的門架滾輪，規定至少有一列鋼球加載方式為橋式，最少進行一組試驗即可。靜壓試驗不允許內圈或滾動體等其他零件破壞的現象。

圖2 安裝方式示意圖Fig.2 Diagram of installation method

圖3 加載方式Fig.3 Loading methods

門架滾輪沖擊試驗是測試門架滾輪強度的另一種方式，其原理是利用重力錘在一定的高度自由落地沖擊門架滾輪，如圖4所示。為能滿足門架滾輪沖擊試驗的要求，開發了帶加速度傳感器、電荷放大器、DSO-2090采集系統的門架滾輪沖擊試驗機，專門應用于門架滾輪的沖擊試驗，其測試時對門架滾輪的安裝方式等要求與靜壓測試基本相同。在測試前要通過經驗初定落錘質量和高度，并通過反復試驗完成沖擊極限高度的初測，在此基礎上完成沖擊試驗。

圖4 沖擊試驗示意圖Fig.4 Diagram of impact test

靜壓和沖擊試驗結果評價有2種方式：1）實物對比法，對具有相同功能的2類軸承進行測試對比；2）量化測試目標數據對比，要求所得測試結果應符合目標數據。

4 實例分析

以某型載重為4 000 kg的叉車為例分析，其門架滾輪型號為MG45A1-YF1503-5，單列球結構，主要結構參數見表1。基本額定動載荷Cr為48.9 kN，基本額定靜載荷C0r為29.5 kN，單節門架槽鋼長度L為2 065 mm，要求門架滾輪的試驗載荷Pr為29.4 kN，直上式壓碎載荷≥290 kN，橋式壓碎載荷≥240 kN，試驗周期內門架升降的次數為70 000。

表1 主要結構參數Tab.1 Main structural parameters

4.1 壽命試驗

由（1）式可得門架滾輪所需的轉數L′10為7.45×105r。由（2）式可得門架滾輪的基本額定壽命為4.6×106r，滿足L10＞L′10的壽命設計要求。對MG45A1-YF1503-5型門架滾輪進行壽命試驗。4套門架滾輪同時試驗，每2套成對安裝，通過壓力油缸對門架滾輪徑向加載，載荷為29.4 kN，中間主動輪帶動門架滾輪旋轉，轉速為80 r/min，試驗目標轉數約為7.45×105r。壽命試驗結束后門架滾輪外觀形貌如圖5所示，4套門架滾輪均無疲勞、裂紋等缺陷，仍可繼續使用，壽命滿足要求。

圖5 外圈形貌Fig.5 Morphology of outer ring

4.2 靜壓測試

測試設備使用CHT4106微機液壓萬能試驗機，取8套門架滾輪進行靜壓測試，其中1＃，2＃，3＃，4＃軸承載荷施加方式為直上式，5＃，6＃，7＃，8＃軸承載荷施加方式為橋式，測試結果見表2，均符合直上式壓碎載荷≥290 kN，橋式壓碎載荷≥240 kN的要求。

表2 壓碎載荷Tab.2 Crushing load

4.3 沖擊測試

沖擊強度測試一般采用實物對比法，對MG45A1-YF1503-5的測試選用相同噸位叉車已使用的門架滾輪MG45A2-5T作為參照物。使用WZJ6120-微機沖擊試驗機，選用沖擊錘質量51 kg，初選沖擊落錘高度1.8 m，每次增加0.1 m，重復沖擊試驗，高度達到2.2 m時門架滾輪MG45A2-5T被砸壞，初定2.2 m為沖擊極限。在2.2 m落錘高度上，分別取10套MG45A1-YF1503-5和MG50A2-5T型門架滾輪進行沖擊試驗。試驗結果為MG45A2-5T有4套損壞，MG45A1-YF1503-5有1套損壞，結果表明MG45A1-YF1503-5的耐沖擊性能要優于MG50A2-5。

5 結束語

針對門架滾輪軸承的特殊工況條件及設計要求，其動承載能力可通過壽命試驗進行，靜承載能力可采用靜壓測試和沖擊試驗進行，并以叉車門架滾輪MG45A1-YF1503-5為例進行了分析。分析結果可為該類軸承的設計提供參考。