某船用大型可拆卸式滾動軸承設計

吳靜波，朱發新，李玉樂

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022)

1 船用大型滾動軸承簡介

滾動軸承具有互換性好、加工精度高、強度高等優點，在船舶等各個領域應用廣泛。為了防止保持架因振動而產生松脫，目前滾動軸承的保持架一般采用不可拆卸的鉚釘連接結構[1]。

在晃蕩、潤滑不良、濕度高、溫度高等惡劣的船舶環境條件下，滾動軸承的零部件出現過度磨損、變形及疲勞斷裂等損壞時，只能整體更換該滾動軸承，造成資源浪費，運行成本增加等[2-3]問題。針對滾動軸承存在的不可拆卸等缺點和不足，設計可拆卸式滾動軸承結構，尤其是針對船用大型滾動軸承，具有一定的研究意義[4]。

船用大型滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架4部分組成，內圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助保持架均勻的將滾動體分布在內圈和外圈之間，其形狀大小和數量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使滾動體均勻分布，引導滾動體旋轉起潤滑作用[5]。

2 某船用大型可拆卸式滾動軸承設計

2.1 設計要求分析

針對傳統滾動軸承均采用不可拆卸的鉚釘連接情況，設計1種可拆卸的螺栓連接固定，具體設計要求分析如下。

1)要求裝置技術成熟、適應性好。

2)要求裝置整體結構簡單，操作方便，技術要求低。

3)裝置成本低，便于維護保養。

4)要求裝置有良好的綜合力學性能，滾動體與內外圈的材料應具有高硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。

2.2 工作原理

圖1為用AutoCAD軟件設計出來的船用大型可拆卸式滾動軸承的整體結構圖，運用了可拆卸式螺栓連接結構，具體工作原理分拆卸和安裝2部分進行展開。滾動軸承在運行時如果發現軸承有振動、漏油或發出異響的現象，則說明滾動軸承受損，發現軸承受損后，可用拉馬或敲擊等方法取出。如軸承位于軸的末端，用小于軸承內徑的銅棒或其它軟金屬材料抵住軸端，軸承下部加墊塊，用手錘輕輕敲擊，即可拆下。拆下后，用扳手取下保持架上的螺栓更換受損零件，如圖2所示。更換好后，安裝螺栓和滾動軸承，使滾動軸承與軸配合。船用可拆卸滾動軸承的具體拆卸、安裝方法如下。

1-外圈；2-滾動體(球體)；3-可拆卸保持架；4-內圈

圖2 螺栓連接式保持架結構圖

1)拆卸。當對軸上滾動軸承進行拆卸時，可采用三爪拉馬拆卸。拆卸時，將螺桿頂尖定位于軸端頂尖孔調整拉爪位置，使拉爪掛鉤在軸承外環，旋轉旋柄使拉爪帶動軸承沿軸向向外移動拆除。拆卸后，用六角扳手拆下可拆卸式保持架上的12個螺母，保持架便會松動，取下滾動體與左半保持架及右半保持架放入潤滑油中，以免生銹和滲入雜質，然后取下內圈及外圈即可。

2)安裝。將內圈整齊放到外圈里，內圈先朝外圈內側一邊緊貼放置，另一邊留下足夠的空間將球體放入，接著用分球器將鋼珠均勻分開。最后安放可拆卸保持架，將左半保持架與右半保持架對齊安置于滾動體之間，分別安裝12個螺桿與螺母，再用六角扳手鎖緊。安裝好滾動軸承后，可采用銅棒和手工鍾擊進行安裝。安裝時，用銅棒沿軸承內圈端面周圍均勻用力敲擊，切忌只敲打一邊或用力過猛，要對稱輕輕敲打，慢慢裝上，以免安裝傾斜擊裂軸承。

2.3 主要零部件

可拆卸式保持架。該軸承采用的是可拆卸式的左右兩半式保持架，由若干螺栓固定連接。滾動軸承在高速旋轉時，保持架要承受很大的離心力、沖擊和振動，保持架和滾動體之間存在較大的滑動摩擦，并產生大量的熱量。力和熱共同作用會導致保持架故障，嚴重時會造成保持架燒傷和斷裂。因此，要求保持架材料導熱性好，耐磨性好，摩擦系數小，有較小的密度，一定的強度和韌性的配合，較好的彈性和剛度與滾動體相近的膨脹系數以及良好的加工工藝性能。

螺栓連接。螺栓連接時，若螺栓直徑過大，螺栓頭部會發生干涉，且容易使板料變形；反之，若螺栓直徑過小，則螺桿強度不足，致使螺栓數量增多，施工不便。螺桿直徑的選擇主要由板材厚度決定。連接長度與螺桿長度有直接關系，若螺桿過長則容易彎曲；而螺桿過短則無法連接。連接長度應根據被連接件的總厚度、螺孔與螺桿直徑間隙及連接工藝方法等因素確定。因此，螺栓連接的選擇應根據實際情況而定。

3 三維實體建模及干涉檢查

3.1 零部件建模

打開UG三維建模軟件，新建“建模”版面；創建草圖，按相應尺寸繪出基本草圖；退出草圖，利用“拉伸”“旋轉”“陣列特征”等實體建模功能作出三維實體；對作出的各三維實體進行布爾運算。圖3為滾動體(球體)的建模，主要利用“陣列特性”功能；圖4為內圈及外圈的建模，主要利用“旋轉”功能對草圖進行實體建模；圖5為分半式保持架的建模，利用了“拉伸”等功能，再對其進行“鏡像”；圖6為建成的保持架。

圖3 滾動體(球體)

圖4 內圈及外圈

圖5 分半式保持架

圖6 保持架

3.2 裝配體建模

裝配技術要求如下。

1)滾動軸承標有代號的端面應裝在可見方向，以便更換時查對。

2)軸頸或殼體孔臺階處的圓弧半徑應小于軸承上相對應處的圓弧半徑。

3)軸承裝配在軸上和殼體孔中后，應沒有歪斜現象。

4)在同軸的2個軸承中，必須有一個隨軸熱脹時產生軸移動。

5)裝配滾動軸承時，必須嚴格防止污物進入軸承內。

6)裝配后的軸承，須運轉靈活、噪聲小、工作溫度一般不宜超過65 ℃。

打開UG三維建模軟件，新建“裝配”版面；選擇已作出的三維實體零部件，將各零部件導入；利用“裝配約束”“移動組件”“陣列組件”等關聯功能進行裝配。圖7為按照裝配技術要求進行的保持架裝配，圖8為總裝配圖。

圖7 保持架的裝配

圖8 總裝配圖

3.3 干涉檢查

構件設計過程中，有時會發生保持架與內圈、外圈、保持架等之間相互干涉的情況，及時發現問題并解決問題，對減少相應的損失至關重要。

操作步驟如下：①打開已裝配好的三維實體；②點擊菜單，選擇分析選項條，簡單干涉；③選擇需要檢查的對象，例如第一體為外圈，第二體為可拆卸式保持架；④如顯示無干涉面對話框，說明外圈與可拆卸式保持架無干涉。

4 結束語

本文所作研究屬于前期理論研究，其設計的船用大型滾動軸承是否可應用到實船上，還需要進一步論證，后期可從運動學與動力學分析、有限元分析、樣機生產及實船測試等方面作進一步的研究。