托輪軸承座中心高度差配對與測量方法探討

賁道春，仲躋松，李金峰，周文華

GB/T 32994-2016《水泥工業用回轉窯》標準中4.3.12.3條規定“同一托輪軸承組兩端的軸承座中心高度差應符合GB/T 1800.2-2009中的 IT10［1］”；標準中5.2.34條雖然規定“對于4.3.12.3軸承座中心高度差采用水平儀、直尺、高度尺配合檢測［1］”，但檢測方法不具體，無法指導檢測。

JB/T 8916-2017《回轉窯》標準中4.3.4.1條規定“托輪中心線應平行于筒體中心線安裝，平行度公差為1/10 000[2]”。要托輪保證中心線平行于筒體中心線，首先要保證同一托輪軸承組兩端的軸承座中心高度差達到一定要求；如果中心高度差較大，托輪中心線平行于筒體中心線的安裝就無法實現。

對于滾動軸承的軸承座而言，所謂中心高度是指滾動軸承外圈裝配圓柱面的中心線高度，測量比較容易。對于球面軸承座（或稱球瓦座）而言，所謂中心高度是指軸承座內球面球心相對于軸承座底平面的距離。球心位置“看不見摸不著”，如何根據可行的檢測方法、檢測步驟測量其中心高，這是擺在回轉窯制造商和回轉窯質量檢驗人員面前的難題。

軸承座中心高度直接影響托輪中心線與筒體中心線的平行程度、托輪與輪帶的接觸效果、托輪和輪帶工作面的磨損。因此研究軸承座中心高的測量和控制方法具有十分重要的意義。

1 中心高的定義

1.1 傳統中心高的定義

軸承座上平面是軸承座上殼體與軸承座裝配結合的平面，也稱為哈夫面。通常以滾動軸承哈夫面高度代表軸承座中心高，致使人們一直把回轉窯軸承座上平面的高度定義為軸承座的中心高。

1.2 符合實際意義的中心高定義

為了減少球面瓦各襯瓦刮研工作量，一般采用間隙配合（如H8/h7）或大間隙（如襯瓦內徑比襯瓦接觸處托輪軸直徑的基本尺寸＞1mm以上），這會使托輪軸的安裝中心高度低于軸承座球心中心高。

GB/T 1800.2-2009表1中規定公稱尺寸500～800mm的IT10的公差為0.28～0.32mm（見表1），而軸承座上下平面的距離公差一般取±0.15mm（即公差帶寬度為0.30mm）。即便軸承座的內球面中心在軸承座理想上平面上，軸承座的中心高度允許極限偏差（0.30mm）已經基本達到或超過允許的極限偏差（0.28mm和0.32mm）。

表1 GB/T 1800.2-2009的表1摘錄

在軸承座的加工過程中都力求使中心線處于軸承座上平面上，但是受工裝能力和操作水平限制，中心線往往偏離軸承座上平面。另外，軸承組中心高也與軸承組的其他零件尺寸及尺寸偏差有關。從實際意義上講，軸承座上平面高度不一定能代表旋轉軸中心高，而旋轉軸的中心高才是真正意義的中心高。

2 傳統中心高檢測方法

2.1 傳統檢測方法

回轉窯質量檢驗工作者歷來受軸承座傳統中心高定義影響，一般都是把球面軸承座上平面（即哈夫面）高度作為軸承座中心高進行檢測。借助檢測平臺采用深度尺測量軸承座上下平面的距離，該距離視為軸承座中心高。

2.2 存在的問題

（1）中心高的定義說明傳統檢測方法不合理

軸承座球心所在位置未必在軸承座上平面，球心高于或低于軸承座上平面，因此采用傳統中心高檢測方法不合理。

（2）加工方法的分析表明傳統檢測方法不合理

軸承座的加工方法不外兩種：一是兩個軸承座合在一起同時加工，見圖1a；二是軸承座單獨加工，見圖1b。

圖1 軸承座加工方法

兩個軸承座合在一起同時加工，有可能存在刀具旋轉中心偏離兩個軸承座裝夾結合面，導致一個軸承座中心高于軸承座上平面，另外一個軸承座中心低于軸承座上平面。而且其中一個軸承座中心的偏離是另外一個軸承座中心的反方向偏離，即偏離量分別為+δmm和-δmm，偏離相差2δmm。中心高度差范圍為（-0.15-δ）mm～（0.15+δ）mm，最大中心高度差達到（0.3+2δ）mm。

軸承座采用固定中心高度的工裝通過等高鐵單件裝夾加工，有可能由于等高鐵磨損變形或等高鐵下未清理干凈，導致軸承座中心高低于預定的固定中心高度。這種加工方法的刀具旋轉中心高是固定的，導致的中心高誤差主要來源于等高鐵高度誤差。

在軸承座球面加工之前，軸承座的上下平面已經加工完成，此時的軸承座中心高（球心中心高）尚未確定，還存在上述多種影響中心高的不確定因素。只有當軸承座球面加工完畢后，軸承座中心高才真正被確定。

不同加工方法都可能導致軸承中心偏離軸承座上平面，因此以軸承座上平面的高度代表軸承座中心高的傳統檢測方法不合理。

3 軸承座中心高檢測方法研究

3.1 軸承座本體的檢測要素

（1）檢測基準和檢測尺寸

如圖2所示，借助平臺、自制軸承座高度標準架（高度h1為軸承座目標中心高）檢測，整個檢測過程與軸承座上下平面距離無關，即軸承座上平面距離、平面度和平行度都不影響中心高的檢測。

如圖2b所示，球面底部油槽使球面底部斷開，無法找到球面的最低點，增加了球心中心高的測量難度。油槽和球面一次性裝夾加工，即球心在油槽直徑的中心線上，因此能夠通過油槽間接測量球心中心高。

檢測要素為軸承座下平面（中心高的基準）、球面直徑和油槽直徑。相關檢測尺寸為油槽開檔距離D'、球面直徑Sd'（根據測量球面直徑Sd'可推算球面直徑相對于基本尺寸d的差值ΔSd'）、油槽底部深度h2、軸承座油槽底部最小厚度t。其中t（t=h1-h2）可以間接測量，見圖2b。

圖2 檢測基準和檢測尺寸

（2）軸承座球面直徑誤差對裝配中心高的影響，球面直徑都為正公差（如H8），公差帶較寬。球面直徑的大小將直接影響球面瓦的安裝高度。球面直徑與球面瓦直徑差異越大，球面瓦的安裝高度越低，因此球面是測量中心高的關鍵要素。ΔSd'對中心高的影響為高度降低0.5ΔSd'。

（3）軸承座的檢測尺寸關系

如圖3所示，H=t+R'，t=（h1-h2），油槽半徑R'約為0.5D'，則檢測尺寸幾何關系式為：

H=（h1-h2）+0.5D'

如考慮到軸承座球面直徑測量差產生的裝配中心高度降低量0.5ΔSd'，則中心高測算式為

圖3 測量尺寸關系圖

式中：

H——軸承座球心中心高，mm

h1——自制軸承座高度標準架高度，mm

h2——油槽底部深度，mm

D'——油槽開檔距離，mm

ΔSd'——球面直徑相對于基本尺寸的差值

（4）其他零件尺寸對裝配中心高的影響

式（1）是根據軸承座本身綜合影響安裝中心高因素確定的測算式。如圖4所示，如果再考慮除軸承座以外的其他零件尺寸（如球面瓦球徑、球面瓦內圓柱面直徑、襯瓦內外徑、襯瓦接觸處托輪軸徑）偏差產生的裝配中心高度降低量，影響最終裝配中心高的因素將更多。這些因素與軸承座本身的制造尺寸沒有任何關系。

圖4 軸承座裝配中心高

如圖4所示，軸承座裝配后存在4個中心高。只考慮軸承座本體存在中心高H，再考慮球面瓦球徑、球面瓦內圓柱面直徑存在中心高H'，再考慮襯瓦內外徑存在中心高H″，再考慮托輪軸徑存在中心高H?。中心高H?是最終軸承組裝配的中心高，是最有實際意義的中心高。

以理論中心高為720mm的某規格回轉窯軸承座為例，球面瓦外徑S?1 040h7，球面瓦內徑襯瓦外徑?680h9，襯瓦內徑?，與襯瓦接觸的托輪軸徑?620h7，襯瓦內徑比托輪軸直徑基本尺寸大1.24mm。則除軸承座本身外，球面瓦、襯瓦、托輪軸3個零件的5個尺寸允差對中心高可能的最大影響量為0.272mm。

球面瓦、襯瓦、托輪軸直徑的測量器具的精度為0.005～0.02mm，5個尺寸的測算測量誤差最大0.08mm，即尺寸理論影響量和測量精度對中心高的總影響量最大可能達到約0.35mm。

即便軸承座本身制造十分完美，其他零件對中心高最大可能的影響量已經超出了標準中對中心高度差IT10級公差（0.32mm）的規定。即便所用零件檢驗合格，軸承組裝配件兩端的軸承座中心高未必達到現行標準的要求。建議標準中同一托輪軸承組兩端的軸承裝配中心高度差公差等級要求由IT10降低為IT11，原公差0.32mm放寬到0.50mm，見表1。當同一托輪軸承組兩端的軸承裝配中心高度差公差等級降為IT11后，軸承座本身的球心中心高度差公差帶寬度可定為0.15mm（0.50～0.35mm）。

3.2 軸承座本體測量精度分析

（1）油槽開檔距離和球面直徑測量誤差

如圖5所示，由于軸承座的油槽不是完整的圓，只能在軸承座上平面測量油槽開檔距離D'，而不能測量到實際直徑D。如果球面中心偏離軸承座上平面，油槽開檔距離D'必然小于油槽實際直徑D。在油槽開檔處測量油槽直徑是否合理和準確，是球面中心高測量是否準確的關鍵。

圖5 球面中心偏離上平面示意圖

以某規格回轉窯軸承座為例，分析球面中心偏離上平面對測量精度的影響。軸承座的理論中心高為720mm，球面直徑為S?1 040mm，油槽直徑為?1 060mm，默認球面和油槽一次裝夾加工（即球心在油槽直徑中心線上）。

如圖5所示，假定軸承座球面中心偏離上平面-5mm（下偏離）～+5mm（上偏離）的油槽開檔距離D'兩種測量情況分析見表2。根據表2的分析數據表明，該例軸承座球面中心偏離上平面5mm的油槽開檔距離D'與油槽實際直徑D相差0.05mm，即把油槽開檔距離D'當成油槽直徑D固有測量差為0.05mm；偏離上平面2.5mm固有測量差僅為0.01mm。偏離越小，固有測量差減小就越明顯。

表2 ?1 060mm油槽直徑固有測量差分析（例）

球面直徑比油槽直徑稍小，因此在開檔處球面直徑固有測量差ΔD'（ΔD'=D-D'）可視為油槽直徑固有測量差。

（2）油槽底部深度測量精度

油槽底部深度h2采用深度游標尺借助自制軸承座高度標準架測量。精度為0.02mm的機械式游標卡尺由于受到本身結構精度和人的眼睛對兩條刻線對準程度分辨力的限制，其精度不能再提高［3］。因此油槽底部深度h2的測量最大誤差為0.02mm。

（3）測算精度分析與測算方法優化

根據式（1）和表2分析，油槽開檔距離D'測量誤差的一半（0.5ΔD'）影響中心高的測量精度。即該例中心偏離5mm時的油槽開檔距離D'的固有測量差0.05mm僅產生0.025mm的中心高測算誤差；如圖5所示，如果通過測量油槽開檔距離D'和上平面到油槽底部的深度h，能夠推算球心偏離量δ（δ=|h-0.5D'|），偏離量δ＜2.5mm的固有測量差可忽略不計。可以以δ是否＞2.5mm判斷是否忽略固有測量差。

球面中心高測算總誤差的組成部分為：（1）油槽直徑固有測量差；（2）球面直徑固有測量差；（3）油槽直徑測量器具誤差；（4）球面直徑測量器具誤差；（5）油槽底部深度測量器具誤差。

上述例中在球心偏離2.5mm時中心高測算誤差為：（1）油槽直徑固有測量差0.005mm（忽略不計）；（2）球面直徑固有測量差0.005mm（忽略不計）；（3）油槽直徑測量器具千分尺精度0.005mm；（4）球面直徑測量器具千分尺精度0.005mm；（5）油槽底部深度測量器具深度游標精度0.02mm。則中心高總測算可能的最大誤差為0.04mm。該例裝配中心高可能的最大測量誤差約為0.12mm（0.08+0.04mm）。

根據球心偏離量δ并借助CAD繪圖軟件測算出球面直徑固有測量差ΔD數值（如表2的測算值），中心高的測算可能的最大誤差將進一步減小。為了減小固有測量差對測算的影響，式（1）可以進一步優化成下列關系式

H=（h1-h2）+0.5（D'+ΔSd'±ΔD） （2）

式中±ΔD為固有測量差（上偏離取+ΔD，下偏離取-ΔD）。

根據中心高的測量結果確定同一軸承組的中心高配對和返工，以達到標準規定的要求。

（4）檢測方法可行性分析

表1是GB/T 1800.2-2009《產品幾何技術規范（GPS）極限與配合第2部分：標準公差等級和孔、軸極限偏差》[4]中表1的摘錄。對照表1可知常規回轉窯軸承座中心高在500～800mm范圍內IT10級公差，允許的中心高允差在0.28～0.32mm范圍內。

從使用角度和制造角度出發，測算總誤差在0.15mm以下不影響軸承座的質量控制，能夠基本滿足回轉窯軸承座球面中心高檢測要求。

4 軸承座本體中心高度差配對方法

4.1 球心中心高度檢測的最終目的

上述檢測方法是通過測量單個軸承座的中心高判斷是否符合某一高度要求。檢測單個軸承座的中心高度也不是最終的目的，根據中心高度差進行配對和返工能夠提高配對精確性，也是執行標準的最有效措施。

4.2 球心中心高度差檢測配對的簡化方法

如圖6所示，軸承座球面中心高度差檢測只需測量兩個數據：輔助測量架上平面到油槽底部最大距離H1、油槽深度H2。輔助測量架制作高度要求以不妨礙測量和深度尺的量程范圍為宜，高度盡量小。

圖6 中心高度差的測量

油槽寬度一般＜140mm，使用尺框測量面長度為150mm[5]的深度卡尺可以測量油槽中部深度。油槽寬度設計尺寸太寬將影響油槽深度H2測量器具的選擇，因為深度尺尺框測量面最大長度不超過150mm[5]。

表3是一個批次12個軸承座的中心高度差檢測配對表，通過對軸承座的中心高度差配對檢測的判定，能夠有效控制同一軸承組兩端軸承座的中心高度差。可以對批量生產庫存的同規格回轉窯軸承座的ΔH值進行統計分析，隨時進行軸承組配對裝配。

可以通過以下步驟進行中心高配對（假定同一軸承組兩端軸承座球心中心高度允差為0.15mm）：

表3 某規格回轉窯軸承座（理論中心高度720 mm）配對表（示例）

（1）如圖5a所示，采用深度游標借助固定高度輔助測量架和平臺測量輔助測量架上平面到油槽底部最大距離H1。

（2）如圖5b所示，采用尺框測量面長度相同的深度游標在油槽中間位置測量油槽深度H2，并注意尺框測量兩端擱置長度相等。

（3）計算測量尺寸差ΔH（ΔH=H1-H2），見表3。

（4）將尺寸差ΔH數值按由小到大或由大到小的順序排列，見表3。

（5）計算ΔH最相近的差值（即中心高度差Δh），并根據允差要求進行軸承座的配對，見表3。

（6）對中心高度差Δh不符合允差配對要求（＞0.15mm）的軸承座底面進行返工后再配對，如表3中9號和12號軸承座中心高度差0.17mm，需對9號軸承座進行返工才能與12號軸承座配對，見表3。

尺寸差ΔH越大中心高越小，ΔH越小中心高越大，因此應對ΔH較小的軸承座進行返工配對。

4.3 軸承組件中心高度

同一軸承組裝配后的兩端托輪軸中心高度的測量難度很大，目前未發現有合理的測量方法。只有通過各零件相關尺寸的間接測量推算裝配中心高，進而推算同一軸承組兩端的組件中心高度差。

5 結語

（1）標準需增加軸承座中心高的術語和定義，并根據定義明確技術要求。

（2）影響軸承座裝配高度的零件除軸承座本體外還包括球面瓦、襯瓦、托輪軸，軸承座本體中心高不代表裝配中心高。

（3）通過油槽直徑測量、球面直徑測量、油槽底部深度測量，可以測算回轉窯軸承座球心中心高。

（4）可通過簡易測量方法直接進行同一軸承組兩端軸承座本體中心高度差的配對。

（5）檢測方法不僅可以用于軸承座本體的中心高合格檢驗，而且可以通過檢驗對中心高作出修復的判斷，還可以通過檢驗進行同一軸承組軸承座本體中心高的配對。

（6）測量方法彌補了GB／T 3299-2016《水泥工業用回轉窯》國家標準中軸承座本體中心高的檢測方法不明確的問題，為標準修訂提供參考依據。

（7）測量方法對回轉窯軸承座本體中心高的檢測和制造具有指導意義，也為軸承座裝配中心高的測算提供了理論依據。