起吊設備繩輪用雙列滿裝圓柱滾子軸承的優化設計和應用技術

易 帥

（洛陽巨創軸承科技有限公司，河南 洛陽 471000）

1 前言

起重設備是一種空間運輸設備，完成重物的移動，繩輪是起重設備中的主要零部件。單個繩輪及繩輪軸承安裝結構如圖 1 所示，軸承安裝在繩輪內孔中，兩側用止動環固定。鋼纜纏繞在滑輪槽內， 起重設備工作時， 重物重量由鋼纜承受，因此物體重量通過鋼絲繩和滑輪直接傳遞給軸承。繩輪軸承空間結構緊湊，但由于其工況特殊，需要軸承能承受較大的徑向載荷，同時還可承受雙向軸向載荷。為提高其使用壽命，減少維護，通常需要軸承兩側自帶密封結構[1-3]。

圖1 起吊設備繩輪結構

2 繩輪軸承結構

通常繩輪軸承為 NNF 雙列滿裝圓柱滾子軸承, 結構如圖 2 所示，由一個雙滾道外圈、兩個單滾道內圈、兩個端面密封、若干圓柱滾子和一個鎖緊環組成，雙滾道外圈外徑上帶有兩個安裝軸向定位止動環的止動槽。通常繩輪軸承內圈比外圈寬 1mm[4]。

圖2 繩輪用雙列滿裝圓柱滾子軸承結構

軸承裝配時，外圈、內圈、滾子和密封組裝好后，由鎖緊環將兩個內圈圓周方向鎖緊，防止軸承散套，同時還要保證鎖緊環與軸承內圈不產生相對旋轉，從而防止兩個零件上的油孔錯位。

3 出現的問題

3.1 軸承制造問題

由于繩輪軸承特殊的結構，其內圈由兩個單滾道內圈組成， 軸承裝配后為防止兩內圈分開，通常用鎖緊環將兩個單滾道內圈圓周方向鎖緊。

鎖緊方式主要有兩種，一種是由通用 65Mn等彈簧鋼材料制造的彈性鎖緊環進行鎖緊，鎖緊環尺寸比內圈槽口的尺寸略大，有開口，通過彈性變形扣入內圈的環形槽中，從而起到鎖緊兩內圈的目的。但是由于鎖緊環淬火后變形較大，尺寸難以控制，往往會導致鎖緊環與軸承內圈產生相對旋轉，使兩個零件上的油孔產生錯位。而且鎖緊環彈性有限，在搬運、運輸和安裝過程中經常會出現軸承散套。另一種是由環形薄鋼板通過專用模具將薄鋼板兩端擠壓在內圈內徑的環形槽內，將兩內圈鎖緊。但此方法需要專業模具，不同尺寸軸承模具不同，且沖壓力、沖壓深度全靠人工掌握，可靠性低， 經常出現軸承散套的情況，更重要的一點是沖壓過程中鎖緊環容易出現橢圓變形，如圖 3 所示，嚴重的會引起鎖緊環凸出內徑面，導致無法安裝。

圖3 鎖緊環變形凸出內徑

3.2 軸承安裝問題

軸承外徑與繩輪內徑為過盈配合，用戶通過壓力機將軸承壓入繩輪內孔。軸承在壓入滑輪內孔時，若操作時軸承與繩輪發生傾斜，通過壓力機強行壓入時，軸承的倒角起不到壓裝引導作用，歪斜的軸承外徑倒角將滑輪內徑啃傷掉塊，如圖 4 所示，如果傾斜嚴重甚至可將滑輪撐裂。

圖4 軸承安裝時繩輪內徑擦傷

另外，軸承壓裝時，壓力機通過模具或墊塊與軸承端面接觸，其安裝示意圖如圖 5 所示。

圖5 繩輪軸承壓裝過程

由于軸承內圈比外圈寬 1mm，壓裝時上作用力作用在內圈上，未接觸外圈，然后通過第一列滾動體將力傳遞到外圈，外圈擋邊再通過第二列滾動體將力傳遞到另一內圈。滾動體在壓裝過程中傳遞了壓裝力，此現象應極力避免。另兩內圈在安裝過程中均受壓裝力，兩內圈的作用力會使鎖緊環脫開而無法復原，甚至導致軸承散套。

3.3 軸承使用過程中問題

軸承使用時主要易出現以下不良狀況：

（1）軸承與繩輪傾斜，軸承端面密封圓周方向會有部分密封與套圈脫開，且在提升重物受力時傾斜嚴重，密封脫開變大，如圖 6 所示，繩輪軸承端面密封出現漏脂現象。

圖6 軸承端面密封漏脂

（2）繩輪軸承傾斜或兩列游隙相差較大，會出現軸承偏載受力，有一列滾動體受力較大。兩列滾動體轉速不同可能會引起兩內圈錯位或相對運動，造成鎖緊環松動等問題，從而導致軸承早期失效。

（3）軸承安裝時通過滾動體受力，容易引起滾動體和擋邊出現損傷，兩內圈受力會造成兩內圈之間的鎖緊環鎖緊裝置松動，嚴重的會在軸承工作時導致軸承散套。

（4）安裝后軸承外徑兩側與繩輪過盈量不同，造成整套軸承內徑橢圓，軸承內孔安裝在銷軸上時較困難。

4 軸承的優化設計

從雙列滿裝圓柱滾子軸承的結構，結合軸承實際加工及用戶安裝使用情況，對軸承密封結構進行優化。通過密封結構的軸向定位取消了兩內圈之間原有的鎖緊環聯結，并對繩輪軸承的安裝方式進行改進，降低加工及安裝難度，提高軸承的使用壽命。

4.1 軸承結構優化

根據繩輪軸承使用情況及繩輪軸承的結構，主要從軸承密封結構及通過密封軸向定位對兩內圈聯結方式進行優化改進。

繩輪軸承雙側均帶密封，密封位于內圈擋邊與外圈滾道之間。常見的密封為橡膠密封結構，如圖 7 所示。

圖7 繩輪軸承常見密封結構

骨架式橡膠密封，骨架與外圈滾道過盈配合，密封唇與內圈擋邊接觸，橡膠內的骨架使密封具有較好的剛性。一體式橡膠密封，密封唇與外圈滾道接觸，橡膠密封內徑的凸出安裝在內圈擋邊的密封槽內，密封為一體式結構，具有較低的成本，其材料顏色若為淺色，也可觀察軸承內部情況。兩種結構密封均由密封唇與軸承套圈接觸起到密封效果，當軸承內外的溫差、壓力差較大或軸承安裝傾斜時，在軸承提升重物工作時會出現漏脂現象。

為減少軸承傾斜、內圈聯結對密封效果的影響， 對密封結構進行改進， 采用鋼制擋圈式密封，如圖 8 所示。

圖8 優化后的繩輪密封結構

鋼制擋圈式密封由密封擋圈和密封卡簧組成，密封擋圈外徑面和軸承外圈滾道相對應處均設置有密封環形槽，密封卡簧為開口式正多邊形結構，安裝在密封擋圈和外圈滾道的密封槽內，正多邊形密封卡簧一部分卡在外圈槽內，一部分卡在密封擋圈槽內，進而將兩者聯結在一起[5]。正多邊形密封卡簧、外圈和擋圈密封槽的具體參數可根據文獻[5]計算。

軸承內圈擋邊及密封擋圈內徑處均設計成臺階狀，兩臺階相互貼合，其貼合處徑向和軸向均存在一定的間隙，從而形成簡易迷宮密封，其間隙根據軸承尺寸依照機械設計手冊迷宮密封間隙設計[6-7]。

4.2 內圈聯結方式優化

繩輪軸承裝配時用鎖緊環在軸承內徑處將兩個單滾道內圈圓周方向鎖緊，鎖緊時需要專業模具伸入軸承內徑處，將鎖緊環兩側擠壓在內圈鎖緊槽內。 實際操作時沖壓力、 沖壓深度全靠人工掌握，可靠性低，經常出現鎖緊環變形，工作時兩內圈相對轉動引起鎖緊環松動，甚至軸承散套的情況。

由于鋼制擋圈式密封中密封卡簧將軸承外圈和密封擋圈聯結在一起，而密封擋圈上的臺階和內圈擋邊上的臺階相配合，起到軸向和徑向限位的作用，擋圈式密封裝配進而可間接地將軸承兩內圈聯結在一起。

針對改進后密封結構可間接聯結兩內圈這一特征，將兩單滾道內圈改為“裂紋吻合型”聯結。所謂裂紋吻合型聯結就是：內圈在裝配之前是按雙滾道內圈進行加工，在軸承裝配時通過液壓或其他設備，沿內圈對稱中心線將內圈圓周撐裂或拉裂，變成兩個單滾道內圈，然后將兩單滾道內圈沿斷裂處的裂紋相互吻合裝配。其內圈結構如圖 9 所示。

圖9 優化后的軸承內圈結構

為使內圈圓周撐裂時簡單易操作，如圖 9所示， 在兩滾道之間中擋邊中部圓周方向設置一“V”形槽，與之相對的內圈內徑處同樣有一“V” 形槽， 兩“V”形槽的中心線與內圈的中心線重合，槽深應保證：兩“V”形槽槽底之間的距離在 2 ～ 3mm?！癡”形槽中部圓周方向均布 4 個或 6 個油孔，在內圈圓周撐裂時，通過“V”形槽中的油孔，將雙滾道內圈沿“V”形槽槽底圓周撐裂或拉裂，從而成為兩個單滾道內圈。

此內圈聯結方式，在軸承裝配后，兩半內圈沿斷裂處的裂紋相互吻合后，利用裂紋的無規則性，裂紋吻合會阻止兩內圈發生相互轉動，起到定位的作用。但內圈裂紋聯結是基于軸承密封結構對兩內圈軸向限位、間接聯結的前提下，若采用其他密封結構還需考慮內圈裝配限位的問題。目前采用此密封結構及內圈聯結方式的軸承已在某單位 1 600T 全地面起重吊滑輪上得到應用。

5 軸承的應用技術

5.1 軸承安裝

由于軸承內圈比外圈寬，原壓裝時模具與內圈端面接觸，壓裝力通過內圈、滾動體傳遞，為避免此現象，對安裝模具進行改進。改進后的繩輪軸承安裝過程如圖 10 所示。

圖10 改進后的軸承壓裝過程

對壓裝用模具進行改進，使模具壓裝時避開軸承內圈端面，直接與外圈端面相接觸，只通過外圈受力將軸承壓裝到繩輪內孔中。通過壓裝模具的改進， 可避免壓裝過程中滾動體、 內圈受力，且對軸承密封及內圈的聯結件均無影響，保證了軸承的可靠性。

5.2 軸承配合

繩輪軸承外圈與繩輪過盈配合，內圈裝在銷軸上為間隙配合，工作時外圈旋轉，不同的軸承尺寸及繩輪材質，軸承應該選用不同的配合，配合選擇如表 1 所示：

表1 繩輪軸承與軸和孔的配合

5.3 游隙選擇

不同軸承尺寸及不同繩輪材質，軸承與繩輪裝配后過盈量對軸承游隙影響不同。根據繩輪材質及軸承尺寸不同其游隙可按表 2 選取：

表2 繩輪軸承徑向游隙組別

6 結束語

密封型雙列滿裝圓柱滾子軸承廣泛應用在起重設備繩輪上，由于其特殊的結構，內圈需要緊固聯結，在軸承加工裝配、用戶安裝使用過程均易出現問題從而影響軸承壽命。本文針對軸承結構及安裝使用中出現的問題，對兩內圈聯結方式、軸承端面密封等進行了優化改進，降低了軸承加工難度；改進了繩輪軸承的安裝過程，避免因安裝不當造成軸承的早期失效； 另介紹了軸承與繩輪及軸的配合和軸承游隙的選擇。通過這些措施，保證軸承的使用可靠性，提高了軸承的壽命。