高承載雙列推力圓柱滾子軸承的優化設計

王朝峰，王朋偉，劉高杰

（1. 洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039； 2. 航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

1 前言

隨著我國經濟的快速發展，各工業企業正在進行產業升級，機器設備的工作能力不斷提高，相應地對軸承的承載能力要求也提高了，傳統的軸承已不能滿足現在的工況要求。推力圓柱滾子軸承多用于軋機壓下機構、鉆機等重型工程機械上，需承受較大的軸向載荷。推力圓柱滾子軸承由軸圈、座圈、保持架和圓柱滾子組成。GB/T 4663-2017 《滾動軸承 推力圓柱滾子軸承外形尺寸》和 JB/T 8211-2005 《滾動軸承 推力圓柱滾子和保持架組件及推力墊圈》對推力圓柱滾子軸承外形尺寸及保持架組件及推力墊圈的結構形式、尺寸等做了規定。圓柱滾子在軸圈和座圈之間轉動，其實際轉動是存在滑動的現象，且是一直存在的。對于單向推力圓柱滾子軸承，JB/T 8211-2005《滾動軸承 推力圓柱滾子和保持架組件及推力墊圈》 僅給出推力墊圈及保持器的尺寸，對滾動體未做要求，而設計時為了提高軸承的額定載荷，通常選用長度較大的滾動體。較長的滾動體兩端的線速度差別較大，轉動中滾動體發生打滑現象較嚴重，滾動體與套圈滾道磨損，溫升較高，影響軸承運轉穩定性，進而降低軸承的使用壽命[1-5]。

2 推力軸承結構

目前傳統的推力圓柱滾子軸承是由軸圈、座圈、滾動體、保持器組成，為改善滾動體內外兩端的線速度差，目前多采用雙排滾動體組合，其結構如圖 1 所示。

圖1 推力圓柱滾子軸承結構

推力圓柱滾子軸承其保持器通常為內外兩件黃銅實體保持器，滾動體裝入后，由螺釘通過外側保持器外徑將兩件保持器鎖緊，即可完成滾子及保持器的裝配, 見圖 2。

圖2 滾子保持器組件局部視圖

從上圖可以看出，雙排圓柱滾子圓周布置在座圈和軸圈之間，為改善滾動體與套圈滾道之間的接觸狀態，雙排滾動體也可用直徑相同長短不一的滾動體交錯排列。在設計時通常通過增大滾動體直徑、長度和增多滾動體數量的方式來提高軸承承載能力。在靠近保持架內徑的地方受材料強度限制，兩相鄰兜孔之間的距離不可能再進一步減小，也就是說不可能再通過進一步地增大滾動體直徑或增多滾動體數量的方式來提高軸承承載能力。但在靠近保持架外徑的地方兩相鄰兜孔間的距離明顯大于靠近保持架內徑的地方，該部分空間未被充分利用[6]。

3 軸承優化設計

為充分利用推力圓柱滾子軸承內部的空間，進一步提高軸承承載能力, 根據推力圓柱滾子軸承中滾動體布置位置對其進行優化布置，從而提高軸承空間的利用率，提高軸承承載能力。提出兩種優化方案：1、內外兩側分別均布式設計; 2、球柱組合式設計。

3.1 內外兩側分別均布式

內外兩側分別均布式是指在軸承座圈和軸圈之間，滾動體布置為內外兩側兩列均布，如圖 3所示。

圖3 內外兩側分別均布式設計

從圖中可以看出，將軸承內部空間分為內外兩側，將滾動體分別均布，其保持架為整體式結構，其上內外兩側布置有方形兜孔，安裝時滾動體裝在保持器方形兜孔內，在保持器上下兩端面兜孔中部兩側鑿印鎖緊滾動體，保證滾動體不掉出。設計時座圈與軸圈之間的距離為滾子直徑，而滾子長度要考慮保持器相鄰兩兜孔之間的距離，確保保持器強度，由于內側一列空間位置有限，內側一列可適當減短滾動體長度，以確保保持器相鄰兩兜孔之間的強度。

3.2 球柱組合式

球柱組合式是指在軸承座圈和軸圈之間，滾動體采用圓柱滾子和鋼球進行排列布置。通常采取內外兩側兩列均布，由于內側一列布置滾動體時空間位置受限較多，采用鋼球和圓柱滾子交錯均布，如圖 4 所示。

圖4 球柱組合式設計

球柱組合式中，鋼球直徑和圓柱滾子直徑是相等的，其保持架為整體式結構，其上布置有三種兜孔形狀：方形長兜孔、方形短兜孔、圓形兜孔。 兜孔布置位置大致如下：多個方形長兜孔沿圓周均布；相鄰兩個方形長兜孔之間外側一列布置方形短兜孔，內側一列布置圓形兜孔；兜孔數量根據實際空間位置確定。方形長兜孔的長度為方形短兜孔長度的兩倍，裝配時長兜孔內放置兩個圓柱滾子。 滾動體裝配后, 在保持器上下兩端面兜孔中部兩側鑿印鎖緊滾動體，保證滾動體不掉出。

4 結論

為適應較大載荷的工況，結合雙列推力圓柱滾子軸承的結構特點，針對保持器結構及滾動體布置方式，提出內外兩側分別均布式和球柱組合式兩種優化方案。 優化后軸承充分利用軸承內部的空間，不僅能提高軸承的承載能力，還可以改善因滾動體長度較長，滾動體內外線速度不一導致的回轉不平穩現象。 與同尺寸的傳統推力圓柱滾動體軸承相比，其額定載荷有了大幅度的提高，具有承載能力高、結構緊湊、回轉穩定性好、使用壽命長的特點；且座圈、軸圈可與一般推力圓柱滾動體軸承通用，這可大大提高軸承的使用范圍。