大尺寸圓錐滾子3MZ4250球基面磨床支承結構的改進

李靜，趙文龍，郭建輝，李巖，柴靈芝

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.洛陽聚英精密機床有限公司，河南 洛陽 471039）

我國風電產業近年來發展迅速，風電行業整機容量越來越大，風電軸承尺寸越來越大，滾動體也向大尺寸方向發展。目前，風電軸承常見類型為圓錐滾子軸承，采用斜擋邊與球基面滾子的結構，既要承受高的徑向載荷，還要承受軸向載荷。因此，軸承在工作過程中，滾子大端球基面與內圈擋邊的接觸狀態對潤滑、接觸應力、疲勞磨損以及使用壽命等均有重要影響。圓錐滾子球基面的尺寸一致性及端面跳動是滾子的重要技術指標，通過現有3MZ4250球基面磨床難以滿足風電軸承大尺寸圓錐滾子球基面的精度要求，故有必要對現有設備進行改進。

1 存在的問題

現有3MZ4250 圓錐滾子球基面磨床加工范圍為：工件直徑16～50 mm，工件長度20～70 mm［1］。

1.1 球基面磨削原理

球基面磨削的基本原理如圖1所示，滾子外徑面定位在磁盤外圓表面上，磁盤磁力驅動工件旋轉，筒形砂輪往復式（范成法）磨削球基面。滾子軸心線與砂輪軸心線在同一平面相交，并繞各自軸心線旋轉，工作時兩者軸心線夾角為［2］

圖1 圓錐滾子球基面磨削原理圖Fig.1 Grinding diagram of spherical reference surface of tapered roller

式中：r為砂輪平均半徑；R為滾子球基面曲率半徑。

圓錐滾子球基面磨削時的滾子定位圖如圖2所示，支承固定在支承座上，滾子外徑面通過支承實現徑向定位；滾子小端通過頂尖實現軸向定位。

圖2 圓錐滾子球基面磨削時滾子定位圖Fig.2 Positioning diagram of roller during grinding of spherical reference surface of tapered roller

1.2 問題分析

上述范成法加工工裝簡單，易于調整，具有較強的工藝性能和加工能力，適應于多品種、小批量的高精度滾子加工。但大功率風電軸承大尺寸圓錐滾子直徑為50 ～ 150 mm，長度為50～150 mm，采用原設備磨削加工時存在以下問題：

1）由于支承座尺寸有限，2個支承塊不能放置在滾子兩端合適位置，導致滾子定位不穩定，跳動幅度及振動大［3］。

2）2個支承塊對滾子外徑面無心定位，原支承（圖3）上鑲嵌的硬質合金塊為方形，支承面為平面，支承面的平面度誤差和鑲嵌槽加工誤差疊加后，支承面與滾子外徑面的接觸可能由線接觸變為點接觸，導致滾子定位不穩定，滾子外徑面出現嚴重劃傷甚至燒傷。

圖3 改進前支承結構Fig.3 Structure of support before improvement

為降低設備投入成本，通過分析滾子球基面磨削原理及磨床結構，對磨床定位工裝進行改進，以提高滾子在磨削過程中的定位穩定性，進而滿足圓錐滾子球基面曲率半徑、端面跳動、表面粗糙度等技術要求［4］。

2 改進措施

2.1 改進支承結構

由于滾子尺寸較大，質量大，需提高支承力才能提高滾子球基面的加工精度，保證球基面曲率半徑的散差以及端面跳動，在增大支承尺寸的同時還要保證滾子外徑面不出現劃傷、燒傷等缺陷。為提高支承塊整體剛性，對支承塊進行改進設計（圖4）：

圖4 改進后支承結構Fig.4 Structure of support after improvement

1）在滿足支承不與其他部件干涉的情況下，增大支承尺寸。

2）將硬質合金面由方形改進為圓柱形，如圖5所示，為提高滾子與磁盤的作用力，需保證支承面與磁盤方向呈一定夾角α。α越大，磁盤吸力越大［5］。

圖5 改進后支承與滾子的定位示意圖Fig.5 Positioning diagram of support and roller after improvement

改進后支承結構的優點：

1）滾子外徑面與支承面由點接觸變為線接觸，接觸面積增大，支承力增大，避免了點接觸引起的燒傷，減小了滾子因磨削力較大導致的跳動，提高了滾子加工后端面跳動的一致性。

2）可通過調整α增大滾子與磁盤的作用力，使磁盤穩定驅動滾子旋轉，提高滾子的運轉平穩性，進而提高滾子球基面加工后端面跳動的一致性及合格率。

2.2 增大支承座安裝槽位置尺寸

支承座配合磁極實現滾子在x，y，z方向定位，為提高支承座剛性，需增大支承座整體尺寸。由于滾子尺寸大，質量大，2 個支承塊支承力較大，支承安裝槽（圖6）上部的梁易發生變形，為保證滾子加工過程中不因梁的變形引起滾子支承不穩定，影響球基面的加工精度，需增大支承座安裝槽位置尺寸A（A≥5 mm）。

圖6 支承安裝槽位置示意圖Fig.6 Position diagram of installation groove of support

3 實際加工效果

選擇某型風電軸承大尺寸圓錐滾子（大端直徑為133.7 mm，長度為153.7 mm， 小端直徑為128.118 mm），隨機抽取采用改進支承加工的同批次10 粒滾子，滾子的球基面曲率半徑、端面跳動、表面粗糙度檢測結果見表1，各項指標均滿足技術要求，且滾子外觀檢驗均合格，說明改進支承結構的3MZ4250球基面磨床能滿足風電軸承大尺寸圓錐滾子的加工需求。

表1 改進支承后加工的風電軸承大尺寸圓錐滾子球基面技術指標Tab.1 Technical specifications for spherical reference surface of large size tapered roller of wind turbine bearing after improvement of support