高频振动压路机轴承方案

　　摘　要：面对大冲击载荷、高加速度和高温等恶劣工况，轴承方案的确定是高端高频振动压路机产品开发的关键所在。LSL和ZSL系列低摩擦圆柱滚子轴承具有承载能力高、极限转速高、摩擦力矩小等特点，可满足高频振动压路机的上述工况。利用对高频振动压路机实际工况的数字仿真，给出了优化的轴承方案，并已通过强化试验，顺利实现国内首台频率大于60Hz的高频振动压路机的研制。
　　关键词：滚动轴承；高频振动；压路机；数字仿真
　　超薄路面的流行，让串联式高频振动压路机成为压路机械中的领军设备。2004年3月底，在德国新慕尼黑展览中心举行的bauma 2004展览中，展出了大量新型高频振动压路机，再一次佐证了这种设备的重要地位^[1]。在2009年年底前，振动频率大于60Hz的压路机完全被国外几家知名生产厂家垄断，如DYNAPAC、SAKAI等。国内厂家开发高频振动压路机需要解决的一个关键问题就是如何选择合适的振动轴承，因为振动频率的提升对轴承性能提出了更高的要求。
　　1　高频振动压路机轴承应用工况
　　此次开发的双钢轮振动压路机Z高频率达到67Hz，一个钢轮内的两个偏心块分别有两个轴承支承，可达到较大的激振力。轴承要在较大载荷的情况下高速运转（转速大于4000r/min），且散热条件不好，轴承的工作温度比较高，良好的润滑方式和合适的润滑油类型及黏度是保证轴承正常运转的前提。
　　设计时要让尽可能多的润滑油进入轴承内部，提供润滑并散热。常用的润滑油如GL-5重型齿轮油，同一牌号的油，其合格的黏度范围较宽，需要压路机厂家向润滑油供应商提出自己的实际需求。
　　2　典型的轴承方案
　　2.1 振动轴承的种类
　　舍弗勒公司适用于振动机械的轴承主要有以下3大类：
　　特殊设计的调心滚子轴承（带后缀T41A或T41D），简称SRB，适合重载、低转速的工况，见图1。 　　NJ23系列的圆柱滚子轴承（带后缀MP1A或QP51等），简称CRB，适合中等载荷、较高转速的工况，见图2。 　　低摩擦圆柱滚子轴承（LSL和ZSL系列），简称CRB，适合重载、高转速的工况，见图3。 　　针对本次开发的高频振动压路机的轴承应用工况，为满足重载、高速、高加速度等要求，选择低摩擦圆柱滚子轴承。
　　2.2 低摩擦圆柱滚子轴承的性能特点
　　半浮动的低摩擦圆柱滚子轴承LSL系列和ZSL系列，外圈有两个固定挡边，内圈有一个固定挡边，主要性能特点如下：
　　（1）LSL系列轴承带实体黄铜盘式保持架，ZSL系列轴承带隔片式保持架。
　　（2）滚子间距很小，具备高径向承载能力，同时可以承担一部分轴向载荷。
　　（3）独特的保持架结构设计，使得轴承在高转速下也能保持极低的摩擦转矩。
　　（4）可以选择内圈滚道带冠状修形的结构，后缀BIR，调心角度Z大可达0.2°。
　　（5）轴承运转时Z大径向加速度可达550m/s²。
　　3　数学模型
　　根据该型高频振动压路机轴承的布置形式和受载情况，初步选择轴承LSL192316-BIR-A-C4，基本技术参数如下：额定承载能力C_r=475kN，极限转速n_G=8300/min，内圈滚道修形，C4游隙。利用舍弗勒公司自主开发的BearinX软件，建立轴系数学模型，见图4。通过输人相应的工况参数（载荷、转速、时间比例、工作温度、润滑油黏度、污染等），对高频振动压路机轴承的实际工况进行模拟，利用BearinX软件专业的轴承分析功能，对此轴承方案进行动态仿真，校验轴承的各项性能指标。 　　4　仿真计算
　　BearinX软件能够输出包括轴系挠曲变形、轴承内外圈滚道和滚子的应力分析、轴承当量载荷、安全系数、轴承游隙变化、计算寿命等多种数据，为轴承选型和周边结构设计提供全方面的参考。
　　4.1 确定轴承所需的调心能力
　　在高频振动压路机的制造和安装过程中，各轴承座孔之间存在一定程度的不对中；在运转过程中轴系会产生一定程度的挠曲变形。这些都要求轴承具有一定的调心能力，如果调心能力不够，在轴承内部就会产生过大的边缘应力，造成轴承早期失效。图5显示了在额定工况载荷下轴系的挠曲变形情况，分析可知，轴系挠曲产生的轴承偏斜角度为0.35mrad。图6显示了进一步考虑轴承座孔不对中对轴承偏斜角度产生的影响。在参数分析过程，轴承座孔的不对中程度是通过轴承2相对于轴承1的中心偏移量来体现的，分析目标是轴承1的偏斜角度。如果有0.11mm的不对中，轴承偏斜角度就达到了0.87mrad。普通的LSL系列轴承，调心能力为3′，即0.87mrad。也就是说，当不对中程度大于0.11mm时，就需要调心能力更高的轴承（带后缀BIR），其调心角度Z大可达0.2°，即3.40mrad。

　　4.2 确定合适的轴承游隙
　　游隙选择的合适与否，对轴承的使用寿命长短甚至是否能够正常运转有很大的影响。本例中，初步选择C4游隙，根据应用工况，推荐轴的公差为m6，轴承孔座的公差为P6，由于轴承内外圈的紧配合，安装后游隙肯定会小于初始游隙。在轴承运转过程中，温度升高且内圈温度大于外圈温度，受温胀变形影响，内部游隙进一步减小，稳定时的内部游隙即为工作游隙。为校核C4游隙是否满足使用要求，主要考虑轴承内外圈的温度差。假定在工作过程中轴承外圈温度为90℃，对轴承工作游隙和轴承修正寿命受内圈温度影响做参数分析，曲线见图7。由图7可以看出，随着温度差的增大，工作游隙减小，轴承寿命增大。但为了保证轴承在运转过程中不被卡死，工作游隙要大于0，从曲线上还可以看出，只要工作中温度差不大于30摄氏度，C4游隙能够满足使用要求。

　　4.3 选择合适的润滑油黏度
　　在选择润滑油时，需要根据轴承的平均直径d和转速n来确定参考黏度v_1，而轴承在正常工作温度下黏度值为工作黏度v，它们之间的比值k=v/v₁，推荐为2～4，可以使得润滑油实现良好的弹性流体润滑。查相关资料可得出该轴承所需润滑油的参考黏度V₁=7mm² /s，则口值应为14～28mm²/s。需要根据正常工作温度来确定合适的润滑油黏度。例如，选择v₁₀₀=17.8 mm²/s（温度为100℃时，润滑油的黏度值)的矿物油，图8显示了其工作黏度随工作温度的变化曲线，当工作温度超过110℃时，该润滑油的工作黏度小于14mm²/s，就会造成润滑不良。由于散热条件不好，Z高工作温度可能达到120℃ ，就需要更高黏度的矿物油或黏温系数更小的合成油。

　　5　结论
　　根据仿真计算的结果，舍弗勒公司提供了包括轴承型号、润滑建议、配合选择与安装方式的一整套轴承方案。此后，场地强化试验的成功验证了该轴承方案的可行性与正确性，表明该方案完全适应高频振动压路机恶劣工况的要求。国内振动压路机厂家通过合作研发，掌握轴承的关键应用技术，可以加速自身产品升级或实现高端产品的自主研发。
　　参考文献
　　[1]熊燕舞,赵娟.高频振动压路机-振幅和频率搭配的艺术[J].交通世界,2005(1):79.