调心滚子轴承技术发展及特点

　　1　前言
　　调心滚子轴承以其承载能力高，抗振性能好，且可以补偿由于加工、安装以及轴的变形引起的同心度误差，而被广泛地应用于钢铁、造纸、海运、电力、工程机械等行业的炼钢转炉、连铸机械、造纸机械、提升机械、减速机、振动筛、破碎机等机械设备中。随着近几年对调心滚子轴承的不断研究和优化，调心滚子轴承的设计加工技术得到了飞速发展，其性能也有了很大的提高。尤其是Z近几年，调心滚子轴承从内部结构到使用材料上都进行了较大的改进。钢材的改善和加工制造精度的提高，采用滚子与滚道接触的等应力设计、滚子自引导设计，以及内部宏观几何结构改变一采用对称滚子、取消中隔圈、加大滚子直径和长度、增加滚子个数，使得调心滚子轴承的寿命比Z初延长了约六倍，极限转速提高了近三倍。
　　2　调心滚子轴承的技术发展过程
　　2.1 带固定中挡边的调心滚子轴承
　　调心滚子轴承的设计概念始创于1902—1911年之间，当时涉及的是单列调心滚子轴承，1912年发明了种单列调心滚子轴承，它的内圈带有两个固定挡边，SKF公司于1920年研制了种真正意义上的调心滚子轴承，其结构特点是采用非对称球面滚子和内圈固定中挡边（见图1），这种结构型式成为调心滚子轴承后来发展的起点，但是由于滚子的非对称性使滚子大端紧靠固定中挡边，而中挡边起引导滚子的作用，因此该结构在应用中存在以下固有缺陷： 　　①当承受轴向载荷时，轴承内部会不同程度地产生应力集中，极不利于轴承的长寿命；
　　②滚子大端面与固定中挡边间的接触区是滑动接触，难于实现弹流润滑而易出现该区域的滑动咬合故障；
　　③由于是非对称滚子，内圈压力角小于轴承接触角，这就会产生一个滚子轴向分力，使滚子推向固定中挡边，通过固定中挡边引导滚子，中挡边的反力与它构成翻转力矩，从而增加滚道的载荷，使整个滚道载荷分布不均匀，而在该处产生应力集中，致使轴承早期疲劳失效；非对称滚子的加工也较为困难，目前很多厂家都不再生产该结构轴承；
　　④由于内圈挡边是固定的，常规磨加工需在挡边与滚道交接处加工退刀槽，它实际上常常比滚子倒角大得多，挡边和退刀槽限制了滚子的承载长度，从而降低了轴承的载荷容量，加上使用寿命短，因此多数轴承公司将其列为淘汰产品。
　　但是该结构轴承也有它独具的优点，即可以实现纯滚动，适合在高速条件下运行。目前像俄罗斯、日本等国家仍保留生产该结构轴承。
　　鉴于以上原因，SKF及FAG公司又对产品结构进行改进，设计了一种对称球面滚子轴承（见图2，只是滚子的一端为球基面），其内圈仍为固定中挡边，从而避免了翻转力矩的产生和应力集中的出现。但是，由于滚子是由固定挡边引导的，滚子不能在轴向平面自行调整，也就不能自行引导，一旦出现轴向载荷导致滚子的载荷分布不均匀，就会出现应力集中，也就影响轴承的使用寿命。目前，大部分调心滚子轴承，尤其是内径在600mm以上的特大型产品，用的都是该种结构。 　　以上两种结构的轴承采用的是车制实体（黄铜、青铜或球墨铸铁材料）两片单爪式保持架。
　　2.2 C型调心滚子轴承
　　C型调心滚子轴承（见图3）是SKF公司在1948年设计的，其结构特点是采用对称腰鼓型滚子，活动中挡圈，滚子由活动中挡圈引导，内圈不带大、小挡边。该结构轴承与上述两种轴承相比，改进之处为： 　　①活动中挡圈取代了固定中挡边，结构紧凑，同时也取消了油沟，大大提高了轴承的承载能力；
　　②由于活动中挡圈可以自由做轴向移动，使对称滚子始终处于均衡受力状态，即载荷总是沿滚子全长对称分布；
　　③该结构轴承能承受很大的径向和轴向联合载荷，而且，它对轴承座的形状误差不很敏感，甚至在冲击载荷下，也能保持均衡的载荷分布，不易出现应力集中现象；
　　④由于对称滚子的Z大直径是在内圈轮廓中心及外圈轮廓中心的连线上（即内、外圈的压力角相等），因而保证滚子处于平衡位置上，消除翻转力矩的出现。
　　2.3 CC型调心滚子轴承
　　CC型调心滚子轴承是在C型调心滚子轴承的基础上加以改进的，通过对轴承内部运动动力学的分析，提出了滚子“自引导”（即球面滚子轴承中，滚子主要不是靠挡圈引导，而是靠滚道引导）和滚子歪斜理论，改变内外圈密合度和内外圈滚道、滚子表面的粗糙度等级，以利于滚子在工作状态下产生合理歪斜，通过轴承轴线的平面能够自动调整，直到载荷作用于滚子中部并与对应载荷方向一致为止。CC型结构不仅使轴承的滚子长度增加，额定载荷提高，而且还具有较高的极限转速和较低的摩擦损耗，使用寿命比C型延长了约一倍。我国目前生产的球面滚子轴承中，相当一部分是该结构轴承。
　　以上两种结构的轴承一般采用冲压钢板保持架，主要用于内径小于360mm的轴承。冲压保持架的兜孔有点锁和全锁两种形式。
　　2.4 CA（CAC）型调心滚子轴承
　　CA（CAC）型调心滚子轴承（见图4）的特点是：内圈两端有两个小挡边，两边小挡边上分别有一个装滚子缺口且相隔180°，中间为活动中挡圈，滚子为对称腰鼓形，保持架为双爪轮番兜孔结构，材料一般为黄铜或青铜。CA（GAG）型调心滚子轴承的使用十分广泛，大型、特大型轴承（一般内径在600mm以下）中用得较多，主要使用场合为：磨煤机、风力发电机、纺织机械、连铸设备等。

图4 CA（CAC）型调心滚子轴承

　　CA（CAC）型调心滚子轴承中的活动中挡圈虽然可以保证滚子快速而准确地导向，但在只有一列滚子承受载荷时，中挡圈不再牢固地保持一定的位置，导向性不良易引起滚子在套圈内产生歪斜，增加轴承的摩擦。
　　通常认为当轴承承受径向、轴向载荷时，将引起两列滚子接触的差别，而使施加轴向载荷一侧的一列滚子的轨道速度高于另一列滚子，因此怀疑推力载荷一侧滚子的引导边缘将与保持架产生干扰，而另一列的随动边缘将产生干扰。实际上两列滚子速度的差别并不是很大，每当轴承旋转一周时，都要经过一个非载荷区域，因而干扰就被消除；另外，保持架兜孔与滚子之间的间隙也避免了两者之间的干扰产生。
　　在产品设计过程中，当活动中挡圈的壁厚较小时，完全可以将其省去，而将其与保持架做成一体。因此就出现了一种CA型的变型产品（国内有些企业称之为CB型），如图5所示，它多应用在中小型产品中（当产品批量较小，没有采用冲压保持架时）或24000、24100系列的某些产品中。

图5 CA（CAC）型的变型结构

　　目前在我国的调心滚子轴承产品设计中，应用Z广泛的是CC型、CA型和带固定中挡边对称滚子型结构。
　　2.5 E型调心滚子轴承
　　20世纪80年代，FAG、NSK等公司开发了E型调心滚子轴承，如图6所示。轴承内圈与CC型轴承类似，只是两滚道中心位置相互靠近，缩短了两列滚子轴向距离，滚子长度加长。保持架采用玻璃纤维增强的聚酰胺材料精密注塑而成，省去了中隔圈。轴承的主要特点有结构简单、载荷容量高、摩擦力矩低、运转噪音低、寿命长等。

图6 E型调心滚子轴承

　　SKF开发出了一种新型调心滚子轴承Explorer（“探索者”），见图7。其特点是：具有对称滚子，内圈无挡边，中挡圈在保持架外径之外，由保持架定心，挡圈靠近外圈，可以改善滚子端面与挡圈接触处的润滑，挡圈的作用在于减小轴承摩擦，它有助于在非载荷区内引导滚子，并协助滚子进入载荷区，滚子长度加大，额定载荷提高，允许较大的轴向偏斜而相应的径向游隙变化小。该结构轴承可在环境温度变化大和重载且设备要求紧凑的情况下使用。

图7 “探索者”系列调心滚子轴承

　　3　E型与CC型结构调心滚子轴承的结构对比
　　E型结构轴承无固定中挡边和小挡边，采用钢板冲压保持架，内、外圈及滚动体与CC型结构调心滚子轴承相类似，如图8所示。两种结构的主要区别在保持架和中挡圈的结构，两种结构的对比如下。

图8 两种轴承结构对比

　　3.1 保持架结构的对比
　　CC型调心滚子轴承保持架结构呈碗形，采用过梁处径向锁滚动体的方式，具有结构简单，加工容易等优点。但该结构保持架过梁Z小宽度较小，强度较差，而过梁在滚动体中心圆直径附近，滚动体的数目和直径受到限制，是制约调心滚子轴承径向额定动载荷重要因素之一。如图9所示，保持架过梁位于滚动体组件中心线附近，此处几乎是滚动体纵剖面尺寸Z大值的位置，因此过梁宽度受到很大限制，另外由于锁点的存在，也使过梁宽度较窄。在设计过程中，为了保证保持架过梁具有足够的强度和刚度，往往采取减小滚动体直径和减少滚动体数目的措施，这就势必影响轴承的径向额定动载荷。

图9 CC型保持架结构示意图

　　E型结构保持架形状较为复杂。如图10所示。此种结构保持架过梁避开了滚动体纵剖面Z大尺寸位置，过梁处于滚动体中心圆直径之内，使过梁的强度和刚度得以提高，另外，采用大端面钢板压凹形成锁点，利用滚动体端面凹穴实现锁住滚动体的功能，这样就减小了对过梁强度和刚度的影响，使得滚动体的数目和（或）直径的增加成为可能。但此种结构架的设计、加工难度都较大，目前国内一些保持架加工企业在中轴协技委会保持架专委会的技术指导下已成功地开发出了以“Z”系列为代表的部分产品，并申请了国内专利。

图10 E型保持架结构示意图

　　3.2 中挡圈结构的对比
　　如图11所示，CC型调心滚子轴承的中挡圈位于内圈、保持架、滚动体之间，与内圈外径、保持架大端内径、滚动体端面均有接触，可以实现对保持架和滚动体的精确引导，但也存在摩擦大、润滑困难、振动噪声大等缺点。另外由于中挡圈的强度、加工等方面的限制，轴承内圈的外圆柱面宽度2E又不能太小，也在一定程度上限制了滚子的长度。

图11 CC型结构中挡圈示意图

　　E型结构调心滚子轴承的中挡圈位于保持架大端外圆柱面以外，如图12所示，这样中挡圈既可以实现对保持架和滚动体的引导，又可以克服原有结构的缺点。更为重要的是，由于中挡圈的外移使得内圈外圆柱面宽度可以减小，这样就为增加滚动体长度提供了空间，更加有利于提高调心滚子轴承的径向额定动载荷。

图12 E型结构中挡圈示意图

　　4　E型结构轴承对设计主参数的影响
　　E型结构对几乎所有的主参数都有一定的影响。
　　①由于保持架过梁强度的提高，其宽度可以适当减小，这就为增加滚子的有效直径Dwe和个数Z提供了空间，由于这两个参数对径向额定动载荷影响都很大，故应综合考虑对这两个子推向参数的改进；
　　②中挡圈的改进为增加滚子长度提供了空间，滚子长度可以适当加长；
　　③滚子直径、有效长度的增加对接触角α会有一些的影响，使接触角有减小的趋势，但其影响一般不超过5‰，故不做过多考虑。
　　下面用实例来说明E型结构对主参数的影响。表1所示为调心滚子轴承22214两种结构主参数及径向额定动载荷对比，表中所示的三个主参数Z、Dw、Lw均有所增加，径向额定动载荷提高较大，超过20％，突出体现了E型轴承结构的优势所在。

表1 调心滚子轴承22214主参数及径向额定动载荷对比

　　5　E型结构对承载能力的影响
　　E型结构的调心滚子轴承在承载能力、使用寿命、可靠性、极限转速等方面均有不同程度的提高，下面就笔者工作中设计的几个典型进行两种结构径向额定动载荷的对比，如表2所示。

表2 两种结构调心滚子轴承径向额定动载荷的对比

　　由表2可以看出：
　　① 通过结构改进可以将轴承的径向额定动载荷提高10％～20％；
　　②E型结构的调心滚子轴承一般会增加2个或4个滚子，其他滚子个数没有增加的轴承，则是通过增大滚子直径和滚子长度来实现提高轴承的径向额定动载荷的目的。
　　6　小结
　　本文介绍了调心滚子轴承结构的技术发展动态，尤其是E型调心滚子轴承结构特点，并与CC型结构调心滚子轴承的结构和性能进行了对比。由分析中可以看出：该E型结构调心滚子轴承与CC型调心滚子轴承相比，径向额定动载荷提高了10％～20％，具有较高的实用价值。随着保持架加工技术的日趋成熟，此类结构的调心滚子轴承将得到越来越广泛的应用。