零间隙轴承的创建与应用

　　摘　要：通过实际中遇到的特殊现象（如：卡罗塞尔卷取机的卷取轴的轴承固定方式），分析齿轮箱体的固定情况和轴的载荷情况，得出零间隙轴承能很好地满足高速重载轴的要求。
　　关键词：零间隙轴承；双列圆锥滚子轴承；双列圆柱滚子轴承；轴向载荷；径向载荷；振动
　　1　前言
　　轴承的外圈、滚动体和内圈之间都有很小的间隙，而且这个间隙是轴承正常工作必不可少的条件。然而由于间隙的存在，导致轴承在转动时会产生振动，引起滚动体受力不均和轴的旋转精度降低。那么现阶段有没有那种无间隙的轴承呢？有。在此我就介绍的是一种没有间隙的轴承，即轴承的外圈、滚动体和内圈始终紧靠在一起。这种轴承通常是无法工作的，因为轴承在工作的过程中会产生热涨，引起轴承卡死，但是对于双列圆锥滚子轴承却不然，如下图2、图3的双列圆锥滚子轴承，通过改变轴承的固定方式，轴承就成了在一定范围内浮动的柔性体。轴承的外圈、滚动体和内圈始终紧靠在一起，成为没有间隙的轴承，却能很好地工作。下面通过实例说明。
　　2　双列圆锥滚子轴承的常用固定方式与特殊固定方式简介
　　2.1 图1为双列圆锥滚子轴承的常用固定方式 　　它与另一内圈无挡边双列圆柱滚子轴承共同支承一根低速重载转轴。由于左端的双列圆锥滚子轴承的外圈采用定位隔套方式固定。为了保证双列圆锥滚子轴承在运转过程中的间隙，轴承隔套一般都由轴承生产厂家按游隙规格配套制作。这种轴承的固定方式就是按厂家规定的方式，也是双列圆锥滚子轴承的常用固定方式。然而这种轴承的固定方式决定轴承的极限转速只能按厂家规定，也就是低速。为什么这种轴承的固定方式决定轴承的极限转速只能是低速呢？由于双列圆锥滚子轴承的游隙不能太大，否则轴承的振动幅度会较大，振动幅度越大对轴承的损伤会增大，而且轴向窜动也会增大，导致各滚子的受力不均，而产生冲击。反之，双列圆锥滚子轴承的游隙不能太小，否则在运转中会发热导致轴承温度升高，甚至使轴承卡死而烧坏。 　　2.2 双列圆锥滚子轴承的单边弹簧固定方式介绍
　　采用单边弹簧固定方式时，轴承外圈的一侧与箱体孔的内肩面紧靠，另一侧由弹簧推动导向销压紧，弹簧装在端盖2的孔里，端盖2的孔呈均匀分布的6孔或8孔或10孔......，根据轴承工作时所受的轴向力合理设计弹簧的性能和工作状态。设计端盖时，注意端盖的端面与轴承外圈的端面应留有1.5mm间隙（这个可根据实际需要确定）。同时还需要考虑轴向载荷的方向，使轴向载荷的方向尽量与弹簧的推力方向一致。当轴向载荷的方向与为了安装的需要，双列圆锥滚子轴承的外圈上再增加孔套1，孔套1与箱体的孔呈0.01mm-0.02mm的过盈，还可降低对箱体孔的尺寸公差要求，孔套1的外径尺寸按箱体孔的实际尺寸配做，在箱体孔尺寸超出设计尺寸时，不致让箱体报废，可让孔套1与箱体孔的实际尺寸配做，孔套1的另一个重要作用是装配时起到连接轴承外圈成一整体。 　　2.3 双列圆锥滚子轴承的双边弹簧固定方式介绍
　　采用双边弹簧固定方式时，轴承外圈的两侧均由弹簧推动导向销压紧，弹簧装在端盖2和端盖4的孔里，端盖2和端盖4的孔呈均匀分布的6孔或8孔或10孔.....，根据轴承工作时所受的轴向力合理设计弹簧的性能和工作状态。设计端盖时，注意端盖的端面与轴承外圈的端面应留有0.5mm间隙（这个间隙尺寸可根据实际需要确定），而且还要注意设计润滑油的回流口。这里不需要考虑轴向载荷的方向。
　　3　双列圆锥滚子轴承的特殊固定方式应用现状
　　目前国内所有技术含量较高的酸轧线上都有一台卡罗塞尔卷取机，卡罗塞尔卷取机（ Carrousel）的公转箱体由两个托辊支承，并能在托辊和公转齿轮的带动下绕一轴线旋转。公转箱体的直径大于4，Z大的有将近5米，箱体里装有两根高速重载（工作时尾侧轴承的轴向载荷达47kN和径向载荷达206kN）的卷取轴，箱体的固定方式是液压缸推动的夹紧机构来夹紧箱体前端的两块小面，且在箱体公转时还不能夹紧，而且要求箱体运转平稳，卷取轴同时在高速旋转。如果卷取轴的运转不平稳，它在工作时就会产生严重的振动和噪音，这既会缩短卷筒的寿命又将造成环境污染。为了满足这些要求，设计师选用了双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承作为轴的支承，且改变了双列圆锥滚子轴承的外圈的固定方式，Z终满足了实际的需要，如图2和图3。图2为一侧弹簧加一侧孔肩对双列圆锥滚子轴承的外圈进行固定，且取消中间的轴承隔套。图3采用两侧均含弹簧固定轴承的外圈，同样取消中间的轴承隔套。转轴的另一支承还是采用常用的双列圆柱滚子轴承，仅改变了双列圆锥滚子轴承的外圈的固定方式，就改变了轴承的承载方式和承载能力：
　　1）不论采用图2的固定方式还是采用图3固定方式，同侧轴承滚子在工作时所受的力都是比较均匀的。
　　2）采用弹簧后，双列圆锥滚子轴承的游隙始终为零，即使轴承温度变化，弹簧会产生伸缩，以适应轴承的不同程度的热涨影响。
　　3）由于一承轴承的游隙为零，轴在工作时能窜动的空间大大减少，轴的运行更平稳，轴的旋转精度更高，引起箱体振动的幅度更小，刚度更好。随着振动的减少，噪音也减少。
　　4）轴承的承载能力更大，转速可以更高。如对内径为500mm的双列圆锥滚子轴承轴向载荷可达50kN至90kN，径向载荷可达250kN至500kN，转速可达750r∕min至1000r∕min。如益昌卡罗塞尔卷取机的卷取轴Z高转速达1300r/min，所用双列圆锥滚子轴承的内径小于500mm。
　　目前国内采用双边弹簧固定方式的卡罗塞尔卷取机有益昌1台，鞍钢5台。 国内其它卡罗塞尔卷取机均采用单边弹簧固定方式。
　　4　从双列圆锥滚子轴承的特殊固定方式引伸出零间隙轴承的应用
　　一般来说在较高转速的工作场合下，在选用轴承时宜选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承；在较低转速工作场合下，可选用圆锥滚子轴承。但是在承受较大的轴向载荷和径向载荷方面，圆锥滚子轴承具有极好的优势，故在某种特定的场合如既要承受较高的转速，又要承受较大的轴向载荷和径向载荷，且要求运转平稳时可考虑选用双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承作为轴的两个支承。由于双列圆锥滚子轴承按常规的安装定位方式会导致轴承的转速达不到设计的要求。如当轴承的内径≥500mm时，NTN厂家生产的型号为3231/500的双列圆锥滚子轴承的许用极限转速仅为390r∕min（在采用循环稀油润滑时）。若能克服双列圆锥滚子轴承在转速方面的限制，则在这种特殊的场合选用双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承的搭配是Z理想不过的。从上面实例看出改变双列圆锥滚子轴承的固定方式，使有间隙轴承变成0间隙轴承，能Z大限度地减少轴承的振动，成倍地提高轴承的使用转速，增加轴的运行更平稳性。
　　通常冶金设备的开卷机和卷取机的高速重载轴为开卷轴和卷取轴，由于钢卷的重量一般为10吨至45吨，有时轧机的线速度达到2000m/min（如益昌卡罗塞尔卷取机的Z高卷取速度就达1800m/min），开卷轴和卷取轴上的支撑轴承一般均采用两个自动调心滚柱轴承或一个自动调心滚柱轴承和一个圆柱滚子轴承作为轴在齿轮箱里的支撑，并且为稀油（油剂）循环润滑。唯独卡罗塞尔卷取机的工作场合特殊，必须重点解决轴的振动和轴承的承载与转速问题，所以选用了轴承的特殊固定方式。由于国内能接触到卡罗塞尔卷取机的内部结构的人不多，或者接触了不一定重视，故在此提出供设计人员参考。
　　5　结论
　　高速重载且要求运转平稳的轴的支撑轴承，可重点考虑选用零间隙双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承作为轴的两个支承。另，此处只介绍了外圈的弹性固定方法，若改变轴承的结构形式，即由两个外圈和一个内圈变为一个外圈和两个内圈，通过弹性压制内圈，同样可以得到轴承的另一种固定方式。这种双列圆锥滚子轴承的弹性固定方式可以广泛地用于冶金、航空、机床等行业，特别是在高速、高精度机床上大有用武之地。为了装配的需要还可以重新设计双列圆锥滚子轴承的锥度，按设计尺寸定制轴承，能更好地满足实际需要。
　　参考文献：
　　[1] 成大先主编.《机械设计手册》.第四版.北.京:化学工业出版社,2002
　　[2] 吴宗泽主编.《机械设计师手册》.北京:机械工业出版社,2002
　　[3] 卜炎主编.《中国机械设计大典》第三卷.南昌:江西科学技术出版社,2002