文鑒恒

(成都重型軸承研究所，四川成都 610072)

我研究所在實(shí)施風(fēng)力發(fā)電變槳、偏航用軸承技改中，因資金短缺，以創(chuàng)新精神研發(fā)了試驗(yàn)機(jī)、銑齒機(jī)、三工位鉆孔機(jī)等裝備，節(jié)省了數(shù)千萬(wàn)元投資。

1.5 MW發(fā)電變槳軸承外徑為φ2 080 mm，采用雙排角接觸(α≥45°)球軸承結(jié)構(gòu)，按用戶提供的載荷作設(shè)計(jì)計(jì)算表明，只有兩排鋼球同時(shí)受力，方能承受剎車時(shí)的力矩載荷，否則將使受力大的一列溝道及鋼球產(chǎn)生塑性變形，摩擦力矩大幅增加，造成變槳用的2.8 kW伺服電機(jī)被卡住，而終止變槳功能。為滿足兩排鋼球同時(shí)受力的要求，我們制訂了嚴(yán)格的形位誤差要求，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了2.5 m高精度數(shù)控立車的研發(fā)，發(fā)明了高精度推力向心組合圓錐滾子軸承，設(shè)計(jì)了用好該軸承的新型轉(zhuǎn)臺(tái)及軸臺(tái)?，F(xiàn)綜述于后。

1 新軸承的結(jié)構(gòu)及主參數(shù)示例

為滿足風(fēng)電變槳軸承內(nèi)、外圈四個(gè)溝道高精度加工的要求，我們?cè){(diào)研、咨詢了FAG公司，該公司向我們推薦了高精度三排短圓柱滾子軸承，型號(hào)RTC850的外形尺寸為d×D×H=850 mm×1 095 mm×124 mm，從提供的樣本可查得該軸承最高精度的跳動(dòng)量為9 μm。我們分析后認(rèn)為該軸承結(jié)構(gòu)無(wú)法調(diào)整游隙，不能滿足機(jī)床高剛性的要求，同時(shí)三排柱軸承套圈的工藝性不好，無(wú)法一次定位裝夾實(shí)現(xiàn)高精度加工，故最高精度的跳動(dòng)量仍高達(dá)9 μm，略高于P4級(jí)(Si≤10 μm)精度，低于P2級(jí)(Si≤5 μm)精度。此外兩排止推的短圓柱滾子，在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，沿滾子長(zhǎng)度方向上的線速度不同而不斷發(fā)生打滑現(xiàn)象，其許用轉(zhuǎn)速不可能高。

為滿足自用以車代磨的2.5 m高精度數(shù)控立車的要求，我研究所發(fā)明了圖1所示的推力向心滾子軸承(已進(jìn)入實(shí)審的發(fā)明專利)。

如圖1所示，本組合軸承共有9種零件，由件1座圈、件3中圈、件6圓錐滾子以及隔離圓錐滾子的支柱保持架(件4、5、7)構(gòu)成推力滾子軸承(視尺寸情況也可用實(shí)體或沖壓保持架替換支柱保持架)，承受中圈3上端面?zhèn)鱽?lái)的軸向載荷。由件2內(nèi)圈、件3中圈、件8圓錐滾子及件9沖壓保持架構(gòu)成向心圓錐滾子軸承，承受中圈3傳來(lái)的徑向力及偏載造成的力矩的支反力。

為用好本軸承，必須按軸承的相應(yīng)尺寸設(shè)計(jì)制造高精度、高剛度的專用軸臺(tái)。圖2所示為2.5 m立車轉(zhuǎn)臺(tái)所用的軸臺(tái)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的配件。組合軸承座圈置于軸臺(tái)1的平面上并以座圈內(nèi)徑作徑向定位;組合軸承的內(nèi)圈內(nèi)徑與軸臺(tái)的軸頸為過(guò)盈配合，壓緊螺母(或螺釘組)3，經(jīng)墊環(huán)2將壓緊力作用于內(nèi)圈大端面上，使內(nèi)圈軸向位移，形成徑向和軸向軸承的負(fù)游隙，從而獲得高剛度的軸承安裝。軸臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)的底座由螺釘連成一體，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。

以我研究所獨(dú)創(chuàng)的滾動(dòng)軸承極限設(shè)計(jì)專有技術(shù)，完成了本組合軸承主參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。其中2.5 m高精度數(shù)控立車轉(zhuǎn)臺(tái)所用組合軸承的外形尺寸為D×d×H=1 330 mm ×1 090 mm ×112 mm，重量213 kg，其額定載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)2.3節(jié)。同時(shí)也完成了10 m以內(nèi)20余種組合軸承的主參數(shù)設(shè)計(jì)。一旦市場(chǎng)需要，即可完成設(shè)計(jì)、制造供應(yīng)市場(chǎng)。

2 新軸承的特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 無(wú)間隙配合，安裝拆卸方便

任何機(jī)械都有安裝拆卸方便的要求，為此，除轉(zhuǎn)盤(pán)軸承外，幾乎所有使用軸承的機(jī)械，其軸承外徑與殼體的軸承孔間均取間隙配合，軸承內(nèi)徑與軸的軸頸間則為過(guò)渡配合，由于間隙的存在，軸承受載(特別是變載)后則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即使軸承采用零游隙或負(fù)游隙，也難以達(dá)到高精度、高剛度、高穩(wěn)定性的要求。

對(duì)動(dòng)壓、靜壓、磁懸浮等軸承，其間隙配合是保證主軸懸浮旋轉(zhuǎn)的必要條件。只有本專利軸承是無(wú)間隙的配合安裝，即將座圈置于軸臺(tái)的軸頸為過(guò)盈配合(過(guò)盈量較小)壓緊軸臺(tái)上的螺母(或一組螺釘)，在獲得無(wú)間隙安裝的同時(shí)，軸承也形成負(fù)游隙。此時(shí)，中圈即成為主機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的根基，在其上裝置齒輪(或蝸輪)，齒輪上安裝工作臺(tái)面，即成為高剛性的轉(zhuǎn)臺(tái)。或者將中圈壓裝在不動(dòng)的機(jī)殼端面，以花鍵、連軸節(jié)等將動(dòng)力傳給軸臺(tái)，則軸臺(tái)就變成了高剛性的轉(zhuǎn)軸。

上述安裝都是一個(gè)零件、一個(gè)零件的疊加，只有內(nèi)圈需熱套入軸臺(tái)軸頸。拆卸時(shí)則按逆向順序，退出連接螺釘即可一件一件地取下零件，唯有過(guò)盈配合的內(nèi)圈需在軸臺(tái)的底面預(yù)留多個(gè)螺紋通孔，以螺釘將內(nèi)圈頂出。故安裝、拆卸均十分方便。

2.2 優(yōu)良的工藝性，確保了高精度加工

本軸承的座圈、內(nèi)圈、中圈的內(nèi)(外)徑、滾道、擋邊在采用相應(yīng)的工裝后均可達(dá)到一次定位、壓緊，調(diào)整磨頭來(lái)完成各面的加工，消除了多次定位、壓緊造成的累積誤差，保證了高精度加工的要求。

KHZZ－08軸承的座圈、內(nèi)圈、中圈及軸臺(tái)四大零件都是在我公司新購(gòu)的數(shù)控磨床上進(jìn)行細(xì)磨、終磨的。該磨床加工φ1 000 mm以上軸承淬回火零件的橢圓度、錐度一般達(dá)2～3 μm。一次定位裝夾零件的壁厚差≤2 μm。KHZZ－08軸承的三種套圈及軸臺(tái)的加工結(jié)果，其徑跳、端跳均在2 μm 左右，個(gè)別達(dá)3 μm?；緦?shí)現(xiàn)了高精度加工的要求。

2.3 高剛度、大承載能力、長(zhǎng)壽命

由于軸承是裝在高剛度且無(wú)間隙配合的軸臺(tái)上，并通過(guò)壓緊螺母(或一組壓緊螺釘)將軸承調(diào)整為有預(yù)載荷的負(fù)游隙狀態(tài)，使軸承內(nèi)外均呈無(wú)間隙狀態(tài)，其剛度之高是任何一種軸承都無(wú)法達(dá)到的。

KHZZ－08軸承重213 kg，軸向動(dòng)載荷Ca=3 850 kN，靜載荷Coa=29 500 kN;徑向動(dòng)載荷Cr=1 260 kN，靜載荷Cor=3 815 kN。與轉(zhuǎn)盤(pán)軸承中承載能力最大的三排柱轉(zhuǎn)盤(pán)軸承比較，F(xiàn)AG的RTC850重236 kg，軸向動(dòng)載荷為1 000 kN，靜載荷8 650 kN;徑向動(dòng)載荷455 kN，靜載荷1 730 kN。省卻重量略有差異的因素，四組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的比值依次為:3.85、3.41、2.769、2.205。如以軸向動(dòng)載荷比值，計(jì)算其額定壽命比，則KHZZ－08軸承是FAG RTC850軸承的89.44倍，而徑向的額定壽命比為29.8。

2.4 具有承受偏心載荷的能力

本軸承在承受大的軸向載荷及較大的徑向載荷的同時(shí)，還具有承受較大偏心載荷的能力。

如圖2中圈左部受偏載時(shí)，其左部的作用力由滾子、座圈傳遞給軸臺(tái)的平面承受，而中圈右部向上的作用力，則通過(guò)滾子、內(nèi)圈傳遞給軸臺(tái)的軸頸形成抗傾覆力矩的支反力。只要加強(qiáng)軸臺(tái)的強(qiáng)度并適當(dāng)調(diào)整向心推力部分的接觸角，其承受傾覆力矩的能力并不亞于任何一種現(xiàn)有的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承。

2.5 預(yù)緊力提高了軸承的旋轉(zhuǎn)精度

如前所述，軸承零件及軸臺(tái)的形位誤差在2～3 μm，滾子的分組差為1 μm，軸承裝配后的跳動(dòng)(徑跳、端跳)應(yīng)有3～4 μm。立車裝配后，自車工作臺(tái)面(鑄鐵)的徑向跳動(dòng)為2 μm，軸向跳動(dòng)3 μm。我們初驗(yàn)收時(shí)，自帶了φ1 900的中頻淬回火工件，并再次對(duì)預(yù)緊力作了調(diào)整，精車溝道后，在接觸角約50°的溝道打表，其法向跳動(dòng)量?jī)H為1 μm，唯淬火軟帶處，車刀不讓刀，車深了10 μm，即該部位的跳動(dòng)為10 μm。該立車到廠安裝調(diào)試后，精車φ1 320的滲碳淬回火鋼及φ1 900淬火鋼，其徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)均≤2 μm。

上述數(shù)據(jù)表明，加工工件的跳動(dòng)量均小于軸承初始的跳動(dòng)量。是什么原因提高了軸承的旋轉(zhuǎn)精度呢?從定性的角度分析，是因?yàn)槭┘恿溯^大的軸向預(yù)緊力后，作為彈性體的各零件——座圈、中圈、內(nèi)圈及兩組圓錐滾子均處于受力狀態(tài)，其中，高點(diǎn)受力大，彈性變形較大，低點(diǎn)受力小，彈性變形較小。

我們對(duì)2.5 m高精度數(shù)控立車的轉(zhuǎn)臺(tái)施加的軸向預(yù)緊力約為12～15T。KHZZ－08軸承的推力滾子數(shù)Z=95，每一滾子平均預(yù)緊載荷為126.3～157.9 kg/粒;向心推力圓錐滾子數(shù)Z=110，每一滾子平均的預(yù)緊軸向載荷為109.1～136.4 kg/粒。計(jì)算表明，在上述預(yù)緊力下推力滾子軸承的彈性變形量δ=1.6～1.9 μm，向心推力滾子的彈性變形量 δ=1.8～2.2 μm。上列彈性變形量，是在設(shè)定套圈的旋轉(zhuǎn)誤差及滾子尺寸差為0時(shí)的數(shù)據(jù)，當(dāng)存在高低點(diǎn)位時(shí)，高點(diǎn)必然受力大，變形大，低點(diǎn)受力小，變形小，從而較大幅度減小了旋轉(zhuǎn)誤差。

2.6 較高的極限轉(zhuǎn)速

本軸承在設(shè)計(jì)中堅(jiān)持了圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)原則，其推力圓錐及向心推力圓錐均按滾子母線、軸心線，滾道母線的延長(zhǎng)線交匯于軸承的軸心線的一點(diǎn)上，使之形成純滾動(dòng)接觸，同時(shí)與滾子球基面接觸的兩種擋邊均為直母線，以減少摩擦。

采用上述措施的此組合軸承的極限轉(zhuǎn)速，與三排柱或交叉圓柱比較，預(yù)期將提高50%以上，但尚待試驗(yàn)、測(cè)試方能最后確定。

2.7 配合方式的改變，可大幅度降低尺寸精度等要求

作為通用配件的滾動(dòng)軸承，精度等級(jí)是由尺寸精度及旋轉(zhuǎn)精度構(gòu)成的。由于新軸承取消了外徑裝于軸箱內(nèi)孔的配合方式，改為軸承端面與軸臺(tái)平面置放，內(nèi)孔與軸臺(tái)軸頸為緊配合，或以中圈端面與軸箱端面連接，因此，高精度(P2級(jí)及以上)的此類軸承，在提高旋轉(zhuǎn)精度的同時(shí)，大幅度壓縮內(nèi)徑、外徑、高(寬)度尺寸公差及形位公差已毫無(wú)意義。我們認(rèn)為即使P2、P2A級(jí)軸承的尺寸公差，其內(nèi)圈內(nèi)徑公差可按P5級(jí)要求加工，座圈內(nèi)徑公差按P0級(jí)要求加工，其余尺寸均可按國(guó)標(biāo)的9級(jí)精度確定公差。只需對(duì)影響旋轉(zhuǎn)精度的形位公差作嚴(yán)格的規(guī)定。

由于尺寸精度要求的降低，原標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P4級(jí)以上軸承應(yīng)作尺寸穩(wěn)定性處理的要求，對(duì)此類軸承應(yīng)予免除。

2.8 大大簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)臺(tái)等主機(jī)的結(jié)構(gòu)

采用本文圖2所示結(jié)構(gòu)，在軸承的中圈上裝上傳動(dòng)齒輪(或蝸輪)及工作臺(tái)面，即為立式轉(zhuǎn)臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)，淘汰了傳統(tǒng)立式轉(zhuǎn)臺(tái)必須的主軸、殼體、2～3套軸承及相應(yīng)配件，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，零件大幅度減小，成本降低。

用于其他主機(jī)，同樣具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度、性能、壽命的顯著優(yōu)勢(shì)。

3 新軸承達(dá)到了前所未有的超高精度水平

在我們?yōu)檠邪l(fā)高精度大型、特大型軸承制訂的各類軸承的旋轉(zhuǎn)精度企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，增加了P2A級(jí)精度等級(jí)，各高級(jí)精度的旋轉(zhuǎn)精度的數(shù)據(jù)，以P0級(jí)數(shù)據(jù)為基數(shù)，P4級(jí)取0.2P0，P2級(jí)取0.1P0，P2A 級(jí)取0.05P0，為計(jì)量方便，部分?jǐn)?shù)據(jù)按±0.5 μm作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

增加的P2A級(jí)旋轉(zhuǎn)精度，已是國(guó)內(nèi)外軸承前所未有的超高精度等級(jí)，而由我們研制生產(chǎn)的KHZZ－08組合軸承，與新型轉(zhuǎn)臺(tái)配套，用于2.5 m高精度數(shù)控立車上，加工φ1 900以上工件的徑向、軸向跳動(dòng)≤2 μm，達(dá)到了P2A級(jí)旋轉(zhuǎn)精度的要求。

資料查新檢索表明，由KHZZ－08軸承及軸臺(tái)形成的組合軸承的旋轉(zhuǎn)精度及所加工工件的旋轉(zhuǎn)精度，已創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有特大型軸承旋轉(zhuǎn)精度的最高紀(jì)錄。我們預(yù)期，將要研制開(kāi)發(fā)的更大尺寸的新軸承及新轉(zhuǎn)臺(tái)，即使尺寸超過(guò)10 m，也能達(dá)到P2A級(jí)新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 新軸承將為各種重型裝備升級(jí)換代作出重大貢獻(xiàn)

由于新型組合軸承同時(shí)具有無(wú)間隙配合、大承載、高剛度、高精度、抗偏載、簡(jiǎn)化主機(jī)結(jié)構(gòu)等8大優(yōu)勢(shì)，推廣應(yīng)用后，必將為我國(guó)各種民用、軍用重型裝備的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、升級(jí)換代所用，使我國(guó)各種重型裝備的精度、性能、壽命等步入世界先進(jìn)行列。

4.1 重型機(jī)床

重型機(jī)床是各種重型機(jī)械裝備制造的工作母機(jī)。重型立式車床、磨床、銑床等的轉(zhuǎn)臺(tái)、分度臺(tái)采用新結(jié)構(gòu)軸承后，不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，更大幅度提高了主機(jī)的精度、剛度、速度、承重力、使各類主機(jī)升級(jí)至國(guó)際領(lǐng)先水平。

本產(chǎn)品用于重型臥式車床上，可將新軸承的中圈固定在床頭箱端面及尾座的端面，以軸臺(tái)軸端傳遞扭矩，軸臺(tái)端面上花盤(pán)或夾頭同樣可使主機(jī)的精度、剛度、承重力獲得大幅度提高。

4.2 重型軍用裝備

(1)可使大型跟蹤定位雷達(dá)提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的精度

現(xiàn)有大型跟蹤定位雷達(dá)的轉(zhuǎn)臺(tái)，所用的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的旋轉(zhuǎn)精度大致為幾十至幾百微米，改用幾微米的本結(jié)構(gòu)高精度產(chǎn)品后，其定位精度有望提高幾十甚至成百倍。同樣，將各類移動(dòng)定位、導(dǎo)彈導(dǎo)航等裝備改用本高精度軸承后，其命中范圍將大幅度縮小，命中率將大幅度提高。

(2)提高重型火炮的命中率

現(xiàn)有的坦克、艦船的炮塔，密集火箭炮(喀秋沙)的塔臺(tái)上均裝有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，但現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的精度、剛度均較差，改用精度、剛度較高的本軸承后，將提高這些火炮的命中率。

(3)可使國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)達(dá)到高精度的目標(biāo)

我國(guó)航空、航天及導(dǎo)彈殼體成形加工急需的高精度旋壓機(jī)，一直遭遇國(guó)外封鎖，國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)所需的高精度軸承國(guó)外亦拒絕供貨。采用本新結(jié)構(gòu)軸承后不僅可簡(jiǎn)化旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)，更可達(dá)到超高精度、大承載、高剛度的要求，使國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

4.3 為各種重型裝備的主軸承提供了新產(chǎn)品選項(xiàng)

直徑≥10 m的盾構(gòu)機(jī)，直徑≥8 m的全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的主軸承，選用大承載、高剛性的新軸承后，不僅可大幅度簡(jiǎn)化掘進(jìn)機(jī)頭的結(jié)構(gòu)，對(duì)提高主機(jī)的掘進(jìn)效能，提高主機(jī)壽命將會(huì)產(chǎn)生良好的效果。

改變向心推力軸承的接觸角及軸臺(tái)設(shè)計(jì)，將對(duì)各重型起重機(jī)、堆取料機(jī)、裝卸船機(jī)提高承載能力，發(fā)揮更大效能而提供有力的支撐。

4.4 變形產(chǎn)品將提高大型磨頭、銑鏜頭的精度、剛度及切削用量

4.5 其他重型裝備

凡需要利用本組合軸承8大優(yōu)勢(shì)中的某一種或幾種特性的各種重型主機(jī)，如水泥磨球機(jī)、石油鉆探機(jī)、重型數(shù)控加工中心、數(shù)控落地銑鏜床、重型數(shù)控分度臺(tái)等，只要對(duì)此軸承提出要求，我們都將協(xié)助完成軸承及軸臺(tái)設(shè)計(jì)、制造，并提供用好此軸承的技術(shù)咨詢服務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)軸承行業(yè)歷經(jīng)七十余載的創(chuàng)建、發(fā)展，至今已成為世界的軸承大國(guó)，但在軸承產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軸承結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、高端產(chǎn)品占有方面與先進(jìn)國(guó)家相比尚存不小的差距。本發(fā)明產(chǎn)品(新結(jié)構(gòu))的研制成功及其具有的前述8大優(yōu)勢(shì)，不但為我國(guó)高端重型軸承產(chǎn)品獲得了自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為我國(guó)眾多民用、軍用重型主機(jī)升級(jí)換代，提升其精度、性能、壽命打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為各種重型主機(jī)的自主創(chuàng)新創(chuàng)造了良好的條件。同時(shí)也填補(bǔ)了世界軸承尚無(wú)此優(yōu)勢(shì)性能結(jié)構(gòu)高端產(chǎn)品的空白。我們深信，隨著本專利產(chǎn)品的推廣使用，必將被人們認(rèn)知，確認(rèn)和采納。