崔文斌，呂俊

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

在典型的工業(yè)設(shè)備中，通常用兩個(gè)位于軸端的軸承來(lái)支撐旋轉(zhuǎn)軸，其中一個(gè)軸承承擔(dān)施加在軸上的軸向載荷，并對(duì)整個(gè)軸系進(jìn)行軸向定位，該軸承被稱(chēng)作“定位”、“固定”或“保持”軸承[1]；而另一個(gè)軸承的作用是承擔(dān)徑向載荷，它應(yīng)允許軸向運(yùn)動(dòng)，以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)的制造公差和機(jī)器組裝時(shí)的定位誤差，這個(gè)軸承就被稱(chēng)作“非定位”、“浮動(dòng)”或“自由”軸承。

本文在軸承常規(guī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)，結(jié)合其在觀覽車(chē)主軸上的應(yīng)用，與常規(guī)軸承的使用場(chǎng)合相比較，以闡明其在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

1 自調(diào)心軸承的常規(guī)應(yīng)用

自調(diào)心軸承常用于非定位位置，此時(shí)軸承必須能進(jìn)行軸向滑動(dòng)，通常是在軸承座內(nèi)部滑動(dòng)以適應(yīng)軸的膨脹和收縮，如圖1所示。這種簡(jiǎn)單、堅(jiān)固的布局既能承受高徑向和推力載荷，又便于適應(yīng)由加工和組裝誤差造成的不對(duì)心、熱變形或受載變形。但自調(diào)心球軸承用在非定位位置會(huì)帶來(lái)一定的后果，比如要使非定位軸承進(jìn)行軸向移動(dòng)，則其中一個(gè)軸承圈必須在間隙配合下安裝，并具有運(yùn)動(dòng)所需的軸向空間[2-4]。在許多情況下，間隙配合會(huì)妥協(xié)機(jī)器的設(shè)計(jì)，由于在一定的載荷條件下，軸承圈會(huì)旋轉(zhuǎn)并損壞軸承座，加快磨損速度并增強(qiáng)振動(dòng)，從而增加了額外的維護(hù)和維修費(fèi)用，這意味著軸在徑向上所受到的支撐減弱。

1-自調(diào)心軸承；2-軸體;3-軸承座。圖1 右側(cè)“無(wú)軸向力”的兩個(gè)自調(diào)心軸承的傳統(tǒng)布局

如果非定位軸承的軸向運(yùn)動(dòng)需要間隙配合，則在操作過(guò)程中必須始終保持間隙配合狀態(tài)，然而維持這種間隙配合并不簡(jiǎn)單，其原因?yàn)椋?/p>

1) 如果軸承座的形狀不符合標(biāo)準(zhǔn)(如制造成橢圓形或錐形)，或是由于安放的底座不夠平坦和牢固而在啟動(dòng)時(shí)或機(jī)器受載荷限制軸向運(yùn)動(dòng)的非定位軸承時(shí)發(fā)生扭曲變形，則軸承圈會(huì)停留在原位，不能輕易地移動(dòng)以適應(yīng)所需的軸向運(yùn)動(dòng)。

2) 不良載荷條件下的松環(huán)磨損會(huì)引起摩擦腐蝕，這種腐蝕會(huì)“銹蝕”軸承圈。

如果非定位軸承圈因上述原因而無(wú)法移動(dòng)，則兩個(gè)軸承都將在軸向承受預(yù)加載荷，這意味著隨著軸或結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度變化，兩個(gè)軸承之間會(huì)產(chǎn)生較高的軸向載荷，如圖2所示。這就是在這種布局下，為滿(mǎn)足非定位軸承的間隙配合而進(jìn)行折中所帶來(lái)的典型后果。該典型結(jié)構(gòu)通常運(yùn)用在系統(tǒng)具有一定轉(zhuǎn)速，軸向載荷相對(duì)較小，徑向載荷也相對(duì)較小，以及機(jī)器零件加工精度比較高的場(chǎng)合[5]。

1-自調(diào)心軸承；2-距離套；3-軸體。圖2 限制軸向運(yùn)動(dòng)的非定位軸承示意圖

當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)要求承受比較大的徑向及軸向載荷，轉(zhuǎn)速又極其緩慢的場(chǎng)合，而兩個(gè)軸承之間的相對(duì)位置精度又無(wú)法達(dá)到較好的水平時(shí)，采用兩個(gè)大直徑調(diào)心軸承配套使用的方案固然可行，但成本十分高昂。

2 新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承自由端如圖3所示，在回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置一個(gè)球面圈，即球面圈與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈之間是以球面互相配合，與軸之間則采用間隙配合。以這種新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承作為配對(duì)軸承中的“自由”軸承時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的球軸承部分承擔(dān)徑向載荷并完成軸承的旋轉(zhuǎn)功能，其球面圈5則利用其與旋轉(zhuǎn)軸6之間的間隙配合消除系統(tǒng)可能產(chǎn)生的軸向微小位移。更為重要的是內(nèi)圈4與球面圈5之間的球面間隙配合可使旋轉(zhuǎn)軸6繞球面圈中心微小擺動(dòng)，如此使系統(tǒng)化解了兩回轉(zhuǎn)支承之間因制造及安裝所產(chǎn)生的平行度誤差。該性能為配對(duì)使用的大型回轉(zhuǎn)支承正常工作提供了一種便捷的途徑。

1-主軸軸頭；2-連接螺栓；3-回轉(zhuǎn)支承外圈；4-回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈；5-球面圈；6-旋轉(zhuǎn)軸。圖3 球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承自由端結(jié)構(gòu)示意圖

3 新型球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

圖4為球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承在觀覽車(chē)主軸上的應(yīng)用。球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其右側(cè)回轉(zhuǎn)支承外圈與主軸右端軸頭螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與主軸旋轉(zhuǎn)筒體螺栓連接；左側(cè)回轉(zhuǎn)支承外圈與主軸左端軸頭螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈釋放軸向平移及軸向旋轉(zhuǎn)自由度。

1-主軸軸頭；2-球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承；3-主軸筒體；4-普通回轉(zhuǎn)支承。圖4 球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承在觀覽車(chē)主軸上的應(yīng)用

在實(shí)際工作狀態(tài)下，兩端軸頭同軸度盡管存在一定的公差，但其左側(cè)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與主軸旋轉(zhuǎn)筒體間隙配合，左側(cè)軸向平移與軸向旋轉(zhuǎn)處于釋放狀態(tài)。該系統(tǒng)不僅能很好地消除制作的公差及安裝誤差，而且不會(huì)在軸的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支承之間產(chǎn)生任何附加軸向力(推力)，也不必考慮回轉(zhuǎn)支承的對(duì)心性。該回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)更能適應(yīng)安裝精度、制作精度要求不高的工況,對(duì)于觀覽車(chē)這種重載低速的工況，該回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)是比較合適的選擇。

4 結(jié)論

1) 該球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承的優(yōu)點(diǎn)是降低了對(duì)制造精度的要求，在安裝精度較低的場(chǎng)合仍能正常工作。以往觀覽車(chē)的主軸軸承通常采用常規(guī)軸承系統(tǒng)，由于制造與安裝的關(guān)系，主軸無(wú)法呈現(xiàn)理想工作狀態(tài)，使得軸承在安裝完畢運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生異響，磨損軸承滾子，從而對(duì)整個(gè)觀覽車(chē)產(chǎn)生負(fù)面影響。球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承的應(yīng)用,可以解決這些問(wèn)題，使觀覽車(chē)主軸在較好的工況下工作。

2) 目前球面調(diào)心回轉(zhuǎn)支承已運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，并已在一臺(tái)觀覽車(chē)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)。此類(lèi)設(shè)計(jì)也同樣可以運(yùn)用到煤礦機(jī)械中，在更廣闊的領(lǐng)域里得到運(yùn)用及衍生發(fā)展。