前言
滚动轴承是工业基础件， 被称为机械的关节[1]。调心滚子轴承能承受轴向和径向双向载荷，具有调心功能，可以补偿轴弯曲变形以及配合面的不对中，因此被广泛应用于工业齿轮箱中，被称为 “万能轴承”[2-5]。然而现实工况十分复杂， 并没有完美的轴承适应所有的场合。文献［3］中详细阐述了工业齿轮箱中调心滚子轴承的受力和滚子运动情况。在轴向力与径向力比值偏大、大冲击载荷的工况下，滚动体会出现单列受载，将产生额外冲击载荷，滚动体和保持架容易损伤，造成轴承提前失效，达不到其计算寿命，影响减速机的使用，但并未给出解决方案。为此，结合实例，本文作者对轧机减速机用调心滚子轴承进行优化设计，探讨解决方案。
国内某钢厂热轧生产线主减速机中采用斜齿轮传动， 轴承选用 241 系列调心滚子轴承， 轴承内径达到480 mm，外径 790 mm，宽度 308 mm，属于大型轴
承。该减速机使用过程中，轴承寿命短，易损坏。在对损坏轴承进行分析后，不拘泥于常规设计思路，进行了轴承结构改进和加工。经应用后轴承的寿命得到了极大提升，减少了生产停顿和轴承替换成本。
1 原轴承结构及使用工况
该减速机高速轴固定端轴承使用241系列CA型调心滚子轴承， 轴承结构如图 1 所示。轴承由外圈、内圈、滚动体、车制保持架和固定中挡边组成。外圈有注油孔，内圈带外挡边。套圈材料 GCr15SiMn。精度P0级，游隙C0级。轴承转速 0～180～425 r /min。工作温度－25～50 ℃。460# 齿轮油循环润滑。由于轴承受力情况不详， 其间分别尝试过:
( 1) 某国外公司轴承，铜保持架结构，滚子数量分别尝试过22粒及21粒，所用轴承寿命为 5～6 个月。失效形式是铜保持架断齿。
( 2) 某国产公司分体钢保持架，寿命4个月左右，失效形式是钢实体保持架底副断裂。
( 3) 某国外公司轴承，4个半保持架铆接的 CA结构，出现铆钉错位。
图 1 原调心滚子轴承
可见轴承失效原因均是保持架损坏。另经观察，失效轴承内圈有一侧滚道上痕迹不正常。
2 失效原因分析
经过分析， 认为造成轴承提前失效的原因如下:
( 1) 由于减速机采用斜齿轮传动，该轴承安装在传动轴固定端，轴承承受了较大的轴向力。而 241系列调心滚子轴承的设计初衷和应用场合主要承受较大径向力，而轴向力承载能力较弱。
( 2) 出现了单列受载的情况。该类轴承游隙大于0且轴向力和径向力比值大到一定程度，出现下列情况:Fa/Fr＞tanα,式中: Fa 为轴向力; Fr 为径向力;α为接触角。此时理论上会出现单列受载的情况。滚子单列受载情况时会出现不受载列滚子打滑，使轴承运转中有损伤风险[4]。单列受载使两边滚子转速有差别，保持架运行速度不同，受载列转速较高，对保持架的性能有更高的要求。
( 3) 在使用过程中振动较大，有大冲击载荷的存在，使保持架承受较大冲击力，黄铜和相同尺寸的碳钢保持架不足以承载振动和冲击力。
( 4) 轴承的固定中挡边不能做轴向移动，不能调节两列滚子载荷，加剧了两列滚子的受力不均情况。
3 设计优化方案
针对以上工况，对轴承进行优化，具体结构如图2 所示。优化思路为在不改变轴承外形尺寸 ( 安装位置限制) 和承载力的情况下，加大保持架厚度，增强其承载能力。具体的设计优化方案如下:
( 1) 采用分体式碳钢保持架取代黄铜保持架，材料选取 20 钢，保持架相关尺寸增大，以加强其强度和承载力。
( 2) 增加保持架齿宽。可选方案有两种: 第一种方案是滚子数量不变，减小滚子直径; 第二种方案是保持滚子直径不变，减少滚子数量。由于工况中轴承受力复杂，为保证滚子有足够的承载力，减小其直径的方案不可取，因此选择第二种方案，确定为滚子数量减少至 20 粒。
( 3) 滚子长度由原来的 128 mm 减小到 120 mm，以增大保持架梁宽。因滚子减短，需注意如图3 中保持架外径开口锁量 L1 尺寸，若选取不当，装配时滚子极易从保持架掉出。此例中 L = 105mm，α= 13°，L1取值 90 mm， 经安装测试取值合适。
( 4) 取消固定中挡边，采用活动中挡圈。活动中挡圈和固定中挡边的主要区别在于: 轴承运转时，固定中挡边不可做轴向移动，但对滚子引导良好。当承受轴向载荷时不能调节两列滚子载荷，容易导致单列滚子受力或产生应力集中。而活动中挡圈可以做轴向移动，起到补偿左右，当轴承在承受轴向载荷时可以调节两列滚子的载荷，使其均匀受载，避免应力集中。若没有活动中挡圈，其功能由保持架承担[7]。
( 5) 轴承外形尺寸和套圈壁厚保持不变，以保证安装。其他技术要求符合现行国家和行业标准，如形位公差、热处理、探伤及检测方法等。
4 大兜孔保持架的加工
上述设计方案的实现难点是大型碳钢保持架兜孔的加工[8-9]。保持架兜孔形状如图 4 所示，其结构仿形滚动体。传统的铜保持架兜孔加工采用 TK9213 卧式钻床，刀具采用高速钢仿形钻头，增大保持架兜孔孔径后，需相应增大钻头直径，保持架材料改为钢后，加工中切削力大，易烧损钻头。传统的钻削工艺在钻削时产生的塑性变形区大于切削层厚度，加工后容易产生大量毛刺，影响使用。
基于以上原因，钢制保持架大兜孔的加工更改为铣削方式，由于铣削加工面包括兜孔侧壁和底部，因此，铣削选用 90°可转立式铣刀。刀片材料选用森泰英格的 EB1220，不仅能满足高转速和大进给量的切削性能要求，而且铣削中可利用刀具的侧刃加工，切削力小，刀具可重复使用，减小了刀具的准备时间，降低了成本。与传统的钻削加工相比，其塑性变形区与切削层厚度的差值更小，毛刺少。具体实施方案详见文献[10]，采用自动编程方法。该加工方法已在某轴承厂多种大孔径轴承实体保持架的制造上得到验证，经济可靠，加工效率较高，保持架精度达到要求。
改进后的轴承经安装使用已达一年以上，目前尚无失效情况，远远超过原国外轴承寿命。需要说明的是该设计优化方案是在轴承受力不详的情况下进行的，如果条件允许应精确检测出轴承的受力情况，再进行轴承的选型或设计改进。轴承属于基础精密结构，不可盲目选型。
作者：
杨宏斌 刘宇杰 李官运
河南科技大学机电工程学院
贾松阳
洛阳LYC轴承有限公司技术中心
航空精密轴承国家重点实验室
