齒輪傳動設備軸承應用分析探討

　　陸建國(鐵姆肯公司高級應用工程師)

　　齒輪傳動設備廣泛應用于各行各業，其類型和尺寸多種多樣，需要滿足的應用要求也各不相同。而軸承作為各種齒輪傳動設備的關鍵零部件之一，它的性能好壞一定程度上直接決定了整個設備的使用壽命。因此，對齒輪傳動設備中所選擇的軸承進行必要的分析和計算是至關重要的。同時也要避免把計算軸承L10理論壽命等同于軸承應用分析的全部內容，尤其是對于齒輪傳動設備而言，各行各業的應用環境差別很大，甚至在同一個傳動設備不同位置的軸承分析所要關注的重點也應該是不同的。

　　低速運轉條件下的軸承應用分析

　　大部分的齒輪傳動設備都是減速應用，因此往往輸出軸是轉速最低的。不同行業輸出軸的轉速都不同，一般為二十幾轉每分鐘，有些甚至只有十幾轉每分鐘。如果忽略損耗，那么功率在傳動中基本保持不變，因此輸出軸的扭矩一般都很大，低速高扭矩的應用中最需要關注的是軸承的潤滑情況，也就是油膜的形成問題。油膜的作用是在軸承運轉時分開兩個金屬接觸面，避免金屬和金屬之間直接發生接觸。我們一般采用參數λ來表征潤滑的效果（λ定義為油膜厚度與兩接觸表面粗糙度之和的比值）。如果λ大于1，說明油膜的厚度足夠分開兩個金屬表面，潤滑效果好，而如果λ小于1，則說明油膜的厚度不足以分開兩個金屬表面，潤滑效果不理想。軸承在運轉的過程中如果λ值小于1，則可能會出現如圖1所示的損傷。

　　圖1在潤滑不良的情況下運轉，軸承可能會發生的損傷

　　如果通過分析得到λ值小于1，那么為了避免發生如圖1所示的損傷，一般要根據實際情況對軸承的粗糙度提出更高的要求。應用了加強的粗糙度后，很多情況下就可以有效避免軸承滾道和滾子之間的金屬直接接觸，如圖2所示。

　　圖2使用不同粗糙度時滾道和滾子之間的直接接觸

　　高速運轉條件下的軸承應用分析

　　不同行業齒輪傳動設備的高速軸轉速都不同，但大部分的行業高速軸轉速都比較高，比如，很多水泥輥壓機齒輪箱輸入軸轉速為900多轉每分鐘。在對高速軸軸承進行分析時需要考慮的重點和之前提到的低速軸軸承是截然不同的。由于轉速較高，軸承滾道及滾子間的油膜比較好，因此此種條件下，一般磨加工后的軸承粗糙度就可以滿足應用要求。但由于轉速高軸承的發熱量較大，所以在選擇游隙時一般都相對于其他應用要大一些。雖然運轉后由于內外圈溫差的存在會導致游隙有一定程度的減小，但絕大部分情況下高速軸的運行游隙還是比較大的，否則會有溫度上升甚至燒壞軸承的風險。然而，軸承在高速、低載荷并且大游隙的情況下容易發生打滑擦傷的風險，如圖3所示。

　　圖3在高速運轉下發生擦傷的滾子

　　要避免這種情況的發生，精確的游隙控制在很多時候是一種可行的方法。對于調心或者圓柱滾子軸承來說，根據軸承內外徑來選配軸以及軸承座進行安裝，而對于雙列圓錐滾子軸承則進行隔圈現場配磨，這些都是不錯的方法。當然在一些特殊的應用中，即使是精確調節游隙也無法避免這種現象，那么可以嘗試采用其他方法，比如鐵姆肯公司開發的表面處理技術。圖4顯示的是經過一種表面處理的軸承。

　　圖4經過表面處理的Timken®調心滾子軸承

　　高偏心條件下的軸承應用分析

　　很多的齒輪傳動設備都采用行星輪組件，因為行星輪傳動是動力傳動中最緊湊的解決方案，它的特點是扭矩大，尺寸小，重量輕并且效率高。為了提高重合度，降低噪音，很多的行星輪傳動采用斜齒輪。斜齒行星輪產生的偏心以及變形要比直齒行星輪更加復雜，在這種應用條件下，軸承往往容易偏心形成應力集中。很顯然，這種偏心會對軸承造成不利的影響。針對這種情況，可以設計并采用具有針對性的軸承接觸型面，以有效避免應力集中，如圖5所示。

　　圖5針對性修型對應力分布的影響

　　避免了這種應力集中就有效提高了軸承的壽命。應用中偏心程度越厲害，這種針對性的接觸型面提高軸承壽命的效果通常也越明顯。如圖6所示。

　　（數據來源：鐵姆肯公司美國坎頓技術與工程中心實驗數據）

　　輕載條件下的軸承應用分析

　　很多齒輪傳動設備都采用行星輪傳動機構，一般情況下都會采用兩個軸承來支撐整個行星架。在絕大部分的情況下，這兩個行星架支撐軸承所承受的載荷一般都比較有限，尤其是對于低速級的行星架支撐軸承，軸承的尺寸一般相對較大，但所承受的載荷卻往往只是行星輪組件的重量而已。從一般軸承L10樣本壽命計算公式看，軸承的壽命值是非常高的，所以對于這個位置的應用來說，疲勞壽命顯然不是關注的重點。相反，由于載荷較小，我們更應該關注軸承運行時的承載區。一般情況下運轉的軸承在瞬間只有一部分滾子承受載荷，這些滾子所構成的區域稱為軸承的承載區。對承載區的分析在輕載應用條件下顯得極為重要。

　　在正常的運轉情況下，承載區內滾子驅動保持架轉動，而在非承載區則是保持架驅動滾子。所以承載區的大小一方面影響著滾子附著力的大小，從而進一步決定著非承載區滾子的運動方式是滾動還是滑動，另一方面更是影響著保持架被滾子沖擊的程度（滾子進出承載區時會對保持架造成一定的沖擊）。因此必須對輕載應用條件下的軸承進行承載區分析，如果發現承載區偏小，比如只有30度，則需要擴大承載區。

　　影響承載區的因素有軸承游隙，載荷大小，溫升等因素。對于設計者來說比較容易控制的是軸承游隙，軸承游隙越小則承載區越大。因此一旦發現軸承承載區過小，則可以優先考慮采用減小游隙的方法，如圖7所示。

　　圖7游隙減小前后承載區的比較

　　總之，齒輪傳動設備所涉及的行業多種多樣，應用環境也是各有不同，有的是高速運載條件，有的是輕載條件。實際應用中，真正因為達到疲勞壽命而損壞的軸承比例非常小，絕大多數情況下軸承是由于潤滑不良、應力集中或滾子打滑磨損等原因而失效。因此，除了對所選擇的軸承進行L10理論壽命的計算之外，還必須要根據不同的應用環境進行針對性的分析，比如本文中提到的潤滑分析、偏心情況分析和承載區分析等等。只有這樣，才可以在設計階段就避免軸承在日后的運轉中出現損傷，從而減少停機時間，提高齒輪傳動設備的工作效率。