冶金齒輪箱的種類與應(yīng)用非常廣泛，主要通過齒輪間的嚙合與傳動作用來實(shí)現(xiàn)加速、減速、改變傳動方向、改變轉(zhuǎn)動力矩或分配動力，以滿足各種冶金設(shè)備動力傳動的需求。冶金齒輪箱不僅用于各種主機(jī)設(shè)備，如棒線材、型材或板材的粗扎、精軋和立輥等主傳動齒輪箱，而且也用于眾多輔機(jī)設(shè)備傳動系統(tǒng)，如飛剪、卷取機(jī)、穿孔機(jī)、縱切機(jī)以及輸送滾道等。作為最關(guān)鍵的冶金設(shè)備之一，冶金齒輪箱能否穩(wěn)定可靠地運(yùn)行關(guān)系到整條生產(chǎn)線能否正常工作，一旦其出現(xiàn)故障將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。冶金齒輪箱通常處于重負(fù)載、沖擊載荷、高或低轉(zhuǎn)速、高溫或高污染等苛刻運(yùn)行環(huán)境，正是由于工作環(huán)境的特殊性及連續(xù)可靠的工作需求，冶金齒輪箱對配用的軸承提出了更為嚴(yán)格的要求。采用高性能的軸承，正確選擇軸承選型、公差配合、初始游隙以及安裝尺寸是確保齒輪箱連續(xù)可靠工作的前提條件。
圖1 齒輪箱采用雙列圓錐滾子軸承組合方式
軸承選型
1.選擇適合的軸承類型
冶金齒輪箱軸承一般采用雙列滾子軸承組合來滿足重負(fù)載和大功率的動力傳動需求。滾子軸承以圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承及調(diào)心滾子軸承為主。冶金齒輪箱采用何種類型的軸承應(yīng)由齒輪軸的受力工況及各類軸承的特點(diǎn)決定。雙列圓錐滾子軸承具有良好的徑向與軸向復(fù)合載荷能力，軸承內(nèi)部游隙可調(diào)整，而且利于增強(qiáng)傳動系統(tǒng)剛性，因此圓錐滾子軸承是冶金齒輪箱設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮的軸承類型。但圓錐滾子軸承也有不足之處，例如價格較高且不具備自調(diào)心和抗偏心能力，因此冶金齒輪箱也大量選用其他類型的軸承，如調(diào)心或圓柱滾子軸承。
冶金齒輪箱經(jīng)常混用不同類型的軸承以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。與圓錐滾子軸承相比，調(diào)心滾子軸承成本較低，在特定受力條件下該軸承也能承受徑軸向復(fù)合載荷。調(diào)心滾子軸承最大的優(yōu)點(diǎn)是具備自調(diào)心能力，可在偏心條件下正常工作。當(dāng)軸承外型尺寸相近，選用雙列圓柱滾子軸承可獲得更高的徑向承載能力，但該類型軸承不能承受軸向載荷。通常在徑向與軸向復(fù)合載荷條件選用圓柱滾子軸承時，需要采用添加止推軸承或其他類型的軸承來承受軸向負(fù)載。
2.雙列圓錐滾子軸承組合方式
采用雙列圓錐滾子軸承組合時，軸承一端通常設(shè)為“固定端”， 即軸承內(nèi)外圈端面均被頂緊不留間隙，起到軸向定位并承受軸向負(fù)載作用;另一端軸承為“浮動端”，用來吸收齒輪軸熱膨脹及累積公差。“浮動端”軸承只承受徑向載荷，軸承外圈端面與軸承座端蓋及擋肩應(yīng)預(yù)留足夠間隙，以抵消受熱膨脹后齒輪軸發(fā)生軸向位移，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為提高傳遞扭距，冶金齒輪箱大量選用斜齒輪的嚙合方式。在重載條件下，斜齒輪不易產(chǎn)生沖擊振動噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且承載能力較大，因此斜齒輪在重載傳動條件下優(yōu)于直齒輪傳動。但斜齒輪嚙合時會產(chǎn)生額外的軸向推力并作用到“固定端”軸承。當(dāng)軸向推力較大時，選用雙列圓錐滾子軸承作為“固定端”，或者添加止推軸承均是理想的解決辦法。當(dāng)齒輪軸只有單個斜齒輪嚙合，且齒輪軸“固定端”選用調(diào)心滾子軸承時，應(yīng)注意軸承所受最大軸向與徑向受力的比值關(guān)系。調(diào)心滾子軸承由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)軸承所受軸向力超過自身所受徑向力1/3或1/4(根據(jù)具體軸承系列而定)時，軸承會出現(xiàn)單側(cè)滾子受力，另一側(cè)滾子空載的情況。不受力端滾子在旋轉(zhuǎn)過程中無法在滾道中引導(dǎo)和定位，出現(xiàn)滾子歪斜、打滑和撞擊保持架等情況，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致保持架斷裂，軸承提前失效。雙列圓錐滾子軸承采用純滾動及滾子端面擋邊引導(dǎo)設(shè)計(jì)，通過控制軸承安裝游隙，可用于較大軸向受力及單列滾子承載工況，兩種類型軸承的特點(diǎn)與區(qū)別可參看圖2所示。“固定端”軸承承受徑軸向復(fù)合載荷，為了分擔(dān)軸承受力并提高使用壽命，“固定端”一般放在徑向受力較小的一側(cè)，“浮動端”放在徑向受力較大一端。有時選用調(diào)心滾子軸承來提高軸承的軸向承載能力，也會將“固定端”放在徑向受力較大的一側(cè)，在這種情況下，“固定端”調(diào)心滾子軸承承載能力應(yīng)高于“浮動端”軸承。
3.考慮實(shí)際工況和軸向載荷
錐型傘齒輪傳動與斜齒輪較為相似，齒輪嚙合時也會產(chǎn)生較大的軸向載荷，軸承選型也應(yīng)參考實(shí)際工況與軸向載荷大小。人字形齒輪傳動可當(dāng)作成對使用但旋向相反的錐齒輪應(yīng)用，人字形齒輪嚙合時不會產(chǎn)生軸向推力，在軋機(jī)齒輪箱中應(yīng)用較廣。選用人字形齒輪嚙合傳動時，輸入與輸出軸只需設(shè)置一個“固定端”軸向定位齒輪即可，其余位置均應(yīng)設(shè)為“浮動端”。“浮動端”軸承可采用圓柱或調(diào)心滾子軸承，“固定端”應(yīng)選用軸向承載能力較強(qiáng)的雙列圓錐滾子軸承。軸承優(yōu)化選型設(shè)計(jì)如圖3所示，“浮動端”軸承均采用單列圓柱滾子軸承。另外，在高速棒線材軋機(jī)齒輪箱應(yīng)用中，高速輸入軸經(jīng)常采用特殊設(shè)計(jì)的雙列圓錐滾子軸承來勝任高轉(zhuǎn)速、頻繁加速、減速、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)等苛刻軸承應(yīng)用條件。
4.考慮足夠的承載能力
軸承選型時除正確選擇軸承類型外，所選軸承是否具有足夠的承載能力也是要考慮的關(guān)鍵因素。計(jì)算軸承受力得出軸承理論壽命是最常用的衡量軸承承載能力的方法。冶金齒輪箱根據(jù)不同的應(yīng)用，一般都會有軸承最低理論壽命的要求，例如有些齒輪箱要求軸承最低壽命不低于5萬h，有些應(yīng)用要求不低于3萬h。通常在計(jì)算軸承壽命時，為得到保守軸承壽命，一般軸承旋轉(zhuǎn)速度選用平均工況條件轉(zhuǎn)速來替代最高旋轉(zhuǎn)速度。齒輪箱傳動在功率恒定條件下，轉(zhuǎn)速降低會導(dǎo)致扭矩提高，而扭矩提高會導(dǎo)致軸承受力變大。軸承壽命與轉(zhuǎn)速成1∶1反比關(guān)系，但與受力成10倍關(guān)系，即軸承受力增大一倍，軸承壽命會降低10倍。對于一些重載及轉(zhuǎn)速較低的應(yīng)用，理論軸承壽命結(jié)果通常無法真實(shí)反映軸承性能，通常主要考慮軸承額定當(dāng)量與軸承受力比值是否大于安全系數(shù)，更精確的方法是通過分析軟件計(jì)算軸承滾子的最大接觸應(yīng)力。
圖2 調(diào)心滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承的區(qū)別
軸承公差配合
冶金齒輪箱軸承通常處于重負(fù)載、沖擊載荷、高轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)速等苛刻的運(yùn)行環(huán)境中，正確地選取軸承公差配合不僅利于軸承的安裝，同時可確保重載和沖擊載荷條件下軸承不會出現(xiàn)跑圈情況。一般來說，軸承旋轉(zhuǎn)部件采用過盈配合，靜止不動的部件采用間隙配合。軸承實(shí)際過盈配合范圍不僅根據(jù)軸承大小變化，而且在重載和高轉(zhuǎn)速應(yīng)用條件下應(yīng)采用比常規(guī)應(yīng)用條件更大的過盈配合。在選用英制圓錐滾子軸承時，應(yīng)注意英制軸承與公制軸承自身公差帶的差異而相應(yīng)調(diào)整配合軸及軸承座公差尺寸的范圍。英制軸承內(nèi)外圈直徑公差范圍均為“加公差”，與公制軸承正好相反。若軸與軸承座公差范圍依然按照公制軸承選取，英制軸承內(nèi)外圈均會出現(xiàn)過渡配合情況，導(dǎo)致軸承外圈安裝困難而內(nèi)圈易跑圈，影響軸承使用壽命。英制軸承具體公差配合尺寸應(yīng)參照軸承供應(yīng)商推薦尺寸。與英制軸承相比，公制大尺寸軸承公差配合選取較為簡單，對于重載、軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)外圈靜止的應(yīng)用條件，內(nèi)徑尺寸范圍320~500?mm的大尺寸調(diào)心或圓柱滾子軸承，軸可采用r6公差范圍。對于內(nèi)徑尺寸超過500?mm的調(diào)心或圓柱滾子軸承，軸可采用r7公差范圍。調(diào)心或圓柱滾子軸承座公差范圍均可選用H7或G7。
軸承初始游隙
圓錐滾子軸承初始游隙與球軸承、調(diào)心和圓柱滾子軸承定義不同，是指軸向游隙(BEP)，其他軸承均為徑向游隙(RIC)。軸承的初始游隙決定了軸承安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)后的工作游隙。軸承的游隙決定了軸承工作承載區(qū)的大小，軸承初始游隙選擇太大會導(dǎo)致軸承工作承載區(qū)偏小，即承受力的滾子數(shù)量較少，導(dǎo)致軸承壽命降低。
圓錐滾子軸承游隙選擇太大還可能出現(xiàn)滾子磨損或撞擊保持架，導(dǎo)致保持架斷裂的情況發(fā)生。軸承初始游隙選擇太小會導(dǎo)致軸承發(fā)熱嚴(yán)重，出現(xiàn)軸承抱死和燒毀等情況。
冶金齒輪箱軸承初始游隙應(yīng)根據(jù)軸的過盈配合量及軸承最高旋轉(zhuǎn)速度推算得出。當(dāng)齒輪箱軸承內(nèi)圈與軸過盈配合時，軸承內(nèi)圈外徑會膨脹并吃掉部分初始游隙，初始游隙減掉過盈配合損失的游隙即為軸承的安裝游隙(MEP)。一般對于內(nèi)徑尺寸不超過400?mm的英制雙列圓錐滾子軸承，安裝后的游隙范圍應(yīng)不大于0.5?mm。對于內(nèi)徑超過400?mm的大尺寸軸承，安裝后的最大游隙范圍可放大到0.6?mm左右。
冶金齒輪箱軸承初始游隙選擇一般不考慮環(huán)境溫度，而只考慮軸承內(nèi)外圈差值溫度，因?yàn)榄h(huán)境溫度會導(dǎo)致軸熱膨脹，但軸承座環(huán)境溫度的影響也會導(dǎo)致熱膨脹。軸承安裝后的游隙(MEP)減掉軸承內(nèi)外圈差值溫升吃掉的游隙，得到最終軸承運(yùn)行游隙(OPE)。冶金齒輪箱大圓錐滾子軸承出于安全考慮，最終運(yùn)行游隙一般不允許出現(xiàn)負(fù)游隙。公制圓柱與調(diào)心滾子軸承初始游隙的選取方法與圓錐滾子軸承類似但更簡單，通常對于大尺寸、軸承內(nèi)圈過盈配合、外圈間隙配合和重載應(yīng)用條件，軸承初始游隙可采用標(biāo)準(zhǔn)C3游隙范圍。
圖3 人字形齒輪傳動軸承優(yōu)化選型
軸承安裝尺寸
軸承的安裝尺寸主要包括軸肩與軸承座擋肩直徑尺寸，以及軸與軸承座最大倒角半徑。對于圓錐滾子軸承，安裝尺寸還包括保持架安全間隙尺寸。軸肩與軸承座擋肩直徑尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照軸承要求選取，適當(dāng)?shù)某叽缈纱_保軸承端面有足夠的接觸面積，該尺寸太大或太小都會影響軸承使用。齒輪軸與軸承座最大倒角半徑應(yīng)小于軸承自身內(nèi)外圈倒角半徑，軸與軸承座倒角半徑過大會導(dǎo)致軸承無法安裝到位，造成內(nèi)外圈歪斜，影響軸承的正常使用。總之，在設(shè)計(jì)冶金齒輪箱時，應(yīng)重視軸承的安裝尺寸，不應(yīng)隨意增加或減少規(guī)定尺寸。
冶金齒輪箱苛刻的運(yùn)行環(huán)境對配用的軸承提出了更為嚴(yán)格的要求，采用高性能的軸承并正確使用軸承是確保齒輪箱連續(xù)可靠工作的前提條件。本文通過對冶金齒輪箱軸承選型、公差配合、初始游隙及安裝尺寸等要點(diǎn)作簡單介紹，可供冶金齒輪箱設(shè)計(jì)人員及設(shè)備維護(hù)人員參考。
