肖英

（舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

齒輪箱技術(shù)發(fā)展的一個重要方向就是結(jié)構(gòu)緊湊和高可靠性運轉(zhuǎn)，這就對齒輪箱中的軸承提出更高的要求，如更大的承載能力，更高的轉(zhuǎn)速，更低的摩擦損耗，甚至特定情況下的應(yīng)急特性要求。各大軸承廠家進(jìn)一步提升軸承技術(shù)，如更嚴(yán)格的鋼材選擇、優(yōu)化的軸承設(shè)計、更好的磨削技術(shù)等的綜合運用，使其產(chǎn)品達(dá)到新的高度，其中舍弗勒的x-life系列產(chǎn)品是一個典型的代表。

齒輪箱廣泛運用于各個行業(yè)，其運轉(zhuǎn)工況差異性很大，尤其是某些行業(yè)主機的載荷變化差異很大，例如風(fēng)電行業(yè)和錐式破碎機。國內(nèi)齒輪箱廠家出于安全性考慮，選擇承載能力更高的大軸承，這對于重載工況有利；如果齒輪箱面臨多種工況，甚至是低載高速以及潤滑不良，軸承就有打滑損傷的風(fēng)險［1］。一旦軸承發(fā)生打滑，并損傷到滾道面時，工作中的齒輪箱就有異常的噪音和顯著的溫升，如果不采取有效措施，軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)惡化，摩擦增加，溫度進(jìn)一步升高，軸承工作游隙減小甚至出現(xiàn)負(fù)游隙，軸承溫度升高更快。工作中的軸承熱平衡一旦被破壞，各種惡性事故將會發(fā)生，如軸承卡住、燒毀；齒輪打齒，斷齒；甚至抱軸、斷軸。

齒輪箱中的中、高速級軸承由于其轉(zhuǎn)速高、載荷輕易出現(xiàn)打滑；滿裝圓柱滾子軸承無保持架，功率密度高，不能避免滾子和滾子之間、滾子和套圈之間的直接接觸，打滑不可避免。加之潤滑不充分，則會造成軸承早期失效，這成為齒輪箱廠家所面臨的一個共同難題。

1 打滑分析及失效機理

1.1 打滑分析

1.1.1 打滑

高速、輕載以及設(shè)備啟動和停機時易出現(xiàn)軸承打滑，在此以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中的齒輪箱和錐式破碎機中的軸承為例分析易于出現(xiàn)打滑的原因以及危害。

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)用齒輪箱，目前主流設(shè)計方案是一級行星加兩級平行軸傳動或者兩級行星加一級平行軸的傳動方案。滿裝圓柱滾子軸承由于其功率密度高、轉(zhuǎn)速低常應(yīng)用于第一級行星輪軸承，第二級行星輪軸承采用帶保持架的圓柱滾子軸承，高速軸采用圓柱滾子軸承和配對圓錐滾子軸承或者圓柱滾子軸承和四點接觸球軸承。由于其主機載荷的頻繁變化，軸承內(nèi)部組件速度、載荷變化頻繁，第一級的滿裝圓柱滾子軸承和高速軸上的圓柱滾子軸承打滑風(fēng)險很高，影響軸承的正常使用，導(dǎo)致軸承早期失效。而風(fēng)電行業(yè)中設(shè)計壽命要求20年，若軸承非計劃的失效將會導(dǎo)致昂貴的吊裝維護(hù)費用，更嚴(yán)重將會導(dǎo)致整個風(fēng)機的倒塌、風(fēng)場失火、電網(wǎng)波動等后果。

錐式破碎機即破碎機，是電動機通過傳動裝置帶動偏心套旋轉(zhuǎn)，動錐在偏心軸套的迫動下繞一固定做旋擺運動，從而使錐式破碎機的破碎壁時而靠近、時而離開固裝在調(diào)整套上的軋白壁表面，使得礦石在破碎腔內(nèi)不斷沖擊，擠壓和彎曲作用從而實現(xiàn)礦石的破碎。圓柱滾子軸承會作為上下部的徑向軸承使用，圓錐滾子和推力圓柱滾子軸承作為上下部軸向軸承使用。在運行過程中下部徑向和軸向軸承輕載，即軸承不能滿足最小載荷，易于出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，軸承失效將會導(dǎo)致斷軸事故。

1.1.2 滾動體打滑

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止的軸承在承受滿足最小載荷的情況下，軸順時針旋轉(zhuǎn)，滾動體組件從非承載區(qū)進(jìn)入承載區(qū)，經(jīng)過加速區(qū)使得滾動體組件達(dá)到正確的動力學(xué)速度，隨后滾動體組件從承載區(qū)平穩(wěn)進(jìn)入減速區(qū)，軸承部件由此周而復(fù)始地運動。圖1是滾動體組件旋轉(zhuǎn)一周承載區(qū)域分布圖。

圖1 滾動體承載區(qū)域分布圖

對滾動體運動速度進(jìn)行檢測，得到圖2滾動體打滑運動曲線，從曲線中能夠看到滾動體組件在即將離開承載區(qū)時轉(zhuǎn)速最大，然后轉(zhuǎn)速慢慢變小到滾動體初始速度，隨后滾動體組件經(jīng)過一個短暫的加速區(qū)再次進(jìn)入承載區(qū)，由此周而復(fù)始。

在加速區(qū)，轉(zhuǎn)速變化快，常發(fā)生滾動體打滑，但是軸承滿足了最小載荷要求，能夠形成承載區(qū)，因此常常被忽略。若出現(xiàn)滾動體打滑現(xiàn)象，個別滾動體速度低于正常動力學(xué)速度，將會摩擦生熱。

圖2 滾動體打滑運動曲線

1.1.3 滾動體組件打滑

圖3 滾動體組件打滑運動曲線

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止的軸承，所受載荷不能滿足最小載荷要求，軸的轉(zhuǎn)速從零增加到恒定轉(zhuǎn)速。在軸達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速之后，對其施加大于最小載荷的外部載荷。對軸、保持架組件的速度進(jìn)行全過程檢測，得到圖3滾動體組件打滑運動曲線。

從試驗結(jié)果可以看出，軸承不能滿足最小載荷要求，無法形成承載區(qū)，軸的速度平穩(wěn)增加，保持架組件的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸的速度，系統(tǒng)的噪聲很大，保持架打滑比率很高；當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定時，對其施加大于最小載荷的外部載荷，保持架組件速度大幅度提高，系統(tǒng)噪聲降低，保持架打滑比率大幅度降低。

導(dǎo)致滾動體組件打滑的主要原因是缺少載荷，內(nèi)圈滾道和滾動體之間的摩擦力不足以支撐純滾動，滾動體和保持架的速度低于保持正常動力學(xué)運動的速度［2］。滾動體打滑將會導(dǎo)致噪聲，在實際應(yīng)用中是易于診斷的。通過再潤滑能夠短暫使得該噪聲消失。由于保持架和軸的速度差別很大，因此可以從開箱的軸承端部看到此現(xiàn)象。

1.2 打滑失效機理

打滑是一種現(xiàn)象，本身不會造成軸承的損壞，當(dāng)潤滑不充分（κ＜1）的情況下，即潤滑油膜不能夠防止金屬對金屬的直接接觸時，打滑會產(chǎn)生滑動摩擦，這會引起黏著磨損。黏著磨損是金屬材料從接觸的一個表面向另外一個表面轉(zhuǎn)移。主要的表現(xiàn)形式是灰變、擦傷、熱斑?；易兒筒羵堑湍苻D(zhuǎn)換，會導(dǎo)致接觸表面的應(yīng)力集中或磨損，而熱斑是高能轉(zhuǎn)換，會導(dǎo)致微觀組織結(jié)構(gòu)變化。

任何一種形式的打滑都不會立即導(dǎo)致軸承失效，但是會對軸承材料性能、接觸幾何形狀以及應(yīng)力分布造成影響，隨之微蝕之后發(fā)生點蝕，最終導(dǎo)致軸承早期失效。

2 預(yù)防措施

選擇合適的軸承使其滿足最小載荷要求將會減小打滑風(fēng)險的發(fā)生，或者通過改善摩擦行為、減少在混合摩擦下的磨損、減緩打滑的損害或者避免發(fā)生打滑，由此有如下預(yù)防措施。

2.1 軸承選擇和最小載荷要求

2.1.1 軸承選擇

齒輪傳動包括圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、雙曲面齒輪傳動、行星齒輪傳動。深溝球軸承承受徑向載荷和兩個方向的軸向載荷，摩擦小，高轉(zhuǎn)速，價格便宜，常應(yīng)用于必須對軸進(jìn)行軸向定位且負(fù)載相對小的場合。角接觸球軸承的能承受比深溝球軸承更大的軸向載荷，單列和雙列角接觸球軸承優(yōu)先用于蝸桿的定位端軸承，四點接觸球軸承主要作為推力軸承用于高速的圓柱齒輪傳動，軸承的外圈要徑向自由。

圓柱滾子軸承高徑向承載能力、低摩擦性能、適合的速度范圍廣、在承受徑向載荷的情況下可以承受中等程度的軸向載荷、在外部徑向加速度時運轉(zhuǎn)良好、安裝拆卸方便常用于所有高性能傳動的非定位端軸承。在圓柱齒輪傳動中，甚至在由螺旋齒產(chǎn)生的既有軸向載荷又有徑向載荷時，最常放置在中間軸上［3］。圓柱滾子軸承由于其不同的法蘭結(jié)構(gòu)（NU，NJ，N，NUP，SL，RSL 設(shè)計）使得軸承適用于很多的應(yīng)用場合。而且不同的保持架設(shè)計提高了軸承的應(yīng)用范圍。

調(diào)心滾子軸承的自調(diào)心和高的性價比在齒輪箱中廣泛使用。圓錐滾子軸承的承受重的復(fù)合載荷性能應(yīng)用在斜齒圓柱齒輪箱、圓錐及圓錐/圓柱齒輪箱和蝸桿齒輪箱中，通過不同的接觸角可達(dá)到改善軸的剛度和優(yōu)化引導(dǎo)并提高使用壽命。推力調(diào)心滾子軸承的軸向承載和自調(diào)心能力常應(yīng)用在驅(qū)動機器產(chǎn)生軸向力的場合，如擠壓機和水輪機齒輪箱。這種軸承成功應(yīng)用在大型重載圓錐和蝸桿傳動中的小齒輪軸和蝸桿軸上。

2.1.2 最小載荷要求

為了保證軸承的正常運轉(zhuǎn)，需要滿足最小載荷要求，舍弗勒公司對軸承最小載荷要求如下：圓柱滾子軸承的最小載荷要求為Frmin=C0r/60；調(diào)心滾子軸承的最小載荷要求為P/Cr＞0.02；圓錐滾子軸承的最小載荷要求P/Cr＞0.02；球軸承的最小載荷要求為P/Cr＞0.01；四點接觸球軸承要滿足最小載荷要求Fa≥1.2Fr。對于四點接觸球軸承只承受純軸向力的時候，它能夠達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。推力調(diào)心滾子軸承的徑向載荷不能超過55%的軸向載荷。最小載荷要求［4］為其中：Frmin為最小徑向載荷；C0r為基本額定靜載荷；P為當(dāng)量動載；Cr為基本額定動載荷；Fa為軸向載荷；Fr為徑向載荷；Famin為最小軸向載荷；C0a為基本額定靜載；Ka為確定最小載荷系數(shù)；n為最高轉(zhuǎn)速。

2.2 黑色氧化處理

黑色氧化處理［5］是將鋼或鑄鋼浸泡在 130～150°C 的鹽溶液中，在其表面形成厚度介于0.5～2滋m的FeO和Fe2O3混合氧化物。表面顏色介于深棕色到黑色之間。低溫處理后的軸承的內(nèi)部基體組織沒有發(fā)生改變，對安裝配合的影響可忽略不計。經(jīng)處理過的表面更加平滑，粘附力更小，磨損更低，從而防止打滑引起的磨損，也優(yōu)化了防銹性能。根據(jù)需要可選擇滾動體和兩套圈，部分或全部黑色氧化處理。該方案改善軸承在運行中的性能，能夠減小打滑對軸承的損傷，不能從根本上解決打滑問題。

2.3 碳基涂層

碳化鎢/碳涂層［6］是在未被氧化的軸承表面形成SP3金剛石和SP2石墨組成的非結(jié)晶SP3+SP2，顏色是亞光灰黑色。0.5～4滋m的涂層厚度不影響軸承的安裝尺寸，與標(biāo)準(zhǔn)軸承可相互替換。碳基涂層顯著減少了軸承在混合潤滑和邊界潤滑條件下的摩擦系數(shù)，在外形尺寸不變的情況下，摩擦力矩降低40%以上，特別適合大型高打滑風(fēng)險的工況。表面硬度1 100～1 500HV，使得耐磨性和抗污染性能都很好，從而增加了軸承在不良潤滑條件下的使用壽命。涂層只需要在滾動體上使用即可達(dá)到良好的效果。

2.4 空心滾子軸承

空心滾子軸承即在整個圓周三等分處采用空心滾子，中間有支撐體，有一定預(yù)緊。其它位置采用實心滾動體，有一定的間隙。輕載時，三個空心滾子的過盈量使得整個軸承滿足最小載荷要求；重載時，空心滾子剛度小，變形不承擔(dān)載荷，實心滾子將起承載作用來滿足設(shè)備承載作用。

舍弗勒對標(biāo)準(zhǔn)NU2332-E-M1-C3軸承和帶三個空心滾子的NU2332-E-M1-C3在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗，施加越來越大的徑向載荷，得到兩類軸承的打滑比率如圖4所示。橫軸為載荷，縱軸為打滑率。

圖4 NU2332-E-M1-C3改進(jìn)前后打滑比例和載荷區(qū)線圖

從試驗結(jié)果看出，在低于最小載荷26.4 kN區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)NU2332-E-M1-C3在加載過程中，隨載荷增加，打滑率從80%降低到2%左右，當(dāng)載荷超過最小載荷要求之后，打滑率將保持在2%左右；卸載時，隨載荷減小，打滑率又從2%增加到80%。而對帶三個空心滾子的NU2332-E-M1-C3軸承，即使載荷在低于軸承最小載荷要求時，打滑率依然很低。

2.6 薄壁保持架軸承

對于行星輪軸承，特殊設(shè)計一款保持架來改變保持架的尺寸，將滾子和滾子分開，避免滾子與滾子的直接接觸，又不改變保持架的剛度。舍弗勒公司設(shè)計了一款特殊保持架是將兩片保持架嵌套在一起，內(nèi)層保持架提供自保持功能和與滾動體接觸功能，外層保持架提供高的剛性，同時優(yōu)化與滾動體運行時接觸的表面。該款保持架有很好的自保持功能，即受限的滾動體徑向下垂量使得安裝時無需安裝套，即使無內(nèi)圈，滾動體仍不會掉落。

2.7 整合式設(shè)計

空間限制了行星輪軸承的選擇，整合式設(shè)計即采用無外圈軸承，將行星輪內(nèi)孔作為軸承的外圈滾道，這樣增加了軸承的可用空間，可采用帶保持架無外圈的軸承，可減小所需的最小載荷，又避免了滾子和滾子之間的直接接觸，使設(shè)計緊湊又避免了軸承打滑問題。圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承都可以采用該種方案。圖5是顯示了圓柱/圓錐滾子軸承的整合式設(shè)計。

圖5 圓柱/圓錐滾子軸承整合式設(shè)計

行星輪的內(nèi)孔作為軸承的外滾道，對行星輪的幾何尺寸和內(nèi)孔表面都有特殊要求；不同的加工工藝導(dǎo)致退刀槽的不同尺寸要求；對于行星輪的材料、硬化層深度、殘余奧氏體含量、鋼的純凈度，微觀組織結(jié)構(gòu)等都有要求。當(dāng)齒輪箱廠家要采用該種設(shè)計方案時，請聯(lián)系軸承廠家，尋求他們的幫助來完善設(shè)計和加工制造，使得齒輪箱有更好的性能。

3 結(jié)論

打滑包括滾動體打滑和保持架組件打滑，滿足最小載荷可能會出現(xiàn)滾動體打滑，不滿足最小載荷將會出現(xiàn)保持架組件打滑風(fēng)險。設(shè)備運轉(zhuǎn)工況的復(fù)雜性和多樣性使得軸承在整個生命周期會同時或交替出現(xiàn)兩種打滑現(xiàn)象。滾動體打滑只需驅(qū)動個別滾動體，而保持架組件需驅(qū)動整個保持架組件達(dá)到正常的動力學(xué)運轉(zhuǎn)速度，因此滾動體組件打滑的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。打滑加之潤滑不充分則會導(dǎo)致軸承的早期黏著磨損，從而影響軸承的正常使用。

合理選擇軸承類型和尺寸、減小打滑對軸承的損傷和避免打滑是解決打滑失效問題的主要方向。根據(jù)不同軸承類型的特點、適合的工況以及所需要的最小載荷要求選擇合適的軸承可以減小打滑的風(fēng)險。

黑色氧化處理可減緩打滑，碳基涂層可減小軸承在邊界潤滑條件下摩擦力，從而較緩打滑失效風(fēng)險，卻不能根本解決打滑問題?？招臐L子軸承利用不同載荷情況下，空心或?qū)嵭臐L子的不同尺寸來承載，避免軸承打滑；薄壁保持架軸承，將滾子和滾子分開，避免滾子與滾子的直接接觸，又不改變保持架的剛度；利用帶保持架的圓柱滾子、圓錐滾子軸承和調(diào)心滾子軸承作為整合式設(shè)計，即行星輪內(nèi)孔作為軸承的外圈滾道，可以從根本上解決行星輪軸承打滑的問題。行星輪內(nèi)孔作為滾道，對行星輪內(nèi)孔外形尺寸、熱處理、材料都有詳細(xì)的要求。

針對具體的應(yīng)用工況和具體的問題可將上述各方案組合使用從而得到最佳的方案來滿足設(shè)備的正常高效的運轉(zhuǎn)。

［參考文獻(xiàn)］

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