張連海

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程中心，遼寧 瓦房店 116300）

長(zhǎng)臂采煤機(jī)截割頭用軸承性能對(duì)密封的影響分析

張連海

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程中心，遼寧 瓦房店 116300）

闡述了長(zhǎng)臂采煤機(jī)截割頭部位雙列圓錐滾子軸承的各種性能對(duì)密封圈使用效果的影響，運(yùn)用Romax軟件計(jì)算出在不同軸向載荷、不同軸向游隙時(shí)軸承產(chǎn)生的擺動(dòng)量和兩個(gè)安裝環(huán)的趨近量，最后提出軸承在選擇、安裝、加工控制時(shí)的幾點(diǎn)建議，為軸承的設(shè)計(jì)與加工提供一個(gè)理論依據(jù)，保證了密封圈的密封性能。

雙列圓錐滾子軸承；公差；游隙；變形；Romax軟件

1 前言

長(zhǎng)臂采煤機(jī)是一種工作在井下的采煤設(shè)備。相比于露天采掘，地下采煤的難度更大，環(huán)境也更惡劣，一旦因設(shè)備故障而停機(jī)，由于空間狹小、不方便使用大尺寸的拆卸和維護(hù)工具，維修將會(huì)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)煤炭產(chǎn)量帶來(lái)負(fù)面影響，因此，從一定意義上講，長(zhǎng)壁采煤機(jī)的性能與可靠性對(duì)于地下采煤作業(yè)的連續(xù)性以及采煤量的多少起著決定性作用。采煤機(jī)截割頭部位因長(zhǎng)期在煤炭中進(jìn)行掘進(jìn)工作其污染更為嚴(yán)重。截割頭部位的密封圈是一種非常重要的部件，其作用為防止污染物進(jìn)入到軸承和齒輪箱，同時(shí)也防止?jié)櫥托孤?。如果密封圈損壞就會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果，污染物會(huì)進(jìn)入到軸承及齒輪箱中使軸承損壞，潤(rùn)滑油的泄漏使軸承因油量不夠而無(wú)法得到充分的潤(rùn)滑形成了干摩擦，使軸承的溫度迅速升高，加速了軸承的磨損，造成了軸承的早期疲勞失效，影響采煤機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)研究表明，密封圈的密封效果不僅僅與密封圈的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，密封圈周圍部件的結(jié)構(gòu)尤其是軸承的性能更是直接影響著密封圈的使用效果。

安裝在長(zhǎng)臂采煤機(jī)截割頭部位密封圈附近的軸承一般都是雙列圓錐滾子軸承，該軸承對(duì)密封產(chǎn)生影響的因素主要包括軸承公差、軸承游隙、軸承變形等。

2 采煤機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)截割頭部位一般由動(dòng)環(huán)、定環(huán)、密封環(huán)和軸承等部件組成，如圖1。采煤機(jī)截割頭部位定環(huán)與動(dòng)環(huán)之間安裝后的軸向間隙一般設(shè)計(jì)為3~5mm，軸向間隙過大影響密封效果，軸向間隙過小造成采煤機(jī)工作時(shí)迷宮環(huán)磨損，因此采煤機(jī)定環(huán)與動(dòng)環(huán)安裝后的間隙應(yīng)控制在設(shè)計(jì)值上限。

3 軸承公差影響

軸承的公差包括內(nèi)徑公差、外徑公差、外圈寬度公差和內(nèi)圈寬度公差等。

圖1 截割頭部位安裝簡(jiǎn)圖

3.1 軸承內(nèi)徑公差

軸承內(nèi)圈與軸是過盈配合，其配合的最小過盈量應(yīng)保證在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)發(fā)生內(nèi)圈與軸相對(duì)蠕動(dòng)，如果發(fā)生相對(duì)蠕動(dòng)就會(huì)磨損軸承內(nèi)圈表面，如圖 2 所示，軸承內(nèi)徑表面中間部位因?yàn)檫^盈量不足相互蠕動(dòng)而產(chǎn)生了磨損，這樣會(huì)導(dǎo)致軸承的運(yùn)行游隙增大而影響密封圈的使用效果。為了避免過盈量不足而發(fā)生軸承內(nèi)圈與軸相對(duì)蠕動(dòng)，應(yīng)根據(jù)軸承的使用特點(diǎn)、受力情況、軸承溫升等條件利用公式（1）計(jì)算出軸承與軸配合所需的最小過盈量。軸承內(nèi)圈與軸配合的最大過盈量也不能過大，如果過大就會(huì)造成軸承內(nèi)圈脹裂，一般最大過盈不超過軸徑的1/1 000或者根據(jù)公式（2）計(jì)算的最大應(yīng)力 不大于120 MPa。

其中：

△d——最小過盈量，mm；

d——軸承內(nèi)徑，mm；

B——內(nèi)圈寬度，mm；

Fr——徑向負(fù)荷，N；

△T——軸承溫升，℃。

其中：

σ——最大應(yīng)力，MPa；

d——軸承公稱內(nèi)徑，mm；

Di——內(nèi)圈滾道直徑，mm；

△deff——內(nèi)圈有效過盈，mm；

do——中空軸內(nèi)徑，mm；

E——彈性模量，MPa。

利用公式（1）和公式（2）計(jì)算出軸承與軸配合的最小和最大過盈量后，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果來(lái)控制軸的加工公差，使軸承內(nèi)圈與軸的最小過盈要大于公式（1）計(jì)算出的最小過盈量，軸承內(nèi)圈與軸的最大過盈要小于公式（2）計(jì)算出的最大過盈量。

圖2 軸承內(nèi)徑磨損圖

3.2 軸承外徑公差

軸承外圈與軸承座為間隙配合，只需正常加工即可。

3.3 軸承內(nèi)圈與外圈寬度公差

根據(jù)截割頭部位的安裝特點(diǎn)（見圖 1），在軸承加工過程中，將軸承內(nèi)圈的寬度偏差控制在規(guī)定偏差的上限、軸承外圈的寬度偏差控制在規(guī)定偏差的下限，這樣安裝后就會(huì)使動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間迷宮的間隙趨近于設(shè)計(jì)間隙的上限，避免動(dòng)環(huán)與定環(huán)相互靠近過大而產(chǎn)生磨損。

4 軸承游隙及變形的影響

長(zhǎng)臂采煤機(jī)在運(yùn)行過程中的軸向竄動(dòng)主要是由軸承內(nèi)部軸向游隙引起的。由于采煤機(jī)在截煤過程中所受的軸向力大小和方向經(jīng)常發(fā)生不定的變化，因此會(huì)帶動(dòng)軸往復(fù)竄動(dòng)，軸承內(nèi)部游隙越大，該竄動(dòng)量也越大。而頻繁的軸向竄動(dòng)會(huì)使密封過早產(chǎn)生疲勞損傷，直至失效。當(dāng)密封失效后，煤屑和其他一些硬質(zhì)顆粒會(huì)進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，使軸承滾道產(chǎn)生剝落，同時(shí)也損傷到傳動(dòng)鏈上的其他部件如齒輪。因此，對(duì)于該竄動(dòng)量必須消除或嚴(yán)格控制，使之最小化。軸承游隙分原始游隙、安裝游隙以及運(yùn)行游隙。通常安裝游隙和運(yùn)行游隙都小于原始游隙。而安裝游隙與運(yùn)行游隙之間的大小關(guān)系取決于應(yīng)用條件，因?yàn)殡m然運(yùn)行時(shí)軸承的溫升會(huì)進(jìn)一步減小游隙，而同時(shí)軸承的滾道在受力情況下會(huì)有一定量的彈性變形，這又會(huì)增加游隙，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)游隙是比安裝后或大或小，是由運(yùn)行條件來(lái)決定的。為了確定軸承的原始游隙，應(yīng)根據(jù)軸承的運(yùn)行條件利用相應(yīng)的理論公式計(jì)算出軸承過盈安裝的游隙影響量、軸承溫度升高的游隙影響量、軸承受力變形的游隙影響量（這些影響量的計(jì)算公式能在《滾動(dòng)軸承分析》上找到），通過這些影響量然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)確定軸承的原始游隙需要多大，為軸承設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考值。

軸承在受力時(shí)發(fā)生彈性變形，變形和軸承游隙的共同作用下軸承在徑向方向上形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度（見圖 3），軸承的這種偏角使得安裝的定環(huán)向動(dòng)環(huán)靠近，導(dǎo)致迷宮磨損使密封失效。由于采煤機(jī)在截煤過程中所受的軸向力大小和方向經(jīng)常發(fā)生不定的變化，軸承在安裝時(shí)由于誤差的作用而使得軸承的運(yùn)行游隙發(fā)生變化，為此我們根據(jù)用戶提供的圖紙及工況信息運(yùn)用Romax軟件建立分析模型（見圖 4），計(jì)算過程均保持用戶提供的徑向力60t不變而軸向力發(fā)生變化。分析結(jié)果如圖 5。

運(yùn)用Romax所建的模型計(jì)算出軸承在不同軸向游隙（此游隙是根據(jù)加工產(chǎn)生的誤差和安裝產(chǎn)生的誤差相互影響而估算的）與不同軸向力的情況下的軸向位移和擺動(dòng)角度，然后用擺動(dòng)角度乘以迷宮環(huán)磨損位置到軸承中心線的垂直距離可以得到擺動(dòng)位移，用擺動(dòng)位移加上軸向位移可得到總體位移，此總體位移即為動(dòng)環(huán)向定環(huán)移動(dòng)的總位移量。計(jì)算結(jié)果見表 1 到表 6 所示。

圖3 截割頭部位軸承偏轉(zhuǎn)角示意圖

圖4 Romax模型圖

圖5 分析結(jié)果圖

表1 軸向游隙為0(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

表2 軸向游隙為324(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

表3 軸向游隙為484(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

表4 軸向游隙為780(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

表5 軸向游隙為1 250(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

表6 軸向游隙為1 623(μm)而軸向力不同時(shí)的結(jié)果

從上述各計(jì)算表中可以看出，在同等受力狀態(tài)下，隨著游隙的增大，軸承的軸向位移與擺動(dòng)位移均增大，導(dǎo)致最終的總體位移不斷增大；在軸向游隙不變時(shí)，總體位移會(huì)隨著軸向力的增大而增大，并且當(dāng)有沖擊載荷作用時(shí)這種變化會(huì)更加明顯。由于軸承的制造精度及安裝順序?qū)S承的游隙有著很大的影響，這會(huì)使得軸承的總體位移增大即動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間的軸向間隙減小，導(dǎo)致迷宮環(huán)磨損，因此依據(jù)上述計(jì)算和實(shí)際的運(yùn)行條件，軸承的工作游隙控制在0~0.324mm的范圍內(nèi)并趨近于零時(shí)比較合理。

5 結(jié)論

經(jīng)過上述分析計(jì)算可知，軸承對(duì)機(jī)構(gòu)中其他零件在工作中會(huì)產(chǎn)生一定的影響，軸承的工作狀態(tài)主要受軸承自身游隙、與軸承相關(guān)的安裝配合、軸承受力等因素的影響。其中軸承的受力是我們無(wú)法控制的因素，所以只能從以下幾個(gè)方面來(lái)改善目前整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作情況。

（1）對(duì)于此類內(nèi)、外圈均為定位安裝的軸承，根據(jù)安裝的特點(diǎn)應(yīng)將軸承外圈的寬度偏差在加工時(shí)控制在標(biāo)準(zhǔn)偏差的下限，內(nèi)圈的寬度偏差在加工時(shí)控制在標(biāo)準(zhǔn)偏差的上限，這樣會(huì)使動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間迷宮的軸向間隙趨近于設(shè)計(jì)值的上限，從而使機(jī)構(gòu)工作時(shí)減小動(dòng)環(huán)與定環(huán)的趨近量，避免迷宮磨損使密封失效。軸的配合公差和軸承外徑公差根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際的配合要求的情況來(lái)進(jìn)行控制。

（2）在軸承內(nèi)、外圈端面做安裝順序的對(duì)應(yīng)標(biāo)記，防止安裝過程中內(nèi)圈組件順序的混竄，避免因安裝順序的顛倒而使游隙增大。

（3）軸向原始游隙應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算作進(jìn)一步優(yōu)化，將游隙公差壓縮，使軸承的運(yùn)行游隙達(dá)到或接近于零，這樣會(huì)增大軸承的剛度，減小軸承的軸向位移和擺動(dòng)位移，使動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間的趨近量不會(huì)太大，從而減小迷宮磨損的幾率，避免密封的非正常失效。

[1] 趙福生,韓軍.采煤機(jī)減速器密封性能探討[J].煤礦機(jī)械,1997(1).

[2] 唐榮斌,劉昕,張寬.采煤機(jī)行星減速器軸承應(yīng)用分析[J].機(jī)械工程師,2012(11).

[3] T.A.Harris.Rolling Bearing Analysis[M].John Wiley & Sons Inc.1984.

[4] 賈群義.滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,1991.

（編輯：王立新）

Impact of bearing properties for long-arm shearer cutting head on seal

Zhang Lianhai
( Engineering Center, Wafangdian Bearing Group Co.,Ltd., Wafangdian 116300, China )

This paper illustrates the impact of the properties of the double row tapered roller bearing on the long-arm shearer cutting head on use effect of the seal ring. Romax software is used to calculate oscillating quantity of the bearing and the approaching amount of the two erection rings under different axial loads and axial clearances. Finally suggestions on selection, installation and processing control of the bearing are proposed as a theoretical basis of bearing design and processing to keep seal properties of seal ring .

double row tapered roller bearings; tolerance; clearance; deformation; Romax software

TH133.33+2

A

1672-4852（2016）04-0014-03

2016-10-24.

張連海（1974-），男，工程師.