馮 超 邵穎慧 潘玉竹

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一種大載荷傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮 超 邵穎慧 潘玉竹

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

大載荷傳動(dòng)軸通常采用推力球軸承與圓柱滾子軸承組合使用，本文介紹一種在緊湊空間下，使用一組推力調(diào)心滾子軸承同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)心與承載功能的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并通過有限元仿真及加載試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)總結(jié)出軸承裝配工藝實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，為空間受限的大載荷下傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

大載荷；傳動(dòng)軸；定位結(jié)構(gòu)

1 引言

在大載荷傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用推力球軸承與圓柱滾子軸承組合使用。推力球軸承主要用于承載，而圓柱滾子軸承主要用于徑向的定位和承受外部的徑向力[1]。但由于圓柱滾子軸承體積較大，對(duì)于空間受限的使用環(huán)境，則無法使用圓柱滾子軸承，此時(shí)就需要對(duì)軸承選型及定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用單組軸承實(shí)現(xiàn)調(diào)心與承載的功能。本文從某大型設(shè)備用千斤頂傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)入手，通過改進(jìn)定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)軸承選型等方式，設(shè)計(jì)出一種使用推力調(diào)心滾子軸承同時(shí)滿足承載與調(diào)心的傳動(dòng)軸，并經(jīng)仿真計(jì)算與樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 千斤頂結(jié)構(gòu)介紹

某大型設(shè)備用千斤頂是一種典型的螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過螺紋實(shí)現(xiàn)承載及升降功能，屬于典型的低速大承載結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其承力順序?yàn)椋簹んw→推力軸承→軸承座→螺桿→螺母→底座，殼體直接承受壓載荷，通過推力軸承將載荷傳遞給軸承座、螺桿，螺桿通過螺紋將載荷傳遞給螺母、底座，升降功能通過螺桿在螺母上的升降實(shí)現(xiàn)。

為改善螺桿受力，有別于一般的軸承座設(shè)計(jì)，將軸承座設(shè)計(jì)在了軸承軸圈。實(shí)際應(yīng)用中，使用了多組千斤頂共同頂起一個(gè)大型地面設(shè)備，由于設(shè)備承載噸位較大，需要將千斤頂密集分布并且距地高度較低，從而實(shí)現(xiàn)了較大的安全系數(shù)。在此空間尺寸下的千斤頂設(shè)計(jì)中，受限于殼體直徑尺寸，又需要盡可能提高千斤頂升降行程，若采用雙軸承方案必然無法滿足要求。為此設(shè)計(jì)出一種使用單個(gè)推力調(diào)心滾子軸承承載，輔助有定位套的傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)，通過取消徑向定位軸承的方式達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 千斤頂組成及結(jié)構(gòu)示意圖

3 傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軸承選型

選擇軸承類型或結(jié)構(gòu)的一般流程為：有效空間→軸承載荷→調(diào)心性能→運(yùn)轉(zhuǎn)速度→旋轉(zhuǎn)精度→剛性→噪聲與振動(dòng)→軸向位移→摩擦力矩→安裝和拆卸。在分析軸承載荷時(shí)，應(yīng)按基本額定靜載荷或基本額定動(dòng)載荷選擇軸承尺寸，并根據(jù)載荷工況確定合適的安全系數(shù)[2]。千斤頂轉(zhuǎn)速低于10r/min，因此按額定靜載荷進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)軸承工作中處于靜止或緩慢旋轉(zhuǎn)（≤10r/min）時(shí)，軸承的基本額定靜載荷可按下式確定。

0≥00

0——額定靜載荷；0——當(dāng)量靜載荷，若軸承靜止或轉(zhuǎn)速較低，需根據(jù)實(shí)際受載工況換算當(dāng)量靜載荷；0——安全系數(shù)。對(duì)于靜止軸承、緩慢擺動(dòng)和轉(zhuǎn)速極低的軸承，安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。根據(jù)洛軸使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于推力調(diào)心滾子軸承，無論其旋轉(zhuǎn)與否，均應(yīng)取0≥4。

經(jīng)靜載計(jì)算，若選推力球軸承（GB/T301—1995）與圓柱滾子軸承組合使用，徑向與軸向空間不滿足要求，而選用推力調(diào)心滾子軸承（GB/T5859—1994）在同尺寸下的承載能力相當(dāng)，自身具備調(diào)心能力，可單獨(dú)使用，但為保證傳動(dòng)軸的穩(wěn)定性，還需要在傳動(dòng)軸設(shè)置徑向定位結(jié)構(gòu)。

3.2 定位間隙設(shè)計(jì)

軸承在使用中，由于承受載荷軸會(huì)產(chǎn)生撓曲，同時(shí)加工安裝存在誤差，會(huì)導(dǎo)致滾道上載荷分布不均，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中并導(dǎo)致疲勞失效[3]，如圖2所示，因此需要對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行徑向定位，以確保軸承安全。千斤頂采取措施為：在傳動(dòng)軸上設(shè)置高強(qiáng)鋼制軸承座，提高軸承與軸的安裝精度并提高安裝面剛度；在軸承遠(yuǎn)端設(shè)置銅制定位套，限制傳動(dòng)軸遠(yuǎn)端的徑向晃動(dòng)量。

圖2 斷裂軸承座圈

在設(shè)計(jì)軸承座時(shí)需控制與軸承的配合間隙略小于軸承標(biāo)準(zhǔn)游隙，以保證對(duì)軸承的定位精度不低于圓柱滾子軸承。徑向游隙是軸承在套圈固定，另一套圈不受載時(shí)，該套圈沿軸向或徑向在極限位置的最大位移，游隙直接影響軸承的載荷分布，最終影響壽命[4]。對(duì)于低轉(zhuǎn)速、高載荷下的工況推薦選用0組游隙。千斤頂在軸承座設(shè)計(jì)時(shí)將軸承外圈與承載殼體配合間隙設(shè)計(jì)為0.001D（D為軸承外徑），與傳動(dòng)軸配合結(jié)構(gòu)公差設(shè)計(jì)為H8/h8，從而將累積最大間隙控制在0.2mm內(nèi)，小于圓柱滾子軸承基本組最小游隙，軸承座能夠起到定位作用。

為保證軸承座自身剛度并與傳動(dòng)軸安裝牢固，將軸承座與傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為過盈配合H7/js6。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮溫差法裝配的工藝要求：為保證軸承座H7/js6配合尺寸的最大過盈量小于加熱后軸承座的內(nèi)徑增大量，否則需考慮其它過盈裝配方式。使用溫差法進(jìn)行過盈裝配，最大外徑增大量計(jì)算如下：

其中，配合面壓強(qiáng)：

此外，還在軸承遠(yuǎn)端設(shè)置了定位套，與軸承座共同實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸的兩端定位。定位套與傳動(dòng)軸尺寸配制，設(shè)計(jì)最大間隙0.001D，小于圓柱滾子軸承基本組最小游隙。定位套使用銅合金制造，具有較好的耐磨性與自潤(rùn)滑性，不會(huì)影響傳動(dòng)效率。

3.3 軸承預(yù)緊工藝

軸承在裝配時(shí)，應(yīng)施加一定的預(yù)緊力，使軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道之間受力產(chǎn)生預(yù)變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外圈與全部滾動(dòng)體的壓緊[5]。推力調(diào)心滾子軸承應(yīng)采用軸向定壓預(yù)緊，最小軸向預(yù)緊力應(yīng)大于1‰的額定靜載荷。千斤頂在實(shí)際裝配時(shí)，將承載殼體從上往下套入壓在軸承上，利用自重進(jìn)行軸承的預(yù)緊，如圖3所示。自重預(yù)緊后剩余的預(yù)緊力，通過力矩扳手?jǐn)Q緊傳動(dòng)軸底部的圓螺母，使圓螺母壓緊螺桿從而精確施加。對(duì)于低速重載的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，裝配工藝的合理性更重要，將直接影響產(chǎn)品的最終性能[6]。

圖3 千斤頂軸承裝配流程

4 有限元仿真分析

對(duì)傳動(dòng)軸及軸承座的受力情況進(jìn)行有限元分析（見圖4～圖7）：按200t軸向最大靜載荷計(jì)算，徑向載荷較小故忽略不計(jì)，螺桿材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，許用應(yīng)力835MPa，計(jì)算最大應(yīng)力335MPa，最大靜載下的安全系數(shù)2.5，位于輸出軸端面根部；最大變形0.23mm，位于軸承座外沿。計(jì)算表明傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軸承安裝內(nèi)圈根部的應(yīng)力情況，確保軸承座根部及傳動(dòng)軸端面的剛強(qiáng)度滿足要求。

圖4 軸承座與傳動(dòng)軸應(yīng)力分布圖

圖5 軸承座與傳動(dòng)軸變形分布圖

圖6 傳動(dòng)軸上軸承座安裝部位變形分布圖

圖7 傳動(dòng)軸上軸承座安裝部位應(yīng)力分布

5 承載試驗(yàn)分析

千斤頂裝配后，為保證傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，裝配質(zhì)量合格，設(shè)計(jì)了專用試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)采用5組相同樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，通過加載多級(jí)載荷的方式對(duì)定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載油缸、油源、加載工裝組成，如圖8所示。采用加載油缸對(duì)千斤頂?shù)鬃┘虞d荷，加載油缸具有隨動(dòng)功能，以保證加載力的恒定。試驗(yàn)結(jié)果表明，在50t載荷下的系統(tǒng)壓力較低，測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)，但在200t額定載荷下的試驗(yàn)系統(tǒng)壓力與理論值吻合，且傳動(dòng)軸在各級(jí)載荷下的升降動(dòng)作平穩(wěn)，如表1所示。

圖8 千斤頂試驗(yàn)方案示意圖

表1 千斤頂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

在千斤頂?shù)难b配過程中，總結(jié)了許多軸承裝配、驗(yàn)收及工藝實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，在同類設(shè)計(jì)中可作為參考。

a. 進(jìn)行軸承上表面轉(zhuǎn)動(dòng)端跳檢測(cè)，確保軸承安裝面的平面度。千斤頂在實(shí)際加工時(shí)，要求該面端跳不大于0.1mm；

b. 裝配后，對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩進(jìn)行測(cè)量，對(duì)運(yùn)行效率進(jìn)行確認(rèn)；

c. 出廠前，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行額定載荷承載試驗(yàn)，試驗(yàn)后需分解軸承及軸承座著色探傷，不允許出現(xiàn)裂紋；

d. 試驗(yàn)后，應(yīng)分解軸承進(jìn)行壓痕檢查，滾道和擋圈表面不允許出現(xiàn)異常劃傷。

通過設(shè)計(jì)一種單組軸承的大載荷傳動(dòng)軸定位結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在空間受限下的低速重載傳動(dòng)軸定位，總結(jié)出軸承質(zhì)量及裝配工藝實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，為緊湊結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

1 梁云，夏春晶. 高速客車轉(zhuǎn)向架軸箱軸承選型設(shè)計(jì)[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2015(7)：1，4，5，8

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6 田立新，施偉斌，高培濤，等. 艙段產(chǎn)品高精度裝配工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2011(3)：66～67

Design of A New Positioning Structure for Heavy Load Transmission Shaft

Feng Chao Shao Yinghui Pan Yuzhu

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076)

In general, the transmission shaft is supported with both thrust ball bearing and cylindrical roller bearing. In the current paper, a new transmission positioning structure by using one pair of spherical roller bearings is introduced for the heavy load application, to meet the requirement of positioning and load supporting. The finite element simulation and loading test are both carried out for verification. The experience for the shaft assembly process are summarized, which can provide reference for the design of heavy load transmission shaft positioning under limit space.

heavy load；transmission shaft；positioning structure

馮超（1985），工程師，熱發(fā)射技術(shù)專業(yè)；研究方向：發(fā)射裝置設(shè)計(jì)。

2018-02-28