电梯专用双列角接触球轴承单元功能组合设计

陈庆熙

（中山市盈科轴承制造有限公司，广东中山 528437）

电梯专用双列角接触球轴承单元功能组合设计

陈庆熙

（中山市盈科轴承制造有限公司，广东中山 528437）

针对新型无机房电梯曳引系统轮系尺寸大幅减小，传统设计理念难以满足负荷能力问题，进行反绳轮（及导向轮）支承轴承与传输带轮功能组合设计，满足无机房电梯有限限位空间下承载能力和可靠性要求，实现电梯曳引传输系统带轮传递作用与轴承减摩作用有机结合。

电梯专用轴承；组合设计；应用

伴随着环保节能型无机房电梯的快速发展，采用具有高曳引力和高柔韧性多楔V型齿形钢丝复合带代替传统曳引钢丝绳的无机房电梯曳引系统，主机体积比传统电梯小70%以上，在大幅节省建筑空间，降低建造成本的同时，为乘客带来显著平稳、安静、洁净的搭乘感受，成为当代无机房电梯发展方向的代表，受到市场高度青睐。

作为其导向轮与反绳轮支承，轴承的承载能力、摩擦损失、运转噪音和密封、温升性能等直接影响电梯传动效率和轿厢升降平稳性，尤其在大幅减少的轮系尺寸下如何提供足够承载能力，成为该类电梯曳引系统实现的先决条件。本文以电梯反绳轮支承为例，进行支承轴承与传输带轮功能组合设计并推荐设计方法，充分满足无机房电梯有限限位空间下承载能力和可靠性要求，实现电梯曳引传输系统带轮传递作用与轴承减摩作用有机结合。

1 传统设计思路及其不足

本文所述无机房高速节能电梯采用高曳引力和高柔韧性多楔V型齿形钢丝复合带代替传统曳引钢丝绳（图1），摩擦带动张紧轮毂旋转，支承轴承承受电梯自重（或对重）、载重施加的径向载荷及电梯晃动可能产生的倾覆力矩。

图1 曳引媒介

传统设计理念通常将曳引轮系支承设计成带轮内嵌入标准轴承的部件式结构（图2（a）），带轮直径足够大时，可匹配嵌入较大轴承提供足够支承能力。本文所述电梯带轮直径仅85～150 mm，带轮和轴承套圈必须的壁厚限制了嵌入轴承的外形尺寸，约束了轴承中心圆直径、滚动体直径和数量，亦即限制了轴承的载荷能力，难以满足承载需求。

图2 结构对照

2 功能组合设计

为适应有限限位空间下承载能力要求，按照本文推荐的方法对轴承进行功能组合设计（图2（b）），以提高轴承负载能力和额定寿命、减少轴向窜动，确保电梯平稳、安静、可靠运行并具有结构简单、安装方便、免维护等使用特征。

（1）将轴承外圈外壁设计成带有多楔V型齿的带轮形状，使轴承与带轮合并为整体单元，有效增大轴承截面尺寸，取得较大的中心圆直径、滚动体直径和数量，进而增大轴承载荷能力。

（2）内部采用双列角接触球轴承结构，具有双向承载和抵抗倾覆力矩能力。同时该类轴承较小的轴向游隙，可有效预防电梯轿厢晃动引起的皮带轴向窜动。

（3）外圈齿廓按照齿形复合带对应形状设计（图3），力求高度吻合，防止硬性交割干涉并拥有最大接触面积。同时在齿峰和齿谷分别以一定弧度过渡（图3（b）），避让曳引带齿顶和齿根，防止硬性挤压造成皮带不正常损毁。

图3 多楔齿结构形状

（4）轴承单元设计成独立预润滑密封单元，出厂时预先注入适合运转工况的润滑脂，工作寿命周期内不需再润滑，实现免维护。其密封设计应针对外圈旋转时离心力易造成密封腔内油脂径向迁移并在旋转摩擦热压力引导下渗出[1]现象，设置一定减压孔隙或逃气凹槽，以获得最佳防泄漏效果。

（5）内圈内孔制作成安装孔，便于安装使用。

3 轴承结构参数优化

3.1 主参数优化设计

功能组合设计有效增大了轴承截面尺寸，令增大钢球直径Dw、球数Z和球组中心圆直径Dwp成为可能。应用拟静力学理论建立数学模型，优化轴承结构主参数，在满足一定约束条件下使轴承额定动载荷尽可能大[2-3]。

（1）建立目标函数

（2）设定约束条件

钢球直径Dw、钢球中心径Dwp、球数Z分别满足：

式中：Kw—钢球直径系数；Kz—钢球数量系数

（3）应用计算机辅助设计手段，通过局部网格法进行优化筛选，挑选满足Cr最大的Dw、Z和Dwp最佳点。

3.2 结构参数选取

充分利用轴承厚壁截面，选择适宜结构参数，获得最佳使用性能、使用寿命和有利于润滑油膜形成的接触形式和接触状态。

（1）接触角

接触角是角接触球轴承的重要设计参数，是轴承内部载荷分布、运动关系、摩擦、润滑等的重要影响因素[3]。电梯反绳轮轴承主要承受轿厢自重（或对重）和载重施加的径向载荷及其晃动产生的偏摆载荷，属中等载荷下非高速应用，推荐接触角α=25°。

（2）沟曲率系数

轴承工作时外圈旋转，不宜采用较大外沟曲率系数[2]。从等强度概念分析并经计算确认，内、外圈沟曲率半径系数分别选取fi=0.515/fe=0.525，可令两沟道处接触应力相近，有利于润滑和提高极限转速，降低振动和异音。

（3）挡边高系数

轴承在载荷作用下，球与滚道间形成接触椭圆（图4）。若电梯轿厢晃动产生较大倾覆力矩造成轴向过载，套圈挡边与沟道表面的交线将进入弹性接触区域，产生应力集中，出现接触椭圆被挡边边缘截断坏损[4]。设计时应选取适宜挡边高度，使接触椭圆边界落在挡边边缘，避免截断。参考国内外轴承样品并按选定接触角对比计算，挡边高系数建议选取：

外圈 Kie=0.4；

内圈 Ki2=0.4。

图4 接触椭圆

4 轴承性能对比分析

应用本设计方法并结合厚壁轴承套圈防淬裂及整体淬透性热处理、大展开长度多曲面精密复合磨削、低噪声双列角接触球轴承制造、轴承检测与试验、套圈表面防腐改性等多技术层面创新实践，令产品在包括负载能力、额定寿命、旋转精度、密封与温升性能、低噪音水平等在内的多项性能较之传统技术具有明显优势，代表型号分析对比结果如表1所列。

表1 轴承单元代表型号性能对比

5 结束语

本文给出的电梯专用双列角接触球轴承单元功能组合设计方法，已应用与多家轴承生产企业产品开发，成果产品配套世界高端乘客电梯，取得了显著经济效益。采用本设计方法，可提高轴承负载能力30%～60%、提高额定寿命120%、减少轴向窜动50%～70%，其可靠无泄漏密封设计可大幅简化日常维护，消除电梯箱体油污污染，带给乘客平稳、安静、洁净的运行感受度。此外，本研究方法对于其他应用领域有限空间内高轴向刚度、高承载能力轴承或通用零部件研发，同样具有积极的指导意义。

［1］赵联春.皮带张紧驱动外圈旋转轴承的摩擦学设计［A］.第六届中国轴承论坛论文集［C］.宁波，2011.

［2］T.A.Harris著.罗继伟等译.滚动轴承分析［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［3］角接触球轴承优化设计［Z］.洛阳轴研科技股份有限公司，2006.

［4］万长森.滚动轴承的分析方法［M］.北京：机械工业出版社，1985.

Combined-Performance Design of Double Row Angular Contact Ball Bearing Units Specialized in Elevator

CHEN Qing-xi
（TCB Bearing Manufacturing Co.，Ltd.，Zhongshan 528437，China）

In terms of the issue that classical design concept hardly satisfied the load capacity when dimensions of hoist system reduced on new types of non-machine room elevator，combined-performance of support pulley and mast pulley is designed to satisfy the load capacity and reliability requirement in limited space of non-machine room elevator，in order to realize the optimized combination of pulley transmission performance of elevator hoist system and the performance of friction reduction of bearings.

bearings specialized in elevator；combined-performance design；application

TH133.3

B

1009－9492(2014)05－0159－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.040

陈庆熙，男，1961年生，广东汕头人，大学本科，高级工程师。研究领域：轴承设计、制造与应用。已发表论文5篇。

(编辑：向 飞)

2014－04－22