齿轮箱轴承打滑损伤及预防措施

肖英

（舍弗勒贸易（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

齿轮箱技术发展的一个重要方向就是结构紧凑和高可靠性运转，这就对齿轮箱中的轴承提出更高的要求，如更大的承载能力，更高的转速，更低的摩擦损耗，甚至特定情况下的应急特性要求。各大轴承厂家进一步提升轴承技术，如更严格的钢材选择、优化的轴承设计、更好的磨削技术等的综合运用，使其产品达到新的高度，其中舍弗勒的x-life系列产品是一个典型的代表。

齿轮箱广泛运用于各个行业，其运转工况差异性很大，尤其是某些行业主机的载荷变化差异很大，例如风电行业和锥式破碎机。国内齿轮箱厂家出于安全性考虑，选择承载能力更高的大轴承，这对于重载工况有利；如果齿轮箱面临多种工况，甚至是低载高速以及润滑不良，轴承就有打滑损伤的风险［1］。一旦轴承发生打滑，并损伤到滚道面时，工作中的齿轮箱就有异常的噪音和显著的温升，如果不采取有效措施，轴承运转状态恶化，摩擦增加，温度进一步升高，轴承工作游隙减小甚至出现负游隙，轴承温度升高更快。工作中的轴承热平衡一旦被破坏，各种恶性事故将会发生，如轴承卡住、烧毁；齿轮打齿，断齿；甚至抱轴、断轴。

齿轮箱中的中、高速级轴承由于其转速高、载荷轻易出现打滑；满装圆柱滚子轴承无保持架，功率密度高，不能避免滚子和滚子之间、滚子和套圈之间的直接接触，打滑不可避免。加之润滑不充分，则会造成轴承早期失效，这成为齿轮箱厂家所面临的一个共同难题。

1 打滑分析及失效机理

1.1 打滑分析

1.1.1 打滑

高速、轻载以及设备启动和停机时易出现轴承打滑，在此以应用于风力发电行业中的齿轮箱和锥式破碎机中的轴承为例分析易于出现打滑的原因以及危害。

风力发电行业用齿轮箱，目前主流设计方案是一级行星加两级平行轴传动或者两级行星加一级平行轴的传动方案。满装圆柱滚子轴承由于其功率密度高、转速低常应用于第一级行星轮轴承，第二级行星轮轴承采用带保持架的圆柱滚子轴承，高速轴采用圆柱滚子轴承和配对圆锥滚子轴承或者圆柱滚子轴承和四点接触球轴承。由于其主机载荷的频繁变化，轴承内部组件速度、载荷变化频繁，第一级的满装圆柱滚子轴承和高速轴上的圆柱滚子轴承打滑风险很高，影响轴承的正常使用，导致轴承早期失效。而风电行业中设计寿命要求20年，若轴承非计划的失效将会导致昂贵的吊装维护费用，更严重将会导致整个风机的倒塌、风场失火、电网波动等后果。

锥式破碎机即破碎机，是电动机通过传动装置带动偏心套旋转，动锥在偏心轴套的迫动下绕一固定做旋摆运动，从而使锥式破碎机的破碎壁时而靠近、时而离开固装在调整套上的轧白壁表面，使得矿石在破碎腔内不断冲击，挤压和弯曲作用从而实现矿石的破碎。圆柱滚子轴承会作为上下部的径向轴承使用，圆锥滚子和推力圆柱滚子轴承作为上下部轴向轴承使用。在运行过程中下部径向和轴向轴承轻载，即轴承不能满足最小载荷，易于出现打滑现象，轴承失效将会导致断轴事故。

1.1.2 滚动体打滑

内圈旋转、外圈静止的轴承在承受满足最小载荷的情况下，轴顺时针旋转，滚动体组件从非承载区进入承载区，经过加速区使得滚动体组件达到正确的动力学速度，随后滚动体组件从承载区平稳进入减速区，轴承部件由此周而复始地运动。图1是滚动体组件旋转一周承载区域分布图。

图1 滚动体承载区域分布图

对滚动体运动速度进行检测，得到图2滚动体打滑运动曲线，从曲线中能够看到滚动体组件在即将离开承载区时转速最大，然后转速慢慢变小到滚动体初始速度，随后滚动体组件经过一个短暂的加速区再次进入承载区，由此周而复始。

在加速区，转速变化快，常发生滚动体打滑，但是轴承满足了最小载荷要求，能够形成承载区，因此常常被忽略。若出现滚动体打滑现象，个别滚动体速度低于正常动力学速度，将会摩擦生热。

图2 滚动体打滑运动曲线

1.1.3 滚动体组件打滑

图3 滚动体组件打滑运动曲线

内圈旋转、外圈静止的轴承，所受载荷不能满足最小载荷要求，轴的转速从零增加到恒定转速。在轴达到恒定转速之后，对其施加大于最小载荷的外部载荷。对轴、保持架组件的速度进行全过程检测，得到图3滚动体组件打滑运动曲线。

从试验结果可以看出，轴承不能满足最小载荷要求，无法形成承载区，轴的速度平稳增加，保持架组件的速度远远低于轴的速度，系统的噪声很大，保持架打滑比率很高；当轴的转速达到恒定时，对其施加大于最小载荷的外部载荷，保持架组件速度大幅度提高，系统噪声降低，保持架打滑比率大幅度降低。

导致滚动体组件打滑的主要原因是缺少载荷，内圈滚道和滚动体之间的摩擦力不足以支撑纯滚动，滚动体和保持架的速度低于保持正常动力学运动的速度［2］。滚动体打滑将会导致噪声，在实际应用中是易于诊断的。通过再润滑能够短暂使得该噪声消失。由于保持架和轴的速度差别很大，因此可以从开箱的轴承端部看到此现象。

1.2 打滑失效机理

打滑是一种现象，本身不会造成轴承的损坏，当润滑不充分（κ＜1）的情况下，即润滑油膜不能够防止金属对金属的直接接触时，打滑会产生滑动摩擦，这会引起黏着磨损。黏着磨损是金属材料从接触的一个表面向另外一个表面转移。主要的表现形式是灰变、擦伤、热斑。灰变和擦伤是低能转换，会导致接触表面的应力集中或磨损，而热斑是高能转换，会导致微观组织结构变化。

任何一种形式的打滑都不会立即导致轴承失效，但是会对轴承材料性能、接触几何形状以及应力分布造成影响，随之微蚀之后发生点蚀，最终导致轴承早期失效。

2 预防措施

选择合适的轴承使其满足最小载荷要求将会减小打滑风险的发生，或者通过改善摩擦行为、减少在混合摩擦下的磨损、减缓打滑的损害或者避免发生打滑，由此有如下预防措施。

2.1 轴承选择和最小载荷要求

2.1.1 轴承选择

齿轮传动包括圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、双曲面齿轮传动、行星齿轮传动。深沟球轴承承受径向载荷和两个方向的轴向载荷，摩擦小，高转速，价格便宜，常应用于必须对轴进行轴向定位且负载相对小的场合。角接触球轴承的能承受比深沟球轴承更大的轴向载荷，单列和双列角接触球轴承优先用于蜗杆的定位端轴承，四点接触球轴承主要作为推力轴承用于高速的圆柱齿轮传动，轴承的外圈要径向自由。

圆柱滚子轴承高径向承载能力、低摩擦性能、适合的速度范围广、在承受径向载荷的情况下可以承受中等程度的轴向载荷、在外部径向加速度时运转良好、安装拆卸方便常用于所有高性能传动的非定位端轴承。在圆柱齿轮传动中，甚至在由螺旋齿产生的既有轴向载荷又有径向载荷时，最常放置在中间轴上［3］。圆柱滚子轴承由于其不同的法兰结构（NU，NJ，N，NUP，SL，RSL 设计）使得轴承适用于很多的应用场合。而且不同的保持架设计提高了轴承的应用范围。

调心滚子轴承的自调心和高的性价比在齿轮箱中广泛使用。圆锥滚子轴承的承受重的复合载荷性能应用在斜齿圆柱齿轮箱、圆锥及圆锥/圆柱齿轮箱和蜗杆齿轮箱中，通过不同的接触角可达到改善轴的刚度和优化引导并提高使用寿命。推力调心滚子轴承的轴向承载和自调心能力常应用在驱动机器产生轴向力的场合，如挤压机和水轮机齿轮箱。这种轴承成功应用在大型重载圆锥和蜗杆传动中的小齿轮轴和蜗杆轴上。

2.1.2 最小载荷要求

为了保证轴承的正常运转，需要满足最小载荷要求，舍弗勒公司对轴承最小载荷要求如下：圆柱滚子轴承的最小载荷要求为Frmin=C0r/60；调心滚子轴承的最小载荷要求为P/Cr＞0.02；圆锥滚子轴承的最小载荷要求P/Cr＞0.02；球轴承的最小载荷要求为P/Cr＞0.01；四点接触球轴承要满足最小载荷要求Fa≥1.2Fr。对于四点接触球轴承只承受纯轴向力的时候，它能够达到很高的转速。推力调心滚子轴承的径向载荷不能超过55%的轴向载荷。最小载荷要求［4］为其中：Frmin为最小径向载荷；C0r为基本额定静载荷；P为当量动载；Cr为基本额定动载荷；Fa为轴向载荷；Fr为径向载荷；Famin为最小轴向载荷；C0a为基本额定静载；Ka为确定最小载荷系数；n为最高转速。

2.2 黑色氧化处理

黑色氧化处理［5］是将钢或铸钢浸泡在 130～150°C 的盐溶液中，在其表面形成厚度介于0.5～2滋m的FeO和Fe2O3混合氧化物。表面颜色介于深棕色到黑色之间。低温处理后的轴承的内部基体组织没有发生改变，对安装配合的影响可忽略不计。经处理过的表面更加平滑，粘附力更小，磨损更低，从而防止打滑引起的磨损，也优化了防锈性能。根据需要可选择滚动体和两套圈，部分或全部黑色氧化处理。该方案改善轴承在运行中的性能，能够减小打滑对轴承的损伤，不能从根本上解决打滑问题。

2.3 碳基涂层

碳化钨/碳涂层［6］是在未被氧化的轴承表面形成SP3金刚石和SP2石墨组成的非结晶SP3+SP2，颜色是亚光灰黑色。0.5～4滋m的涂层厚度不影响轴承的安装尺寸，与标准轴承可相互替换。碳基涂层显著减少了轴承在混合润滑和边界润滑条件下的摩擦系数，在外形尺寸不变的情况下，摩擦力矩降低40%以上，特别适合大型高打滑风险的工况。表面硬度1 100～1 500HV，使得耐磨性和抗污染性能都很好，从而增加了轴承在不良润滑条件下的使用寿命。涂层只需要在滚动体上使用即可达到良好的效果。

2.4 空心滚子轴承

空心滚子轴承即在整个圆周三等分处采用空心滚子，中间有支撑体，有一定预紧。其它位置采用实心滚动体，有一定的间隙。轻载时，三个空心滚子的过盈量使得整个轴承满足最小载荷要求；重载时，空心滚子刚度小，变形不承担载荷，实心滚子将起承载作用来满足设备承载作用。

舍弗勒对标准NU2332-E-M1-C3轴承和带三个空心滚子的NU2332-E-M1-C3在1 000 r/min转速下进行试验，施加越来越大的径向载荷，得到两类轴承的打滑比率如图4所示。横轴为载荷，纵轴为打滑率。

图4 NU2332-E-M1-C3改进前后打滑比例和载荷区线图

从试验结果看出，在低于最小载荷26.4 kN区域，标准NU2332-E-M1-C3在加载过程中，随载荷增加，打滑率从80%降低到2%左右，当载荷超过最小载荷要求之后，打滑率将保持在2%左右；卸载时，随载荷减小，打滑率又从2%增加到80%。而对带三个空心滚子的NU2332-E-M1-C3轴承，即使载荷在低于轴承最小载荷要求时，打滑率依然很低。

2.6 薄壁保持架轴承

对于行星轮轴承，特殊设计一款保持架来改变保持架的尺寸，将滚子和滚子分开，避免滚子与滚子的直接接触，又不改变保持架的刚度。舍弗勒公司设计了一款特殊保持架是将两片保持架嵌套在一起，内层保持架提供自保持功能和与滚动体接触功能，外层保持架提供高的刚性，同时优化与滚动体运行时接触的表面。该款保持架有很好的自保持功能，即受限的滚动体径向下垂量使得安装时无需安装套，即使无内圈，滚动体仍不会掉落。

2.7 整合式设计

空间限制了行星轮轴承的选择，整合式设计即采用无外圈轴承，将行星轮内孔作为轴承的外圈滚道，这样增加了轴承的可用空间，可采用带保持架无外圈的轴承，可减小所需的最小载荷，又避免了滚子和滚子之间的直接接触，使设计紧凑又避免了轴承打滑问题。圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承都可以采用该种方案。图5是显示了圆柱/圆锥滚子轴承的整合式设计。

图5 圆柱/圆锥滚子轴承整合式设计

行星轮的内孔作为轴承的外滚道，对行星轮的几何尺寸和内孔表面都有特殊要求；不同的加工工艺导致退刀槽的不同尺寸要求；对于行星轮的材料、硬化层深度、残余奥氏体含量、钢的纯净度，微观组织结构等都有要求。当齿轮箱厂家要采用该种设计方案时，请联系轴承厂家，寻求他们的帮助来完善设计和加工制造，使得齿轮箱有更好的性能。

3 结论

打滑包括滚动体打滑和保持架组件打滑，满足最小载荷可能会出现滚动体打滑，不满足最小载荷将会出现保持架组件打滑风险。设备运转工况的复杂性和多样性使得轴承在整个生命周期会同时或交替出现两种打滑现象。滚动体打滑只需驱动个别滚动体，而保持架组件需驱动整个保持架组件达到正常的动力学运转速度，因此滚动体组件打滑的危害远远大于前者。打滑加之润滑不充分则会导致轴承的早期黏着磨损，从而影响轴承的正常使用。

合理选择轴承类型和尺寸、减小打滑对轴承的损伤和避免打滑是解决打滑失效问题的主要方向。根据不同轴承类型的特点、适合的工况以及所需要的最小载荷要求选择合适的轴承可以减小打滑的风险。

黑色氧化处理可减缓打滑，碳基涂层可减小轴承在边界润滑条件下摩擦力，从而较缓打滑失效风险，却不能根本解决打滑问题。空心滚子轴承利用不同载荷情况下，空心或实心滚子的不同尺寸来承载，避免轴承打滑；薄壁保持架轴承，将滚子和滚子分开，避免滚子与滚子的直接接触，又不改变保持架的刚度；利用带保持架的圆柱滚子、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承作为整合式设计，即行星轮内孔作为轴承的外圈滚道，可以从根本上解决行星轮轴承打滑的问题。行星轮内孔作为滚道，对行星轮内孔外形尺寸、热处理、材料都有详细的要求。

针对具体的应用工况和具体的问题可将上述各方案组合使用从而得到最佳的方案来满足设备的正常高效的运转。

［参考文献］

［1］张成铁，陈国定，李建华.高速滚动轴承的动力学分析［J］.机械科学与技术 1997，16（1）：136-139.

［2］Rolling Bearings in Electric Machines and Office Technology Publ.No.WL 01 201 EA FAG Schweinfurt

［3］SKF公司.工业齿轮箱中的滚动轴承［M］.SKF公司，2007.

［4］舍弗勒.滚动轴承 HR1样本［M］.舍弗勒公司，2010.

［5］DIN50938 Black oxide treatment of ferrous product，April 2000［S］.

［6］Schaeffler KG.TPI186_Higher Performance capacity through the use of coatings Coated rolling bearings and precision components［M］.Schaeffler KG，2009.