轧机用长寿命推力圆柱滚子轴承设计

顿丽华

(瓦房店轴承集团有限责任公司工程中心，辽宁 瓦房店116300)

随着国民经济的快速发展，冶金行业也有着突飞猛进的进展。冶金业需要大量的轧机轴承。轧机轧辊轴承的工况非常恶劣，冲击载荷大，大大地影响了主机及轴承使用寿命。研究、开发高速重载、长寿命的、运转性能良好与之相适应的轧机轴承是当务之急。具有长寿命、防尘、预置游隙性能的推力圆柱滚子轴承82760ZW 是瓦轴集团自主开发研制的防尘双向双列推力圆柱轴承单元，应用于轧机轧辊上，隶属于轧机轴承技术领域。

1 轴承的结构

以往的轧机用双向推力圆柱滚子轴承采用2 个座圈、1 个中轴圈、2 排滚子和带有螺钉的2 组保持架组成，轴承总装图见图1。轴承没有考虑防尘效果，轴承本身不带轴向游隙，用户自行调整游隙，每排滚子为一整体，在运转时由于滚子两端线速度不等，会造成滚子打滑现象，温升提高，缩短轴承使用寿命。

82760ZW 双列双向推力圆柱滚子轴承的设计充分考虑了用户的需求，对常规轴承进行了改进设计，避免了上述轴承的结构弊端。

82760ZW 双列双向推力圆柱滚子轴承由2 个座圈、1 个中轴圈、1 个中隔圈、2 个平挡圈、4 组滚子(每组52 个)、2 组螺钉(每组13 个)、2 组保持架组成。此轴承内径φ300 mm，外径φ460 mm，宽度为80 mm，可以承受两个方向的轴向负荷，具有很好的防尘效果，可不用调整游隙。

82760ZW 轴承在产品结构设计上充分考虑轧机的高速、重载、高可靠性、长寿命及防尘要求，利用计算机优化设计，使滚子等主参数适宜，最大程度满足载荷要求，使得轴承疲劳寿命更长。依据赫兹理论，滚子采用修缘曲线，减小了应力集中。每列滚子均为等长的两部分，均匀排列在滚道上，目的是减小长滚子在滚道上的差动滑动，减小滑动摩擦，消除滚子打滑现象，改善了运转条件。在中轴圈上下有两个平挡圈，与座圈形成封闭空间，填有润滑脂，起到防尘及润滑作用。合理设计平档圈与座圈间的间隙，以达到最佳防尘、预置游隙效果。在两座圈间增加了中隔圈，调整轴向游隙，该轴承预先调整好了轴向游隙，安装时不需要再调整游隙，形成合适的弹性油膜，增加承载能力。在中隔圈上设有油孔，以便定期补给油脂。座圈、中轴圈、滚子采用真空脱气轴承钢，提高了轴承额定动载荷，延长了轴承的额定寿命。保持架采用黄铜材料，铜架具有一定的强度和刚度，又具有良好的自润滑性和耐磨性。对中隔圈进行磷化处理，起到防锈作用。轴承总装图见图2。

2 轴承的主要参数设计及材料选择

2.1 轴向游隙

考虑轴承的结构特点及使用条件，轴承的轴向游隙至关重要，取值为0.060 ～0.120 mm，即为轴向预游隙。这样取值可避免轴承发热和轴承受力良好。同时更好地增加轴承刚性，平素轴向游隙用户自行调整，用户经验往往不足，游隙过大或过小。轴向游隙过小，会使轴承内部温升过快，导致轴承失效。轴向游隙过大，不能形成正常油膜。出厂时该轴承预先调整好了轴向游隙，安装时不需要再调整游隙，形成合适的弹性油膜，增加承载能力。

2.2 滚子直径及长度的选取

在轴承整体结构合理的情况下，根据工况条件，在有效的空间范围内，选用最合理的主参数，滚子直径Dwe=(0.15 ～0.19)·T，T为装配高。滚子长度L=KL·Dwe。KL取1～2.3。综合考虑滚子尺寸确定为φ15×34 mm，把滚子分为两段，滚子长取17 mm，即滚子尺寸为φ15 mm×17 mm。分为双列。系数选取较大值，尽量增大滚子直径及滚子长度，以及整套轴承的滚子数，使轴承具有最大的额定动载荷和额定静载荷。同时根据赫兹弹性接触理论，滚子母线采用了修缘曲线，减小了应力集中。提高了座圈、中轴圈和滚子三者的疲劳寿命，使得轴承疲劳寿命更长。

2.3 滚子个数的选取

考虑到保持架的强度及铆钉位置及铆钉孔的加工精度，取52 个滚子。

2.4 轴承材料的选取

轴承的座圈、中轴圈、滚子选用GCr15SiMn、GCr15真空脱气轴承钢。这种材料具有良好的接触疲劳强度、较好的硬度、较高的耐磨性。采用真空脱气轴承钢，可提高轴承额定动载荷，延长轴承额定寿命。保持架采用黄铜材料，铜架具有一定的强度和刚度，又具有良好的自润滑性和耐磨性。对中隔圈进行磷化处理，起到防锈作用。平挡圈与中隔圈采用45 号钢，进行调质处理，提高其机械性能。

2.5 保持架盖与座的连接

考虑到轴承仅承受轴向力，径向力基本可以忽略不计，螺钉与保持架的连接没有采用焊接技术，而是在装配时将螺纹孔中的油清理干净，螺钉拧紧后与保持架盖用金属胶粘结牢固，避免了保持架焊接受热变形。保证了保持架精度的稳定性。

2.6 轴承旋转性能及精度

为了适应轧机轴承高速重载性能要求，使轧机运转更平稳，除提高轴承套圈精度外，要严格控制座圈及中轴圈的厚度变动量，减小轴承的轴向跳动，满足轧机高速要求。同时为了提高钢板轧制质量及精度，轴承精度采用P6 级。通过控制精度及端面跳动等技术指标，大大地提高了轧机轧制钢板的精度及生产效率。

3 工艺加工要求

3.1 车加工要求

车加工工艺合理设计轴承的车加工留量、合理安排各工序，机床性能调整到最佳状态，选择合适的工艺参数。在生产加工过程中，严格执行工艺，在车加工时严格保证轴承零件的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度，使各工序的加工工艺参数处在最佳状态。

3.2 磨加工要求

在磨削过程中采用特殊工艺方法。采用往复循环加工工艺确保零件加工精度。且在粗磨之后采用附加回火工艺，以消除磨削应力，使产品具有良好的尺寸加工精度和稳定性，提高了零件的精度，并获得较高的几何精度及尺寸的稳定性，保证最终成品尺寸。

3.3 热处理方面

我们采用了轴承行业最先进的氮基气体保护淬火工艺，最大程度上减小变形量，从而压缩了磨削留量。工艺中严格控制套圈硬度及内部组织。并采用附加回火工艺，消除粗磨时产生残余应力，进一步稳定内部组织。

3.4 轴承装配

为保证用户对轴承高可靠性的要求，必须保证轴承的清洁度。因此，在装配之前，用超声波清洗机对轴承零件进行彻底清洗。并且100%进行探伤和残磁检验，以确保装配后的质量。装配时对隔圈进行配磨，确保装配后的轴向游隙。

4 产品应用

长寿命、防尘、预置游隙推力圆柱滚子轴承82760ZW，其滚子长度Lwe=17 mm×2 mm;直径Dw=15 mm;每排Z=52 个滚子;回转中心径Dpw=380 mm;bm=1;fc=142.936 带入公式Ca=bm fcLwe7/9Z3/4Dwe29/27。经计算额定动载荷为788×1 000 N=788 kN。用户提供该轴承所受轴向载荷为P=230 kN，轴承转速为n=200 r/min，要求轴承使用寿命为半年即可。经计算，该轴承额定疲劳使用寿命L10=1 000 000(Ca/P)10/3/n/60/24/30=1 000 000(788/230)10/3/230/60/24/30=6.1 个月，满足用户需要。由于考虑到防尘、预置游隙、及差动滑动理论等进行的优化设计。在用户实际使用过程中，提供的10 套轴承在主机用户中使用寿命达到8 个多月。长寿命、防尘、预置游隙推力圆柱滚子轴承82760ZW 轴承具有长寿命、可靠度高、预置游隙、防尘效果好等特点，实属国内同行业首创，该轴承满足了用户的要求，值得推广。

5 结语

该轴承研制的成功，带动了其他轧机轴承的开发与研制。可推广到其他轴承的防尘研制。该产品经用户使用证明，质量稳定，刚度、精度性能指标满足用户要求，扩展了轴承的应用领域，市场前景看好。通过新产品鉴定达到了国内先进水平。我们将以全新的技术应用于产品，回报给用户，增强公司在国内乃至世界的市场竞争力和影响力。