港口岸桥小车减速箱轴承跑圈原因及解决方案

杨 健

（上海振华重工股份有限公司，上海 200125）

0 引言

在港口岸桥，特别是自行式或载重式小车驱动的小车减速箱日常维护中，会发现小车减速箱内轴承在运转一定时间后会产生滑动，即随着轴承在运动时，因轴承的外圈钳制力矩小于轴承套圈总驱动力矩而使得轴承外套圈产生滑动，俗称“跟转”。而当轴承的外圈钳制力矩远远小于轴承套圈总驱动力矩从而使得轴承外套圈产生跑动的现象，称之为轴承跑圈。

1 岸桥小车系统介绍及小车减速箱轴承跑圈现象

在港口岸桥，使集装箱或货物作水平往复运动的机构总成称为运行小车系统。运行小车系统包括运行小车总成、运行小车驱动机构、小车钢丝绳缠绕和安全保护装置。目前小车运行驱动机构在港口岸桥上主要分为2种形式。

（1）牵引式驱动机构由电机、联轴器、制动器、减速器、卷筒、支撑及安全限位开关等组成。电机经减速器驱动卷筒，再经过小车钢丝绳缠绕系统，由卷筒来牵引小车沿大梁轨道作平移运动。这类形式多用于牵引式小车驱动。

（2）驱动机构由电机、联轴器或万向传动轴、制动器、减速器及安全限位装置等组成，小车的驱动机构设在小车上。动力经减速器直接驱动小车车轮，从而使小车沿大梁轨道作横向运动。这类形式多用于自行式或载重式小车驱动。

无论是哪种形式的驱动机构，特别是在自行式或载重式小车驱动的小车减速箱日常维护时不难发现，小车减速箱内轴承在一定时间运转后会产生滑动，即“跟转”或跑圈。

2 轴承在小车齿轮箱中的功能

该小车减速箱轴承布置主要为交叉布置，轴承在减速箱中主要用于轴系定位来确定轴及其轴上零件的功能位置，承受载荷来支撑轴系并承受系统功能转换所产生的载荷及其系统固有的结构载荷（包括重力和预负荷），规范运动来确保系统各零件在设计矢量方向的运行关系。

3 轴承跑圈机理分析

以FH1035.24.A1A-00系列小车减速箱为例，减速箱润滑采用齿轮箱油（VG320），其他主要工作状况见表1。

计算滚动轴承摩擦力矩，一种方法是将摩擦力矩区分为1个无关负荷的力矩M0和1个由负荷决定的力矩M1，然后把两者相加，即M=M0+M1。但是，如果按摩擦来源来区分，还可以有更精确的计算方法。实际上，M0代表额外的外部摩擦来源，再加上滚动摩擦中的“流体动力”成分，而这一成分中也有一部分与负荷相关。要精确计算滚动轴承内的摩擦，必须计算4个不同来源的摩擦力矩，即M=Mrr+Msl+Mseal+Mdrag。其中，M为总摩擦力矩，Mrr为滚动摩擦力矩，Msl为滑动摩擦力矩，Mseal为密封件摩擦力矩，Mdrag为由于拖曳损失、搅动和飞溅等导致的摩擦力矩。

表1 减速箱主要工作状况描述

当减速箱内部设计结构为内圈过盈、外圈间隙的状态，轴承座的受力如图1所示。如果定义Mco为外圈钳制力矩，Mci为内圈钳制力矩，M为轴承套圈总驱动力矩，那么轴承套圈的钳制条件即Mco或Mci大于M。反之，Mco=M时，套圈产生微动；Mco＜M时，套圈产生滑动；Mco＜＜M时，套圈产生跑动。

由上述分析不难发现，影响轴承摩擦力矩M的主要因素有6个，分别是轴承类型与尺寸、载荷构成与大小、轴承内部游隙、润滑介质、运行精度及运行温度。

图1 轴承座受力示意

4 解决方案及其优劣势

为了解决轴承的跑圈现象，可以通过降低总驱动力矩的方式，也就是从影响轴承摩擦力矩的主要因素着手，即轴承类型与尺寸的选择、轴承内部游隙、润滑介质、运行精度、运行温度等。但是这些方式降低总驱动力矩的效果微乎其微，那么只能从增加钳制力矩Mco的方式来考虑。

4.1 增加钳制力矩 （Mco＞Mr，Mr为轴承总摩擦力矩）

4.1.1 增加钳制表面积——选用更紧的配合

该方案通过将间隙配合提高至过渡配合后，钳制表面积增加，将有利于提高外圈钳制力矩（图2）。这里需要注意的是，通常情况下，轴承供应商会基于一般工业应用提供配合公差作为应用参考，而在实际应用中，在减速箱条件允许的情况下，配合的选用必须按照实际应用而进行综合平衡考虑。

这样的解决方案主要有结构改动小、可适当增加钳制力矩的特点，但缺点也很明显:对于分体式箱体，结构一旦错位，即会形成多承载区；由于增加了钳制表面积，也很有可能会干涉轴向浮动；对于有冲击和震动载荷的应用不能够完全适应。

4.1.2 增加钳制力——套圈端面夹持

该方案是在轴承两端增加端面夹持来增加轴承内圈或外圈的钳制力矩（图3）。这类方案可以大幅增加钳制力和钳制力矩，同时增加钳制表面并能够适应一般冲击和震动载荷的应用。但是，由于结构改变复杂，所需要的结构改变较大并需要有足够的空间来进行设计优化，并且也会干涉轴向浮动，对于既有设计并不太适用。

图2 轴承外圈在座孔内示意

图3 套圈端面夹持示意

4.1.3 增加钳制摩擦数——乐泰胶粘接

为了防止跑圈等类似的问题，在乐泰维修解决方案中提供了固持解决方案，主要针对圆柱形金属零件进行粘接，具有如下特性:①有中等强度及高强度产品可选，能够消除微振磨损现象，承受高负载；②能够填充所有空隙，防止微动腐蚀现象；③降低公差要求；④100%接触，在连接处负载与应力分布均匀。

针对减速箱轴承外圈跑圈的情况，乐泰的工程师建议采用LOCTITE 680产品。该产品具有极佳的耐动态载荷、轴向载荷、径向载荷性能，适用于轴、齿轮、滑轮以及其他类似的圆柱形部件的固持作业。一般使用条件下，初步固化时间为20 min，全部固化时间为24 h，且这类产品对于减速箱润滑油没有污染，有耐高温的特性。

该方案虽然可以大幅增加钳制力矩及钳制摩擦系数，但同样会干涉轴向浮动，而且一旦粘接失效会助长滑动。在操作上，该方案也并不简便，需要先对减速箱内部进行清洗再使用固持胶水进行粘接。

4.1.4 增加钳制摩擦数——增加O形圈

通过增加O形圈的方式也可以加大钳制力矩和钳制摩擦系数。但在实际使用中，轴承会出现偏载、干涉轴向浮动，需要改变现有箱体的设计，这在安装过程中较难把握。而且O形圈在润滑油中老化快、时效不长，不利于日常维护。

4.2 结构钳制——增加套圈定位销

相比于普通的轴承，也可以采用轴承外圈有固定槽的特殊轴承。根据ISO 20515—2012的规范标准，这类固定槽可以用于单列向心推力球轴承、四点接触球轴承、径向圆柱滚子轴承，但不适用于外圈密封屏蔽径向球轴承或没有挡边的径向圆柱滚子轴承。

这类方案的优点是刚性钳制力及钳制力矩保持了既有的箱体结构设计，可靠性高且能够适应频繁启停、换向、冲击和振动载荷的应用，但缺点是需要改变箱体端盖的设计、轴承增设了止动槽及定位销。另外目前标准规范中对于适用的轴承范围还比较少。

除了ISO 20515—2012规范标准中的标准定位销方案以外，也可以针对不同的减速箱参照该方案采用不同的定位销及定位销缺口。