新型球面调心回转支承的设计与应用

崔文斌，吕俊

(中国煤炭科工集团 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

在典型的工业设备中，通常用两个位于轴端的轴承来支撑旋转轴，其中一个轴承承担施加在轴上的轴向载荷，并对整个轴系进行轴向定位，该轴承被称作“定位”、“固定”或“保持”轴承[1]；而另一个轴承的作用是承担径向载荷，它应允许轴向运动，以弥补结构的制造公差和机器组装时的定位误差，这个轴承就被称作“非定位”、“浮动”或“自由”轴承。

本文在轴承常规应用的基础上，提出了一种新型球面调心回转支承系统，结合其在观览车主轴上的应用，与常规轴承的使用场合相比较，以阐明其在工程应用中的优势。

1 自调心轴承的常规应用

自调心轴承常用于非定位位置，此时轴承必须能进行轴向滑动，通常是在轴承座内部滑动以适应轴的膨胀和收缩，如图1所示。这种简单、坚固的布局既能承受高径向和推力载荷，又便于适应由加工和组装误差造成的不对心、热变形或受载变形。但自调心球轴承用在非定位位置会带来一定的后果，比如要使非定位轴承进行轴向移动，则其中一个轴承圈必须在间隙配合下安装，并具有运动所需的轴向空间[2-4]。在许多情况下，间隙配合会妥协机器的设计，由于在一定的载荷条件下，轴承圈会旋转并损坏轴承座，加快磨损速度并增强振动，从而增加了额外的维护和维修费用，这意味着轴在径向上所受到的支撑减弱。

1-自调心轴承；2-轴体;3-轴承座。图1 右侧“无轴向力”的两个自调心轴承的传统布局

如果非定位轴承的轴向运动需要间隙配合，则在操作过程中必须始终保持间隙配合状态，然而维持这种间隙配合并不简单，其原因为：

1) 如果轴承座的形状不符合标准(如制造成椭圆形或锥形)，或是由于安放的底座不够平坦和牢固而在启动时或机器受载荷限制轴向运动的非定位轴承时发生扭曲变形，则轴承圈会停留在原位，不能轻易地移动以适应所需的轴向运动。

2) 不良载荷条件下的松环磨损会引起摩擦腐蚀，这种腐蚀会“锈蚀”轴承圈。

如果非定位轴承圈因上述原因而无法移动，则两个轴承都将在轴向承受预加载荷，这意味着随着轴或结构的长度变化，两个轴承之间会产生较高的轴向载荷，如图2所示。这就是在这种布局下，为满足非定位轴承的间隙配合而进行折中所带来的典型后果。该典型结构通常运用在系统具有一定转速，轴向载荷相对较小，径向载荷也相对较小，以及机器零件加工精度比较高的场合[5]。

1-自调心轴承；2-距离套；3-轴体。图2 限制轴向运动的非定位轴承示意图

当出现系统要求承受比较大的径向及轴向载荷，转速又极其缓慢的场合，而两个轴承之间的相对位置精度又无法达到较好的水平时，采用两个大直径调心轴承配套使用的方案固然可行，但成本十分高昂。

2 新型球面调心回转支承系统的设计

新型球面调心回转支承自由端如图3所示，在回转支承的内圈与旋转轴之间设置一个球面圈，即球面圈与回转支承内圈之间是以球面互相配合，与轴之间则采用间隙配合。以这种新型球面调心回转支承作为配对轴承中的“自由”轴承时，回转支承的球轴承部分承担径向载荷并完成轴承的旋转功能，其球面圈5则利用其与旋转轴6之间的间隙配合消除系统可能产生的轴向微小位移。更为重要的是内圈4与球面圈5之间的球面间隙配合可使旋转轴6绕球面圈中心微小摆动，如此使系统化解了两回转支承之间因制造及安装所产生的平行度误差。该性能为配对使用的大型回转支承正常工作提供了一种便捷的途径。

1-主轴轴头；2-连接螺栓；3-回转支承外圈；4-回转支承内圈；5-球面圈；6-旋转轴。图3 球面调心回转支承自由端结构示意图

3 新型球面调心回转支承系统的应用实例

图4为球面调心回转支承在观览车主轴上的应用。球面调心回转支承系统的设计其右侧回转支承外圈与主轴右端轴头螺栓连接，回转支承内圈与主轴旋转筒体螺栓连接；左侧回转支承外圈与主轴左端轴头螺栓连接，回转支承内圈释放轴向平移及轴向旋转自由度。

1-主轴轴头；2-球面调心回转支承；3-主轴筒体；4-普通回转支承。图4 球面调心回转支承在观览车主轴上的应用

在实际工作状态下，两端轴头同轴度尽管存在一定的公差，但其左侧回转支承内圈与主轴旋转筒体间隙配合，左侧轴向平移与轴向旋转处于释放状态。该系统不仅能很好地消除制作的公差及安装误差，而且不会在轴的两个回转支承之间产生任何附加轴向力(推力)，也不必考虑回转支承的对心性。该回转支承系统更能适应安装精度、制作精度要求不高的工况,对于观览车这种重载低速的工况，该回转支承系统是比较合适的选择。

4 结论

1) 该球面调心回转支承的优点是降低了对制造精度的要求，在安装精度较低的场合仍能正常工作。以往观览车的主轴轴承通常采用常规轴承系统，由于制造与安装的关系，主轴无法呈现理想工作状态，使得轴承在安装完毕运行一段时间后产生异响，磨损轴承滚子，从而对整个观览车产生负面影响。球面调心回转支承的应用,可以解决这些问题，使观览车主轴在较好的工况下工作。

2) 目前球面调心回转支承已运用到实际产品开发中，并已在一台观览车设备中实现运营。此类设计也同样可以运用到煤矿机械中，在更广阔的领域里得到运用及衍生发展。