大尺寸圆锥滚子3MZ4250球基面磨床支承结构的改进

李静，赵文龙，郭建辉，李岩，柴灵芝

（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.洛阳聚英精密机床有限公司，河南 洛阳 471039）

我国风电产业近年来发展迅速，风电行业整机容量越来越大，风电轴承尺寸越来越大，滚动体也向大尺寸方向发展。目前，风电轴承常见类型为圆锥滚子轴承，采用斜挡边与球基面滚子的结构，既要承受高的径向载荷，还要承受轴向载荷。因此，轴承在工作过程中，滚子大端球基面与内圈挡边的接触状态对润滑、接触应力、疲劳磨损以及使用寿命等均有重要影响。圆锥滚子球基面的尺寸一致性及端面跳动是滚子的重要技术指标，通过现有3MZ4250球基面磨床难以满足风电轴承大尺寸圆锥滚子球基面的精度要求，故有必要对现有设备进行改进。

1 存在的问题

现有3MZ4250 圆锥滚子球基面磨床加工范围为：工件直径16～50 mm，工件长度20～70 mm［1］。

1.1 球基面磨削原理

球基面磨削的基本原理如图1所示，滚子外径面定位在磁盘外圆表面上，磁盘磁力驱动工件旋转，筒形砂轮往复式（范成法）磨削球基面。滚子轴心线与砂轮轴心线在同一平面相交，并绕各自轴心线旋转，工作时两者轴心线夹角为［2］

图1 圆锥滚子球基面磨削原理图Fig.1 Grinding diagram of spherical reference surface of tapered roller

式中：r为砂轮平均半径；R为滚子球基面曲率半径。

圆锥滚子球基面磨削时的滚子定位图如图2所示，支承固定在支承座上，滚子外径面通过支承实现径向定位；滚子小端通过顶尖实现轴向定位。

图2 圆锥滚子球基面磨削时滚子定位图Fig.2 Positioning diagram of roller during grinding of spherical reference surface of tapered roller

1.2 问题分析

上述范成法加工工装简单，易于调整，具有较强的工艺性能和加工能力，适应于多品种、小批量的高精度滚子加工。但大功率风电轴承大尺寸圆锥滚子直径为50 ～ 150 mm，长度为50～150 mm，采用原设备磨削加工时存在以下问题：

1）由于支承座尺寸有限，2个支承块不能放置在滚子两端合适位置，导致滚子定位不稳定，跳动幅度及振动大［3］。

2）2个支承块对滚子外径面无心定位，原支承（图3）上镶嵌的硬质合金块为方形，支承面为平面，支承面的平面度误差和镶嵌槽加工误差叠加后，支承面与滚子外径面的接触可能由线接触变为点接触，导致滚子定位不稳定，滚子外径面出现严重划伤甚至烧伤。

图3 改进前支承结构Fig.3 Structure of support before improvement

为降低设备投入成本，通过分析滚子球基面磨削原理及磨床结构，对磨床定位工装进行改进，以提高滚子在磨削过程中的定位稳定性，进而满足圆锥滚子球基面曲率半径、端面跳动、表面粗糙度等技术要求［4］。

2 改进措施

2.1 改进支承结构

由于滚子尺寸较大，质量大，需提高支承力才能提高滚子球基面的加工精度，保证球基面曲率半径的散差以及端面跳动，在增大支承尺寸的同时还要保证滚子外径面不出现划伤、烧伤等缺陷。为提高支承块整体刚性，对支承块进行改进设计（图4）：

图4 改进后支承结构Fig.4 Structure of support after improvement

1）在满足支承不与其他部件干涉的情况下，增大支承尺寸。

2）将硬质合金面由方形改进为圆柱形，如图5所示，为提高滚子与磁盘的作用力，需保证支承面与磁盘方向呈一定夹角α。α越大，磁盘吸力越大［5］。

图5 改进后支承与滚子的定位示意图Fig.5 Positioning diagram of support and roller after improvement

改进后支承结构的优点：

1）滚子外径面与支承面由点接触变为线接触，接触面积增大，支承力增大，避免了点接触引起的烧伤，减小了滚子因磨削力较大导致的跳动，提高了滚子加工后端面跳动的一致性。

2）可通过调整α增大滚子与磁盘的作用力，使磁盘稳定驱动滚子旋转，提高滚子的运转平稳性，进而提高滚子球基面加工后端面跳动的一致性及合格率。

2.2 增大支承座安装槽位置尺寸

支承座配合磁极实现滚子在x，y，z方向定位，为提高支承座刚性，需增大支承座整体尺寸。由于滚子尺寸大，质量大，2 个支承块支承力较大，支承安装槽（图6）上部的梁易发生变形，为保证滚子加工过程中不因梁的变形引起滚子支承不稳定，影响球基面的加工精度，需增大支承座安装槽位置尺寸A（A≥5 mm）。

图6 支承安装槽位置示意图Fig.6 Position diagram of installation groove of support

3 实际加工效果

选择某型风电轴承大尺寸圆锥滚子（大端直径为133.7 mm，长度为153.7 mm， 小端直径为128.118 mm），随机抽取采用改进支承加工的同批次10 粒滚子，滚子的球基面曲率半径、端面跳动、表面粗糙度检测结果见表1，各项指标均满足技术要求，且滚子外观检验均合格，说明改进支承结构的3MZ4250球基面磨床能满足风电轴承大尺寸圆锥滚子的加工需求。

表1 改进支承后加工的风电轴承大尺寸圆锥滚子球基面技术指标Tab.1 Technical specifications for spherical reference surface of large size tapered roller of wind turbine bearing after improvement of support