轧机用双列圆柱滚子轴承支柱焊接保持架结构优化

杨明奇，李韶凡，吕振伟

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039 )

轧机轴承承受的载荷大，冲击大，且工作环境温度高，因此，对轴承的设计和制造提出了较高要求。若轴承设计不合理，则极有可能因轴承部分零件失效而导致整套轴承提前失效，造成生产线频繁停止运行，生产成本增加。

某公司的粗轧机架主减速机用双列圆柱滚子轴承，因使用工况恶劣，原采用的进口轴承不能达到设计寿命，全部提前失效。对失效轴承进行初步分析，发现其滚道和滚子均没有发生大的损伤，而所采用的支柱焊接保持架严重损坏。

1 原因分析

经进一步分析认为，保持架损坏的主要原因是轴承在运行过程中保持架支柱脱焊，导致保持架散套。由于轴承在运行过程中转速较高，且存在较大冲击，造成了轴承的早期失效。

如图1所示，当轴承内圈顺时针旋转时，滚子逆时针旋转，外圈保持静止，保持架支柱没有自转，仅随滚子一起绕轴承中心旋转。在运动过程中支柱受到滚子对其的摩擦力fw及推力F,其中fw沿支柱与滚子切线方向向下，F沿滚子组节圆顺时针切线方向。

图1 支柱与滚子接触处的受力分析

保持架垫圈与支柱的配合为内侧螺纹连接，外侧焊接以保证支柱螺纹不松动，如图2所示。轴承在承受冲击时，fw及F均瞬时增大，如果支柱材料承受冲击时韧性不好，则轴承容易因支柱脆性断裂而失效；如果支柱材料能够长期承受此冲击，则此摩擦力fw由支柱传递给保持架垫圈，最终由其连接部位承受。

图2 保持架支柱与垫圈的连接

轴承在运行时，两列保持架支柱所受摩擦力fw方向相同，但支柱与保持架焊接部位均为外侧，因此总有一列螺纹锁紧方向与fw方向相反，此螺纹受到力fw的作用，容易松脱。同时，轴承在运转过程中所受的冲击及振动，使保持架支柱与垫圈之间的焊接部位容易松脱。当焊接部位松脱后，连接此列保持架支柱与垫圈间的螺纹将在短时间内松脱，导致保持架散套，轴承提前失效。

为防止保持架提前失效，除选用较好的支柱材料，防止支柱在运行过程中因承受较大的力而脆性断裂外，更重要的是必须防止螺纹连接处松动。螺纹连接件一般采用单线普通螺纹，螺纹升角小于螺旋副的当量摩擦角，因此，连接螺纹能满足自锁条件。此外，拧紧后螺栓头部的摩擦力也有防松作用，所以在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹连接不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷的作用下，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬时消失，这种现象多次重复后，就会使连接松脱。另外，在高温或温度变化较大的情况下，由于螺纹连接件和被连接件的材料发生蠕变和应力松弛，也会使连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终导致连接失效。

2 设计改进

为防止支柱焊接失效，螺纹连接松脱，将轴承保持架垫圈内侧支柱上、下两侧各切削一个10°的楔形槽(如图3所示)，使轴承在高速运转的时候保持架支柱与滚子接触部位充分润滑，减小滚子对支柱的摩擦力fw。并按照轴承运转方向，将两列保持架支柱的螺纹方向由双右旋改为一侧左旋，一侧右旋。则轴承运行中支柱所受fw由使其松脱的力变为使其紧固的力，这不仅可以在支柱与垫圈间的焊接失效时克服由于冲击、振动导致的螺纹连接松脱，也可对由于轴承在高温环境下工作导致的支柱与保持架垫圈之间的应力松弛进行有效的预防。

图3 优化后的保持架支柱及垫圈

为确保轴承保持架达到设计要求，除了改进保持架结构外，还对焊接结构进行了改进。为增加焊接牢固性，不仅要尽量减少焊接头部位的应力集中，采用应力集中系数较小的对接接头，并避免焊缝起止点处出现凹形焊口；还要加大焊接面积，增加其粘接性。如图4所示，加长支柱焊接头伸出部分，使其伸出保持架垫圈端面，并在端面上添加一个焊接槽，以提供更大的焊接面积。

图4 垫圈与支柱焊接处的优化

3 结束语

经过改进试装，轴承寿命大大提高，完全符合客户要求。同时说明，对于恶劣工况下的轴承失效，应分析其结构薄弱点，并做出针对性改进，以弥补结构缺陷带来的影响，使影响其寿命的各个方面得到改善，最终满足使用要求。