某大型仪器高精度转盘轴承

崔旋，刘攀，赵雁，郭玉辉，毛斐然

(洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

1 轴承的工况及要求

某大型精密仪器作为天文台内的重要设备，其回转台底座上使用的转盘轴承应具有足够的承载能力，高的回转精度和运转平稳性，良好的润滑及密封性能。该轴承的安装示意图如图1所示。支座轴与内圈止口配合，并通过螺栓固定在支座上，回转台通过螺栓固定在外圈上。仪器工作时，通过驱动装置实现转盘轴承的精确旋转，达到调整方位角的目的。

图1 轴承安装示意图

该轴承外形尺寸为Ф3 928 mm×Ф3 394 mm×216 mm；工作中轴向载荷Fa≥700 kN，径向载荷Fr≥60 kN；最大工作转速n=3 r/min；对于旋转精度，轴向跳动应不超过0.06 mm，径向跳动应不超过0.04 mm。

2 结构形式与材料

2.1 结构形式

基于轴承的工况及精度要求，选择液体静压轴承虽能保证低摩擦力矩和边缘刚度，但初始研究和维护费用较高；选用四点接触球轴承、三列滚子轴承及两列球轴承，虽刚度高且成本低，但摩擦阻力较大，而且需要增加预紧力来提高刚度，易使滚动体打滑；选用推力球轴承，虽然摩擦阻力较小，但需要优化轴承结构，使其具有一定的径向承载能力。

基于以上对比分析，选择了一种双排球结构的转盘轴承，结构如图2所示。其中，下排球采用大接触角(85°)设计和较大直径钢球，主要承受轴向载荷；而上排球使用直径较小的钢球，并具有一定的预载荷，主要承受径向载荷。上排滚道采用直滚道形式，便于钢球装配、更换，钢球与其他零部件构成三点接触，滚道面为径向方向的两接触面，轴向接触面主要起到挡边的作用。这种结构的轴承具有足够的刚度，上排钢球结构弥补了推力轴承径向刚度较低的不足，而且由于钢球良好的滚动特性具有较小的摩擦阻力。

1—内圈；2，6，11—螺钉；3—盖板； 4—上排钢球；5—下密封挡板；7—外圈；8—下密封挡板；9—保持架；10—下排钢球；12—O形密封圈图2 轴承结构

2.2 套圈

套圈材料选用42CrMo钢，并进行调质处理,硬度为240～280 HB。42CrMo钢属于超高强度表面淬火钢，具有优良的力学性能(抗磨损、抗剥蚀、抗塑性变形及抗冲击等)，能获得良好的表面淬火质量，可以保证轴承承载能力和寿命。由于轴承工作温度为-30～+50 ℃，所以对内、外圈锻件进行V形缺口夏比冲击功试验(-20 ℃时3次冲击试验能量值的平均值不应小于27 J，单值应不小于19 J)，以保证其力学性能满足使用要求。

2.3 钢球

大直径钢球采用ZGCr15SiMn高碳铬轴承钢制造，小直径钢球采用ZGCr15高碳铬轴承钢制造，热处理质量应符合JB/T 1255—2001的规定。

钢球直径与轴承承载能力正相关，同时，综合考虑轴承外形尺寸及保持架加工制造能力等因素，选取下排钢球直径为50.8 mm，精度等级为G40，上排钢球直径为18.256 mm，精度等级为G28。钢球数的计算式为

式中：Dw为钢球直径；Z为钢球数，Dpw为球组节圆直径；Ks为载荷系数，一般取Ks=1.15～1.33。由此计算得，下排钢球数为186，上排钢球为619。

2.4 保持架

下排钢球的保持架采用聚四氟乙烯分段式保持架(图3)，球形兜孔能够保证可靠地锁住钢球；聚四氟乙烯在-196～260 ℃均能保持优良的力学性能，其摩擦因数极低的优点有利于轴承低摩擦平稳运转。

图3 分段式保持架结构

2.5 润滑油路

轴承采用整体循环供油的润滑方式，通过轴承上的进油、溢油及排油油路与外部供油系统相连接(图2)，进行可控供油润滑。润滑油经开设在上排滚道压板上的进油孔进入轴承，对上排滚道及钢球进行润滑，而后经两套圈之间的间隙进入下排滚道油池中；溢油孔保证润滑油对下排钢球的浸没深度；排油孔在清除、更换润滑油时使用。整套循环供油系统保证了轴承的充分润滑，不仅降低了轴承的摩擦力矩，还降低了工作中温度对轴承的影响。

2.6 密封

上排滚道采用非接触式迷宫密封结构(图4)，由环形盖板与上挡板组成，防止外部灰尘杂质的侵入；下排滚道的密封结构由下挡板、O形圈与套圈结合而成(图5)，主要防止润滑油的渗漏及外部杂质侵入。

图4 上排滚道局部示意图

图5 下排滚道局部示意图

3 校核

由于轴承工作载荷分为轴向载荷和径向载荷，由下滚道及上滚道分别承担，所以需对轴承两滚道分别校核，计算出滚道静态安全系数和工作总转数。需注意轴承材料42CrMo的点接触许用接触应力为3 850 MPa[1]。计算结果见表1，校核计算过程见文献[2-3]。

表1 计算校核结果

4 结束语

设计的双排异径球转盘轴承具有足够的承载能力，高的回转精度和运转平稳性，良好的润滑及密封性能，很好地满足了主机的工况要求。