轴承预紧力对轴承性能及寿命的影响分析

马更生，丁开瑞，张旭平（京能集团山西漳山发电有限责任公司，山西 长治 046021）

轴承预紧力对轴承性能及寿命的影响分析

马更生，丁开瑞，张旭平
（京能集团山西漳山发电有限责任公司，山西 长治 046021）

本文就转动机械中最常见的角接触轴承安装预紧力的作用、估算方法及对轴承性能的影响进行了深入阐述及探讨，对角接触轴承的安装起到了指导作用。

轴承；预紧力；估算；调整；性能；寿命

0　引言

转动机械在现代工业中的应用非常广泛，作为转动机械的核心部件轴承的安装工艺直接关系到转动机械的安全运行。本文就转动机械中最常见的角接触轴承安装预紧力的作用、估算方法及对轴承性能的影响进行了深入阐述及探讨，对角接触轴承的安装起到了指导作用。

1　概述

滚动轴承根据不同的应用场合，装配时需要预留合适的工作游隙。在大部分的情况下，工作游隙应为正值，但是如果需要提高轴系的旋转精度或刚性时，则经常采用负的工作游隙。预紧就是在轴承装配时通过外部给予一定的预加负荷，消除轴承滚动体与内外环的间隙，使轴承出现弹性变形产生负的工作游隙。预紧是减少轴因受力产生挠曲，促使轴承中的负荷分布更均匀，改善工作状态下受力状况的一种措施。通过预紧还可对滚动体与内外环的磨损给予一定的补偿，降低设备在运行中产生的噪声，延长轴承的使用寿命。

2　需要进行预紧的场合

一般来说，对于轴承定位精度要求高、旋转精度要求高、需要提高轴系刚性的高速精密运转的场合，以及高速轻载、温度变化较大、做往复运动的轴承配置或需要降噪减振的场合，均需要进行预紧，以便为轴承提供最小负荷。例如精密机床的主轴轴承、减速机的轴承、汽车传动轴的小齿轮轴承、小型电机、低温设备、风机的轴承等，通常均需要在装配时进行预紧。

3　最小负荷的确定

最小负荷的大小受到轴承的基本额定静负荷、最小轴向负荷系数Ka、转速n、轴承平均直径等的影响。我们可以根据轴承手册提供的经验公式进行计算，例如单列角接触轴承的最小轴向负荷可通过公式进行计算。如果轴承支撑的重量加外力达不到最小负荷，则必须通过调整轴承的预紧力施加额外的负荷。

4　预加负荷的确定

图1

对于能同时承受径向和轴向负荷的角接触球轴承，在径向负荷的作用下，轴承内会产生一个轴向力，而这个轴向力通常需要由另一个位置相反的轴承来承受。如果内圈与外圈之间能有纯径向位移，表示只有沿轴承圆周一半的滚道在承受负荷。单列角接触轴承内产生的轴向力可根据公式Fa=R Fr来计算。式中的Fr是作用在轴承上的径向负荷，变量R是根据轴承内部的接触条件而定，其数值按照轴承手册中的“确定单个或串联配对轴承所承受的轴向负荷”方法来确定，见图1。

5　预紧力的大小对轴承性能的影响

如果外部轴向力小于以上的计算最小负荷值时，承受负荷的滚动体数目就会少于一半，轴承的负载能力就会相应减少，轴承滚动体有可能出现滑移，造成轴承的损坏。在实际应用中，出现过由于轴承锁母未锁紧或内圈故障，导致轴承外部轴向力小于轴承所需要的最小负荷，造成工作条件恶化，轴承损坏的现象。因此在有外部轴向负荷的情况，需要考虑对轴承进行预紧，以补偿承受轴向负荷的轴承本身的窜动产生的游隙和因弹性变形而产生的游隙，并使负荷更能平均地分布在另一端无轴向负荷的轴承。同时，假设弹性与负荷是线性关系，那在相同的外部轴向力Ka的作用下，带预紧轴承配置的轴向位移比没有预紧的轴承配置要小，轴承的稳定性能则更好，见图2。

图2

当然，轴承预紧力过大对轴承也有不良影响，因此必须保持正确的预紧量。在确定轴承配置中的预负荷时，应注意当预紧超过某既定的最佳值时，刚性只能有限地提高。因为磨擦和随之产生的热将增加，如果有附加负荷并长时间作用下，轴承的寿命将会大大降低，见图3。

图3

6　现场应用中预紧力的选取影响因素及估算方法

轴承预紧力的大小要慎重选择，太小无法提高轴系刚度或旋转精度，达不到预期的效果，太大则会出现轴承磨损加剧、发热量大等问题、造成轴承寿命明显缩短或损坏的问题。预紧力的大小主要考虑轴承工作转速高低及负荷的大小，转速高、工作负荷小的工况宜选用较小的预紧力，转速低、中等或较大的工作负荷则应加大预紧力。实际应用中要在轴承寿命、旋转精度、轴系刚性要求三者之间进行合理平衡，一般来说预紧力略大于工作负荷为最理想。

通常我们按承受负荷的大小将滚动轴承运行工况分为4种状态，分别是微负荷、轻负荷、中负荷、重负荷，它们的大小用设计手册中滚动轴承的额定动负荷的几分之一来表示，如微负荷=额定动负荷/175KN；轻负荷=额定动负荷/30KN；中负荷=额定动负荷/15KN；重负荷=额定动负荷/7.5KN，然后根据负荷的种类选取预紧力的大小。一般来说，高速配轻预紧，低速配重预紧。

例如向心球轴承或角接触球轴承来说，重负荷状态的预紧力=额定动负荷/25；中负荷状态的预紧力=额定动负荷/50；轻负荷状态的预紧力=额定动负荷/100；微负荷状态的预紧力=额定动负荷/500。

这样我们要估计一个滚动轴承的预紧力就可以先根据它的工作状况，大致确定它是四种负荷状况中的哪种类型，然后再通过设计手册查出其额定动负荷，最后将额定动负荷除以一个系数来确定其预紧力的大小。

另外，SKF公司对单列角接触轴承预紧负荷做了如下分类：GA轻预紧、GB 中预紧、GC 重预紧；预紧组别的范围见表1。

7　结束语

对比经验公式计算的预紧力值与SKF轴承手册提供的预紧力矩基本符合，因此在实际的应用中，结合设备使用状况，如油脂的种类、轴承的精度、运行的环境等参考以上两种方法对预紧力进行调整。但是无论是通过计算还是根据经验确定的预紧力，都必需将其偏差控制在一定范围之内。因为在实际工作中，会有各种因素影响测量和计算的准确性，使测量出的预紧力与实际所需预紧力有较大偏差。因此在应用上要采取测量、计算、经验值相结合的办法来最终确定预紧力的大小。对于每次调整时的力矩、锁母的轴向距离、回转体的自由转动圈数等数据记录下来，以便今后重复调整。

表1

［1］李红光.滚动轴承预紧的意义和预紧力的估算及调整［J］.机械制造，2004（09）：46-47.

［2］SKF轴承综合型录，2004（10）：208-217.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.182

马更生（1975-），男，山西长治人，本科，高级技师，主要从事锅炉检修管理工作。