托辊用深沟球轴承减摩设计

贾松阳，王朋伟，文婧，丁建强，范强

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039)

JB/T 8722—2010《滚动轴承 煤矿输送机械用轴承》对托辊用深沟球轴承的旋转阻力进行了规定[1-2]。随着轴承技术的发展，部分轴承用户对托辊用深沟球轴承旋转阻力提出了更高要求，传统方法设计的轴承已不能满足市场需求，有必要开发新的托辊用低摩擦深沟球轴承。

1 原托辊用低摩擦深沟球轴承设计

传统托辊用低摩擦深沟球轴承结构如图1所示，有6204，6205，6305～6313共10个型号，后缀均为TN/C3YA。该系列深沟球轴承内径为20～65 mm，外径为47～140 mm；套圈和球材料均为GCr15，保持架材料为尼龙；轴承两侧带防尘盖，轴承主参数与一般浪形保持架深沟球轴承相同，尼龙保持架根据传统方法设计[1-2]。

1—内圈；2—外圈；3—钢球；4—防尘盖；5—尼龙保持架

JB/T 8722—2010中规定的轴承技术条件为：1)尺寸和旋转精度公差参考GB/T 307.1—2017《滚动轴承 向心轴承 产品几何技术规范(GPS)和公差值》的P0；2)表面粗糙度符合GB/T 307.3—2017《滚动轴承 通用技术规则》的P0；3)游隙符合GB/T 4604.1—2012《滚动轴承 游隙 第1部分：向心轴承的径向游隙》中3组的规定。

2 新型轴承结构及技术参数

轴承旋转阻力影响因素较多[3-11]，在工况一定时，球组节圆直径越小,钢球直径越大,球数越少，旋转阻力越小[12]。对该系列轴承进行减摩优化，轴承外形尺寸、球径、球数、球组节圆直径不变，考虑的主要因素有填脂量、游隙、内外沟曲率半径系数、公差精度、表面粗糙度及保持架结构等。

2.1 填脂量

脂润滑密封轴承旋转阻力主要有润滑脂摩擦，密封圈摩擦，轴承内各种滚动和滑动摩擦，其中润滑脂对轴承摩擦力影响最大。为减小润滑脂摩擦，除寻找优质的润滑脂外，主要考虑控制润滑脂填充量。JB/T 7752—2017《滚动轴承 密封深沟球轴承 技术条件》规定密封球轴承填脂量为轴承有效空间容积的25%～40%，主要从轴承综合性能考虑，是否适用于轴承减摩工况有待商榷。

文献[13]通过试验分析了6204和6205深沟球轴承填脂量对旋转阻力的影响，在转速一定时，旋转阻力随填脂量增大先增大，再减小，最后缓慢上升，填脂量为20%～40%时旋转阻力较小。文献[14]汇总了国外样本中对密封球轴承填脂量的规定，认为填脂量在30%以上时轴承旋转阻力较小,寿命较长。综上可知：该系列轴承填脂量为30%～40%较好。

2.2 轴承内部结构参数

2.2.1 沟曲率半径系数

为分析沟曲率对旋转阻力的影响，分别设计内、外沟曲率半径系数均为0.515和内沟曲率半径系数0.515、外沟曲率半径系数0.525的6308深沟球轴承，各取10套进行试验。结果表明：2批轴承旋转阻力均无明显变化，说明套圈沟曲率半径系数对旋转阻力无明显影响，沟曲率半径系数可参照原设计方法。

2.2.2 公差和表面粗糙度

通过文献[15-16]可知：对公差和表面粗糙度要求越高，轴承旋转阻力越小。但公差和精度越高，加工成本越高，在此对公差和表面粗糙度做如下规定：外形尺寸精度为P6，旋转精度为P5，表面粗糙度为P5。

2.2.3 游隙

游隙越大，旋转阻力越小[17-18]。JB/T 8722—2010规定该系列轴承游隙为C3组，经实践验证，游隙可放宽到C4组的前半段。游隙对旋转阻力的影响要大于沟曲率、公差和表面粗糙度，应根据实际工况确定游隙范围。

2.2.4 钢球

钢球精度等级高于JB/T 8722—2010的G40级。

2.3 保持架结构

新设计仍采用尼龙保持架，如图2所示，但总厚度H比原结构减小约8%，兜孔部分厚度h比原结构减小约35%。此外，新型保持架内外径比原结构小，保持架中心线与钢球中心线不在一条线上，新型保持架更接近内圈。

图2 新型保持架结构

新型保持架优点：1)总质量比原结构减小了20%，保持架转动惯量也相应减小；2)兜孔和钢球接触面小，在一定程度上可减小钢球的滑动摩擦力；3)更轻薄的保持架可减小润滑剂的黏滞阻力。

2.4 密封结构

为减小摩擦，密封设计为非接触式。同时，为防止漏脂，新型轴承密封设计为简易迷宫型，如图3所示。防尘盖径向延伸入内圈一定距离，既能实现非接触减摩，又能防止漏脂。

图3 改进前后密封结构

3 实例分析

部分型号新型轴承优化设计参数见表1，经用户验收测试，旋转阻力见表2，旋转阻力比JB/T 8722—2010规定值降低了30%以上。分析结果可为该类轴承的设计提供参考。

表1 优化后的轴承设计参数

表2 优化后轴承旋转阻力