某船用大型可拆卸式滚动轴承设计

吴静波，朱发新，李玉乐

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

1 船用大型滚动轴承简介

滚动轴承具有互换性好、加工精度高、强度高等优点，在船舶等各个领域应用广泛。为了防止保持架因振动而产生松脱，目前滚动轴承的保持架一般采用不可拆卸的铆钉连接结构[1]。

在晃荡、润滑不良、湿度高、温度高等恶劣的船舶环境条件下，滚动轴承的零部件出现过度磨损、变形及疲劳断裂等损坏时，只能整体更换该滚动轴承，造成资源浪费，运行成本增加等[2-3]问题。针对滚动轴承存在的不可拆卸等缺点和不足，设计可拆卸式滚动轴承结构，尤其是针对船用大型滚动轴承，具有一定的研究意义[4]。

船用大型滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架4部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，引导滚动体旋转起润滑作用[5]。

2 某船用大型可拆卸式滚动轴承设计

2.1 设计要求分析

针对传统滚动轴承均采用不可拆卸的铆钉连接情况，设计1种可拆卸的螺栓连接固定，具体设计要求分析如下。

1)要求装置技术成熟、适应性好。

2)要求装置整体结构简单，操作方便，技术要求低。

3)装置成本低，便于维护保养。

4)要求装置有良好的综合力学性能，滚动体与内外圈的材料应具有高硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。

2.2 工作原理

图1为用AutoCAD软件设计出来的船用大型可拆卸式滚动轴承的整体结构图，运用了可拆卸式螺栓连接结构，具体工作原理分拆卸和安装2部分进行展开。滚动轴承在运行时如果发现轴承有振动、漏油或发出异响的现象，则说明滚动轴承受损，发现轴承受损后，可用拉马或敲击等方法取出。如轴承位于轴的末端，用小于轴承内径的铜棒或其它软金属材料抵住轴端，轴承下部加垫块，用手锤轻轻敲击，即可拆下。拆下后，用扳手取下保持架上的螺栓更换受损零件，如图2所示。更换好后，安装螺栓和滚动轴承，使滚动轴承与轴配合。船用可拆卸滚动轴承的具体拆卸、安装方法如下。

1-外圈；2-滚动体(球体)；3-可拆卸保持架；4-内圈

图2 螺栓连接式保持架结构图

1)拆卸。当对轴上滚动轴承进行拆卸时，可采用三爪拉马拆卸。拆卸时，将螺杆顶尖定位于轴端顶尖孔调整拉爪位置，使拉爪挂钩在轴承外环，旋转旋柄使拉爪带动轴承沿轴向向外移动拆除。拆卸后，用六角扳手拆下可拆卸式保持架上的12个螺母，保持架便会松动，取下滚动体与左半保持架及右半保持架放入润滑油中，以免生锈和渗入杂质，然后取下内圈及外圈即可。

2)安装。将内圈整齐放到外圈里，内圈先朝外圈内侧一边紧贴放置，另一边留下足够的空间将球体放入，接着用分球器将钢珠均匀分开。最后安放可拆卸保持架，将左半保持架与右半保持架对齐安置于滚动体之间，分别安装12个螺杆与螺母，再用六角扳手锁紧。安装好滚动轴承后，可采用铜棒和手工锺击进行安装。安装时，用铜棒沿轴承内圈端面周围均匀用力敲击，切忌只敲打一边或用力过猛，要对称轻轻敲打，慢慢装上，以免安装倾斜击裂轴承。

2.3 主要零部件

可拆卸式保持架。该轴承采用的是可拆卸式的左右两半式保持架，由若干螺栓固定连接。滚动轴承在高速旋转时，保持架要承受很大的离心力、冲击和振动，保持架和滚动体之间存在较大的滑动摩擦，并产生大量的热量。力和热共同作用会导致保持架故障，严重时会造成保持架烧伤和断裂。因此，要求保持架材料导热性好，耐磨性好，摩擦系数小，有较小的密度，一定的强度和韧性的配合，较好的弹性和刚度与滚动体相近的膨胀系数以及良好的加工工艺性能。

螺栓连接。螺栓连接时，若螺栓直径过大，螺栓头部会发生干涉，且容易使板料变形；反之，若螺栓直径过小，则螺杆强度不足，致使螺栓数量增多，施工不便。螺杆直径的选择主要由板材厚度决定。连接长度与螺杆长度有直接关系，若螺杆过长则容易弯曲；而螺杆过短则无法连接。连接长度应根据被连接件的总厚度、螺孔与螺杆直径间隙及连接工艺方法等因素确定。因此，螺栓连接的选择应根据实际情况而定。

3 三维实体建模及干涉检查

3.1 零部件建模

打开UG三维建模软件，新建“建模”版面；创建草图，按相应尺寸绘出基本草图；退出草图，利用“拉伸”“旋转”“阵列特征”等实体建模功能作出三维实体；对作出的各三维实体进行布尔运算。图3为滚动体(球体)的建模，主要利用“阵列特性”功能；图4为内圈及外圈的建模，主要利用“旋转”功能对草图进行实体建模；图5为分半式保持架的建模，利用了“拉伸”等功能，再对其进行“镜像”；图6为建成的保持架。

图3 滚动体(球体)

图4 内圈及外圈

图5 分半式保持架

图6 保持架

3.2 装配体建模

装配技术要求如下。

1)滚动轴承标有代号的端面应装在可见方向，以便更换时查对。

2)轴颈或壳体孔台阶处的圆弧半径应小于轴承上相对应处的圆弧半径。

3)轴承装配在轴上和壳体孔中后，应没有歪斜现象。

4)在同轴的2个轴承中，必须有一个随轴热胀时产生轴移动。

5)装配滚动轴承时，必须严格防止污物进入轴承内。

6)装配后的轴承，须运转灵活、噪声小、工作温度一般不宜超过65 ℃。

打开UG三维建模软件，新建“装配”版面；选择已作出的三维实体零部件，将各零部件导入；利用“装配约束”“移动组件”“阵列组件”等关联功能进行装配。图7为按照装配技术要求进行的保持架装配，图8为总装配图。

图7 保持架的装配

图8 总装配图

3.3 干涉检查

构件设计过程中，有时会发生保持架与内圈、外圈、保持架等之间相互干涉的情况，及时发现问题并解决问题，对减少相应的损失至关重要。

操作步骤如下：①打开已装配好的三维实体；②点击菜单，选择分析选项条，简单干涉；③选择需要检查的对象，例如第一体为外圈，第二体为可拆卸式保持架；④如显示无干涉面对话框，说明外圈与可拆卸式保持架无干涉。

4 结束语

本文所作研究属于前期理论研究，其设计的船用大型滚动轴承是否可应用到实船上，还需要进一步论证，后期可从运动学与动力学分析、有限元分析、样机生产及实船测试等方面作进一步的研究。