滾動軸承是工業(yè)基礎件，被稱為機械的關(guān)節(jié)[1]。調(diào)心滾子軸承能承受軸向和徑向雙向載荷，具有調(diào)心功能，可以補償軸彎曲變形以及配合面的不對中，因此被廣泛應用于工業(yè)齒輪箱中，被稱為“萬能軸承”[2-5]。然而現(xiàn)實工況十分復雜，并沒有完美的軸承適應所有的場合。文獻［3］中詳細闡述了工業(yè)齒輪箱中調(diào)心滾子軸承的受力和滾子運動情況。在軸向力與徑向力比值偏大、大沖擊載荷的工況下，滾動體會出現(xiàn)單列受載，將產(chǎn)生額外沖擊載荷，滾動體和保持架容易損傷，造成軸承提前失效，達不到其計算壽命，影響減速機的使用，但并未給出解決方案。為此，結(jié)合實例，本文作者對軋機減速機用調(diào)心滾子軸承進行優(yōu)化設計，探討解決方案。

國內(nèi)某鋼廠熱軋生產(chǎn)線主減速機中采用斜齒輪傳動，軸承選用241 系列調(diào)心滾子軸承，軸承內(nèi)徑達到480 mm，外徑790 mm，寬度308 mm，屬于大型軸

承。該減速機使用過程中，軸承壽命短，易損壞。在對損壞軸承進行分析后，不拘泥于常規(guī)設計思路，進行了軸承結(jié)構(gòu)改進和加工。經(jīng)應用后軸承的壽命得到了極大提升，減少了生產(chǎn)停頓和軸承替換成本。

1 原軸承結(jié)構(gòu)及使用工況

該減速機高速軸固定端軸承使用241系列CA型調(diào)心滾子軸承，軸承結(jié)構(gòu)如圖1 所示。軸承由外圈、內(nèi)圈、滾動體、車制保持架和固定中擋邊組成。外圈有注油孔，內(nèi)圈帶外擋邊。套圈材料GCr15SiMn。精度P0級，游隙C0級。軸承轉(zhuǎn)速0～180～425 r /min。工作溫度－25～50 ℃。460# 齒輪油循環(huán)潤滑。由于軸承受力情況不詳，其間分別嘗試過:

( 1) 某國外公司軸承，銅保持架結(jié)構(gòu)，滾子數(shù)量分別嘗試過22粒及21粒，所用軸承壽命為5～6 個月。失效形式是銅保持架斷齒。

( 2) 某國產(chǎn)公司分體鋼保持架，壽命4個月左右，失效形式是鋼實體保持架底副斷裂。

( 3) 某國外公司軸承，4個半保持架鉚接的CA結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)鉚釘錯位。

圖1 原調(diào)心滾子軸承

可見軸承失效原因均是保持架損壞。另經(jīng)觀察，失效軸承內(nèi)圈有一側(cè)滾道上痕跡不正常。

2 失效原因分析

經(jīng)過分析，認為造成軸承提前失效的原因如下:

( 1) 由于減速機采用斜齒輪傳動，該軸承安裝在傳動軸固定端，軸承承受了較大的軸向力。而241系列調(diào)心滾子軸承的設計初衷和應用場合主要承受較大徑向力，而軸向力承載能力較弱。

( 2) 出現(xiàn)了單列受載的情況。該類軸承游隙大于0且軸向力和徑向力比值大到一定程度，出現(xiàn)下列情況:Fa/Fr＞tanα,式中: Fa為軸向力; Fr 為徑向力;α為接觸角。此時理論上會出現(xiàn)單列受載的情況。滾子單列受載情況時會出現(xiàn)不受載列滾子打滑，使軸承運轉(zhuǎn)中有損傷風險[4]。單列受載使兩邊滾子轉(zhuǎn)速有差別，保持架運行速度不同，受載列轉(zhuǎn)速較高，對保持架的性能有更高的要求。

( 3) 在使用過程中振動較大，有大沖擊載荷的存在，使保持架承受較大沖擊力，黃銅和相同尺寸的碳鋼保持架不足以承載振動和沖擊力。

( 4) 軸承的固定中擋邊不能做軸向移動，不能調(diào)節(jié)兩列滾子載荷，加劇了兩列滾子的受力不均情況。

3 設計優(yōu)化方案

針對以上工況，對軸承進行優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。優(yōu)化思路為在不改變軸承外形尺寸(安裝位置限制) 和承載力的情況下，加大保持架厚度，增強其承載能力。具體的設計優(yōu)化方案如下:

( 1) 采用分體式碳鋼保持架取代黃銅保持架，材料選取20 鋼，保持架相關(guān)尺寸增大，以加強其強度和承載力。

( 2) 增加保持架齒寬。可選方案有兩種: 第一種方案是滾子數(shù)量不變，減小滾子直徑; 第二種方案是保持滾子直徑不變，減少滾子數(shù)量。由于工況中軸承受力復雜，為保證滾子有足夠的承載力，減小其直徑的方案不可取，因此選擇第二種方案，確定為滾子數(shù)量減少至20 粒。

圖2 改進調(diào)心滾子軸承

( 3) 滾子長度由原來的128 mm 減小到120 mm，以增大保持架梁寬。因滾子減短，需注意如圖3 中保持架外徑開口鎖量L1 尺寸，若選取不當，裝配時滾子極易從保持架掉出。此例中L = 105mm，α= 13°，L1取值90 mm，經(jīng)安裝測試取值合適。

圖3 分體式碳鋼保持架

( 4) 取消固定中擋邊，采用活動中擋圈。活動中擋圈和固定中擋邊的主要區(qū)別在于: 軸承運轉(zhuǎn)時，固定中擋邊不可做軸向移動，但對滾子引導良好。當承受軸向載荷時不能調(diào)節(jié)兩列滾子載荷，容易導致單列滾子受力或產(chǎn)生應力集中。而活動中擋圈可以做軸向移動，起到補償左右，當軸承在承受軸向載荷時可以調(diào)節(jié)兩列滾子的載荷，使其均勻受載，避免應力集中。若沒有活動中擋圈，其功能由保持架承擔[7]。

( 5) 軸承外形尺寸和套圈壁厚保持不變，以保證安裝。其他技術(shù)要求符合現(xiàn)行國家和行業(yè)標準，如形位公差、熱處理、探傷及檢測方法等。

4  大兜孔保持架的加工

上述設計方案的實現(xiàn)難點是大型碳鋼保持架兜孔的加工[8-9]。保持架兜孔形狀如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)仿形滾動體。傳統(tǒng)的銅保持架兜孔加工采用TK9213 臥式鉆床，刀具采用高速鋼仿形鉆頭，增大保持架兜孔孔徑后，需相應增大鉆頭直徑，保持架材料改為鋼后，加工中切削力大，易燒損鉆頭。傳統(tǒng)的鉆削工藝在鉆削時產(chǎn)生的塑性變形區(qū)大于切削層厚度，加工后容易產(chǎn)生大量毛刺，影響使用。

圖4 保持架兜孔

基于以上原因，鋼制保持架大兜孔的加工更改為銑削方式，由于銑削加工面包括兜孔側(cè)壁和底部，因此，銑削選用90°可轉(zhuǎn)立式銑刀。刀片材料選用森泰英格的EB1220，不僅能滿足高轉(zhuǎn)速和大進給量的切削性能要求，而且銑削中可利用刀具的側(cè)刃加工，切削力小，刀具可重復使用，減小了刀具的準備時間，降低了成本。與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，其塑性變形區(qū)與切削層厚度的差值更小，毛刺少。具體實施方案詳見文獻[10]，采用自動編程方法。該加工方法已在某軸承廠多種大孔徑軸承實體保持架的制造上得到驗證，經(jīng)濟可靠，加工效率較高，保持架精度達到要求。

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