论滚动轴承在轧机减速箱高速轴中的应用与改进
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摘要：本文通过对宝钢特材公司条钢棒二分厂主轧线减速箱高速轴轴承的受力及损坏原因的分析，阐述了其失效的原因。并且通过对原有轴承形式的改进，延长其使用寿命并且降低成本支出。
关键字：离心力径向力轴向力应力计算。
中图分类号： O434 文献标识码： A
1滚动轴承的简单介绍
1.1滚动轴承的分类
径向接触球轴承―深沟球轴承
径向接触轴承圆柱滚子轴承
径向接触滚子轴承
滚针轴承
向心轴承 调心球轴承
角接触向心球轴承
角接触球轴承
角接触向心轴承 圆锥滚子轴承
角接触向心滚子轴承
调心滚子轴承
轴向接触球轴承―推力球轴承
滚动轴承轴向接触轴承 推力圆柱滚子轴承
轴向接触滚子轴承
推力轴承推力滚针轴承
角接触推力球轴承―推力角接触球轴承
角接触推力轴承推力圆锥滚子轴承
角接触推力滚子轴承
推力调心滚子轴承
组合轴承
1.2滚动轴承的特性（载荷方向）
深沟球轴承―主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。在转速较高、不宜用推力轴承时，可承受较轻纯轴向载荷。
单列―①承受径向和单向轴向的联合载荷；②承受径向和双向轴向的
联合载荷。不宜受纯轴向载荷。
角接触球轴承 双列―③承受径向为主和双向轴向载荷的联合载荷。不宜承受纯轴向
载荷。
组合―承受以径向载荷为主的径、轴向联合载荷（串联为单向轴向，
其他配置可承受双向轴向），也可承受纯径向载荷。
调心球轴承―主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。
圆柱滚子轴承―仅能承受径向载荷，内、外圈的带挡边的单列轴承可承受较小轴向载荷
（加带挡圈的可承受双向的）。
滚针―仅能承受径向载荷。
圆锥滚子轴承―主要承受以径向载荷为主的径、轴向（④为单轴向，⑤为双轴向）联合
载荷，而大锥角可承受以轴向载荷为主的径、轴向联合载荷。
调心滚子轴承―主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。
球―51000型只能承受单向轴向载荷，52000型可承受双向轴向载荷，
230000型主要承受单向轴向载荷，也可同时承受一定量的径向载荷。
推力轴承圆柱、圆锥―承受单向轴向载荷。
调心滚子―承受轴向载荷为主的轴、径向联合载荷，但径向载荷不得超过
轴向载荷的55%。
2.1 简单介绍
特殊钢条钢厂棒材二分厂轧制产线于2006年投产。在前期设备制造安装时就发现主轧线前级大牙箱的高速轴在出厂试车时发现外方选型不对，导致不能正常运转。由于当时设备交货周期等问题，外方临时更改了轴承的尺寸，满足了使用要求。但在设备生产之后，高速轴轴承使用寿命一直不长，一般为8个月左右就要更换新轴承。最近更是接连发生轴承损坏导致停产。原外方轴承布置见下图：
图1
图1采用的是双列圆锥滚子轴承，该轴承直接坐在减速箱的轴承座上。型号为：TIMKEN EE295102/92DC/X1S。
图2
图2为现在正在使用的轴承布置状态。由于在外面加了个套，因此轴承的外圆及长度都相应减小和缩短。
2.2 失效原因分析
由于图1、图2的轴承均为TIMKEN进口轴承，具体极限转速的数据也不容易找到，因此我们对照了机械手册上与之尺寸相类似的双圆锥滚子轴承的参数得到：轴承代号为352152，尺寸为d：260mm、D：440mm、B1：225mm；极限转速在脂的条件下为450rmp、油为560rmp。但外方图纸上表示与高速轴联接的主马达的最高转速为1700rmp，远远大于这类轴承所能承受的极限转速。且根据轴承损坏的现象判断，由于其转速较高，产生很大的离心力，将滚动体朝轴承端面挤压，时间一久，就发生滚动体和轴承内圈磨损。检查滚动体也验证了我们的猜测：圆锥滚子磨成了橄榄形。
2.3 结论
从上可以得出结论：圆锥滚子轴承不适应与高转速工况。必须改变现有的轴承布置形式，让它能承受高载荷、高转速的工况要求。
3改进方案的提出和计算
3.1 方案的提出
通过收集资料，我们发现：可以将原先使用的双列圆锥滚子轴承改成由NU型的圆柱滚子轴承和QJ型的四点接触球轴承配对使用的组合轴承。理由是：NU外圈无挡边的圆柱滚子轴承只承受径向的载荷，承受的额定载荷较大。QJ型的四点接触球轴承既能承受径向的载荷，同时能够承受轴向的载荷，而且适合用于双向轴向力。且极限转速都在2000rmp以上，满足要求。具体见下图：
图3
图3：高速轴改进后装配图。
3.2 轴承载荷、寿命及强度计算
已知：电动机额定功率：1800kw 额定转速：0―850rmp―1700rmp。传动形式为斜齿轮啮合传动。斜齿轮分度圆直径d1≈310mm。螺旋角β=12°，齿形角αn=20°。
一、斜齿轮载荷计算：
Ft（圆周力）=……………………………………………①
Fr（径向力）=Fttgαt=……………………………… ②
Fa（轴向力）=Fttgβ…………………………………………③
其中：扭矩T1=9.55×106=9.55×106=1.0112×107N・mm
将上式结果代入式①，其中d1=310mm，得Ft≈66000N。
将Ft=66000代入式②和式③，得Fr≈25000N，Fa≈15000N
二、齿轴受力分析：
轴向和径向方向合力为零
Fr1+Fr3=Fr+G …………………………………………………… ④
Fa=Fa2………………………………………………………………⑤
以点a为支点，力矩平衡，得
270・Fr+589・G=570・Fr1 ………………………………………⑥
以点c为支点，力矩平衡，得
589・Fr3+19・G =300・Fr…………………………………………⑦
将上述求得的已知量分别代入式④⑤⑥⑦得，
Fr1+Fr3=30000
570・Fr1-270・Fr=2.945×106
589・Fr3 =7.405×106
Fa=Fa2
得，Fr1= 17428N
Fr3=12572N
Fa2=15000N
当量动载荷PP1=fpFr1
P2= fp（X2Fr2+Y2Fa2）
经查表，fp=3.0X2=0.56Y2=1.1
P1=3×17428N=52284N
P2=3×（0.56×0+1.1×15000）=49500N
轴承寿命Lh
Lh1===155733h≈17.8年
Lh2===22200h≈2.5年
极限转速nmax≤f1f2n2im
经查表得，四点接触球轴承f1=1 f2=0.8
圆柱滚子轴承f1=1 f2=1
四点接触球轴承1700rmp≤2400×0.8×1=1920rmp符合要求。
圆柱滚子轴承 1700rmp≤2200×1×1=2200rmp符合要求。
4经济效益
通过对轴承布置形式的改变，减少了该设备损坏次数，有效的提高成材率、降低热停工时间。减少轴承的采购费用，降本增效。
具体如下：
分厂每八个月更换轴承等费用：15万元。
一次性投入：12万元。
按照5年进行计算，产生的经济效益：
未改进时的检修支出：8×15=120万元
改进之后检修支出：12×2=24万元
实际将本96万元。
5结语
本次对轴承的改进，可以从根本上解决了设备的缺陷。大大增加设备的检修周期，尤其在设备生产紧张的时期，更是能确保设备的正常工作。大大降低了设备的检修费用以及因设备损坏导致的一系列问题。
参考文献
[1] 成大先 《机械设计手册》第四版 第2卷 化学工业出版社，2002年
[2] 祝燮权 《实用五金手册》第七版 上海科学技术出版社，2010年
[3] 单辉祖 《材料力学》第2版 高等教育出版社，2004年
[4] 上海机械学院 《机械设计基础》上海人民出版社，1976年