文鑒恒

(成都重型軸承研究所，四川成都 610072)

我研究所在實施風力發(fā)電變槳、偏航用軸承技改中，因資金短缺，以創(chuàng)新精神研發(fā)了試驗機、銑齒機、三工位鉆孔機等裝備，節(jié)省了數千萬元投資。

1.5 MW發(fā)電變槳軸承外徑為φ2 080 mm，采用雙排角接觸(α≥45°)球軸承結構，按用戶提供的載荷作設計計算表明，只有兩排鋼球同時受力，方能承受剎車時的力矩載荷，否則將使受力大的一列溝道及鋼球產生塑性變形，摩擦力矩大幅增加，造成變槳用的2.8 kW伺服電機被卡住，而終止變槳功能。為滿足兩排鋼球同時受力的要求，我們制訂了嚴格的形位誤差要求，以此為基礎進行了2.5 m高精度數控立車的研發(fā)，發(fā)明了高精度推力向心組合圓錐滾子軸承，設計了用好該軸承的新型轉臺及軸臺。現綜述于后。

1 新軸承的結構及主參數示例

為滿足風電變槳軸承內、外圈四個溝道高精度加工的要求，我們曾調研、咨詢了FAG公司，該公司向我們推薦了高精度三排短圓柱滾子軸承，型號RTC850的外形尺寸為d×D×H=850 mm×1 095 mm×124 mm，從提供的樣本可查得該軸承最高精度的跳動量為9 μm。我們分析后認為該軸承結構無法調整游隙，不能滿足機床高剛性的要求，同時三排柱軸承套圈的工藝性不好，無法一次定位裝夾實現高精度加工，故最高精度的跳動量仍高達9 μm，略高于P4級(Si≤10 μm)精度，低于P2級(Si≤5 μm)精度。此外兩排止推的短圓柱滾子，在軸承轉動時，沿滾子長度方向上的線速度不同而不斷發(fā)生打滑現象，其許用轉速不可能高。

為滿足自用以車代磨的2.5 m高精度數控立車的要求，我研究所發(fā)明了圖1所示的推力向心滾子軸承(已進入實審的發(fā)明專利)。

如圖1所示，本組合軸承共有9種零件，由件1座圈、件3中圈、件6圓錐滾子以及隔離圓錐滾子的支柱保持架(件4、5、7)構成推力滾子軸承(視尺寸情況也可用實體或沖壓保持架替換支柱保持架)，承受中圈3上端面?zhèn)鱽淼妮S向載荷。由件2內圈、件3中圈、件8圓錐滾子及件9沖壓保持架構成向心圓錐滾子軸承，承受中圈3傳來的徑向力及偏載造成的力矩的支反力。

為用好本軸承，必須按軸承的相應尺寸設計制造高精度、高剛度的專用軸臺。圖2所示為2.5 m立車轉臺所用的軸臺結構及相應的配件。組合軸承座圈置于軸臺1的平面上并以座圈內徑作徑向定位;組合軸承的內圈內徑與軸臺的軸頸為過盈配合，壓緊螺母(或螺釘組)3，經墊環(huán)2將壓緊力作用于內圈大端面上，使內圈軸向位移，形成徑向和軸向軸承的負游隙，從而獲得高剛度的軸承安裝。軸臺與轉臺的底座由螺釘連成一體，構成轉臺的轉動部件。

以我研究所獨創(chuàng)的滾動軸承極限設計專有技術，完成了本組合軸承主參數的設計計算方法。其中2.5 m高精度數控立車轉臺所用組合軸承的外形尺寸為D×d×H=1 330 mm ×1 090 mm ×112 mm，重量213 kg，其額定載荷數據見2.3節(jié)。同時也完成了10 m以內20余種組合軸承的主參數設計。一旦市場需要，即可完成設計、制造供應市場。

2 新軸承的特性與優(yōu)勢

2.1 無間隙配合，安裝拆卸方便

任何機械都有安裝拆卸方便的要求，為此，除轉盤軸承外，幾乎所有使用軸承的機械，其軸承外徑與殼體的軸承孔間均取間隙配合，軸承內徑與軸的軸頸間則為過渡配合，由于間隙的存在，軸承受載(特別是變載)后則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即使軸承采用零游隙或負游隙，也難以達到高精度、高剛度、高穩(wěn)定性的要求。

對動壓、靜壓、磁懸浮等軸承，其間隙配合是保證主軸懸浮旋轉的必要條件。只有本專利軸承是無間隙的配合安裝，即將座圈置于軸臺的軸頸為過盈配合(過盈量較小)壓緊軸臺上的螺母(或一組螺釘)，在獲得無間隙安裝的同時，軸承也形成負游隙。此時，中圈即成為主機轉臺的根基，在其上裝置齒輪(或蝸輪)，齒輪上安裝工作臺面，即成為高剛性的轉臺?；蛘邔⒅腥貉b在不動的機殼端面，以花鍵、連軸節(jié)等將動力傳給軸臺，則軸臺就變成了高剛性的轉軸。

上述安裝都是一個零件、一個零件的疊加，只有內圈需熱套入軸臺軸頸。拆卸時則按逆向順序，退出連接螺釘即可一件一件地取下零件，唯有過盈配合的內圈需在軸臺的底面預留多個螺紋通孔，以螺釘將內圈頂出。故安裝、拆卸均十分方便。

2.2 優(yōu)良的工藝性，確保了高精度加工

本軸承的座圈、內圈、中圈的內(外)徑、滾道、擋邊在采用相應的工裝后均可達到一次定位、壓緊，調整磨頭來完成各面的加工，消除了多次定位、壓緊造成的累積誤差，保證了高精度加工的要求。

KHZZ－08軸承的座圈、內圈、中圈及軸臺四大零件都是在我公司新購的數控磨床上進行細磨、終磨的。該磨床加工φ1 000 mm以上軸承淬回火零件的橢圓度、錐度一般達2～3 μm。一次定位裝夾零件的壁厚差≤2 μm。KHZZ－08軸承的三種套圈及軸臺的加工結果，其徑跳、端跳均在2 μm 左右，個別達3 μm?；緦崿F了高精度加工的要求。

2.3 高剛度、大承載能力、長壽命

由于軸承是裝在高剛度且無間隙配合的軸臺上，并通過壓緊螺母(或一組壓緊螺釘)將軸承調整為有預載荷的負游隙狀態(tài)，使軸承內外均呈無間隙狀態(tài)，其剛度之高是任何一種軸承都無法達到的。

KHZZ－08軸承重213 kg，軸向動載荷Ca=3 850 kN，靜載荷Coa=29 500 kN;徑向動載荷Cr=1 260 kN，靜載荷Cor=3 815 kN。與轉盤軸承中承載能力最大的三排柱轉盤軸承比較，FAG的RTC850重236 kg，軸向動載荷為1 000 kN，靜載荷8 650 kN;徑向動載荷455 kN，靜載荷1 730 kN。省卻重量略有差異的因素，四組數據對應的比值依次為:3.85、3.41、2.769、2.205。如以軸向動載荷比值，計算其額定壽命比，則KHZZ－08軸承是FAG RTC850軸承的89.44倍，而徑向的額定壽命比為29.8。

2.4 具有承受偏心載荷的能力

本軸承在承受大的軸向載荷及較大的徑向載荷的同時，還具有承受較大偏心載荷的能力。

如圖2中圈左部受偏載時，其左部的作用力由滾子、座圈傳遞給軸臺的平面承受，而中圈右部向上的作用力，則通過滾子、內圈傳遞給軸臺的軸頸形成抗傾覆力矩的支反力。只要加強軸臺的強度并適當調整向心推力部分的接觸角，其承受傾覆力矩的能力并不亞于任何一種現有的轉盤軸承。

2.5 預緊力提高了軸承的旋轉精度

如前所述，軸承零件及軸臺的形位誤差在2～3 μm，滾子的分組差為1 μm，軸承裝配后的跳動(徑跳、端跳)應有3～4 μm。立車裝配后，自車工作臺面(鑄鐵)的徑向跳動為2 μm，軸向跳動3 μm。我們初驗收時，自帶了φ1 900的中頻淬回火工件，并再次對預緊力作了調整，精車溝道后，在接觸角約50°的溝道打表，其法向跳動量僅為1 μm，唯淬火軟帶處，車刀不讓刀，車深了10 μm，即該部位的跳動為10 μm。該立車到廠安裝調試后，精車φ1 320的滲碳淬回火鋼及φ1 900淬火鋼，其徑向跳動、軸向跳動均≤2 μm。

上述數據表明，加工工件的跳動量均小于軸承初始的跳動量。是什么原因提高了軸承的旋轉精度呢?從定性的角度分析，是因為施加了較大的軸向預緊力后，作為彈性體的各零件——座圈、中圈、內圈及兩組圓錐滾子均處于受力狀態(tài)，其中，高點受力大，彈性變形較大，低點受力小，彈性變形較小。

我們對2.5 m高精度數控立車的轉臺施加的軸向預緊力約為12～15T。KHZZ－08軸承的推力滾子數Z=95，每一滾子平均預緊載荷為126.3～157.9 kg/粒;向心推力圓錐滾子數Z=110，每一滾子平均的預緊軸向載荷為109.1～136.4 kg/粒。計算表明，在上述預緊力下推力滾子軸承的彈性變形量δ=1.6～1.9 μm，向心推力滾子的彈性變形量 δ=1.8～2.2 μm。上列彈性變形量，是在設定套圈的旋轉誤差及滾子尺寸差為0時的數據，當存在高低點位時，高點必然受力大，變形大，低點受力小，變形小，從而較大幅度減小了旋轉誤差。

2.6 較高的極限轉速

本軸承在設計中堅持了圓錐滾子軸承的設計原則，其推力圓錐及向心推力圓錐均按滾子母線、軸心線，滾道母線的延長線交匯于軸承的軸心線的一點上，使之形成純滾動接觸，同時與滾子球基面接觸的兩種擋邊均為直母線，以減少摩擦。

采用上述措施的此組合軸承的極限轉速，與三排柱或交叉圓柱比較，預期將提高50%以上，但尚待試驗、測試方能最后確定。

2.7 配合方式的改變，可大幅度降低尺寸精度等要求

作為通用配件的滾動軸承，精度等級是由尺寸精度及旋轉精度構成的。由于新軸承取消了外徑裝于軸箱內孔的配合方式，改為軸承端面與軸臺平面置放，內孔與軸臺軸頸為緊配合，或以中圈端面與軸箱端面連接，因此，高精度(P2級及以上)的此類軸承，在提高旋轉精度的同時，大幅度壓縮內徑、外徑、高(寬)度尺寸公差及形位公差已毫無意義。我們認為即使P2、P2A級軸承的尺寸公差，其內圈內徑公差可按P5級要求加工，座圈內徑公差按P0級要求加工，其余尺寸均可按國標的9級精度確定公差。只需對影響旋轉精度的形位公差作嚴格的規(guī)定。

由于尺寸精度要求的降低，原標準對P4級以上軸承應作尺寸穩(wěn)定性處理的要求，對此類軸承應予免除。

2.8 大大簡化了轉臺等主機的結構

采用本文圖2所示結構，在軸承的中圈上裝上傳動齒輪(或蝸輪)及工作臺面，即為立式轉臺的典型結構，淘汰了傳統(tǒng)立式轉臺必須的主軸、殼體、2～3套軸承及相應配件，結構大為簡化，零件大幅度減小，成本降低。

用于其他主機，同樣具有簡化結構，提高精度、性能、壽命的顯著優(yōu)勢。

3 新軸承達到了前所未有的超高精度水平

在我們?yōu)檠邪l(fā)高精度大型、特大型軸承制訂的各類軸承的旋轉精度企業(yè)標準中，增加了P2A級精度等級，各高級精度的旋轉精度的數據，以P0級數據為基數，P4級取0.2P0，P2級取0.1P0，P2A 級取0.05P0，為計量方便，部分數據按±0.5 μm作了適當的調整。

增加的P2A級旋轉精度，已是國內外軸承前所未有的超高精度等級，而由我們研制生產的KHZZ－08組合軸承，與新型轉臺配套，用于2.5 m高精度數控立車上，加工φ1 900以上工件的徑向、軸向跳動≤2 μm，達到了P2A級旋轉精度的要求。

資料查新檢索表明，由KHZZ－08軸承及軸臺形成的組合軸承的旋轉精度及所加工工件的旋轉精度，已創(chuàng)造了國內外現有特大型軸承旋轉精度的最高紀錄。我們預期，將要研制開發(fā)的更大尺寸的新軸承及新轉臺，即使尺寸超過10 m，也能達到P2A級新標準的要求。

4 新軸承將為各種重型裝備升級換代作出重大貢獻

由于新型組合軸承同時具有無間隙配合、大承載、高剛度、高精度、抗偏載、簡化主機結構等8大優(yōu)勢，推廣應用后，必將為我國各種民用、軍用重型裝備的結構創(chuàng)新、升級換代所用，使我國各種重型裝備的精度、性能、壽命等步入世界先進行列。

4.1 重型機床

重型機床是各種重型機械裝備制造的工作母機。重型立式車床、磨床、銑床等的轉臺、分度臺采用新結構軸承后，不僅簡化了結構，更大幅度提高了主機的精度、剛度、速度、承重力、使各類主機升級至國際領先水平。

本產品用于重型臥式車床上，可將新軸承的中圈固定在床頭箱端面及尾座的端面，以軸臺軸端傳遞扭矩，軸臺端面上花盤或夾頭同樣可使主機的精度、剛度、承重力獲得大幅度提高。

4.2 重型軍用裝備

(1)可使大型跟蹤定位雷達提高1～2個數量級的精度

現有大型跟蹤定位雷達的轉臺，所用的轉盤軸承的旋轉精度大致為幾十至幾百微米，改用幾微米的本結構高精度產品后，其定位精度有望提高幾十甚至成百倍。同樣，將各類移動定位、導彈導航等裝備改用本高精度軸承后，其命中范圍將大幅度縮小，命中率將大幅度提高。

(2)提高重型火炮的命中率

現有的坦克、艦船的炮塔，密集火箭炮(喀秋沙)的塔臺上均裝有旋轉的轉盤軸承，但現有轉盤軸承的精度、剛度均較差，改用精度、剛度較高的本軸承后，將提高這些火炮的命中率。

(3)可使國產旋壓機達到高精度的目標

我國航空、航天及導彈殼體成形加工急需的高精度旋壓機，一直遭遇國外封鎖，國產旋壓機所需的高精度軸承國外亦拒絕供貨。采用本新結構軸承后不僅可簡化旋壓機的結構，更可達到超高精度、大承載、高剛度的要求，使國產旋壓機達到世界領先水平。

4.3 為各種重型裝備的主軸承提供了新產品選項

直徑≥10 m的盾構機，直徑≥8 m的全斷面硬巖隧道掘進機的主軸承，選用大承載、高剛性的新軸承后，不僅可大幅度簡化掘進機頭的結構，對提高主機的掘進效能，提高主機壽命將會產生良好的效果。

改變向心推力軸承的接觸角及軸臺設計，將對各重型起重機、堆取料機、裝卸船機提高承載能力，發(fā)揮更大效能而提供有力的支撐。

4.4 變形產品將提高大型磨頭、銑鏜頭的精度、剛度及切削用量

4.5 其他重型裝備

凡需要利用本組合軸承8大優(yōu)勢中的某一種或幾種特性的各種重型主機，如水泥磨球機、石油鉆探機、重型數控加工中心、數控落地銑鏜床、重型數控分度臺等，只要對此軸承提出要求，我們都將協(xié)助完成軸承及軸臺設計、制造，并提供用好此軸承的技術咨詢服務。

5 結語

我國軸承行業(yè)歷經七十余載的創(chuàng)建、發(fā)展，至今已成為世界的軸承大國，但在軸承產品設計、軸承結構創(chuàng)新、高端產品占有方面與先進國家相比尚存不小的差距。本發(fā)明產品(新結構)的研制成功及其具有的前述8大優(yōu)勢，不但為我國高端重型軸承產品獲得了自有知識產權，為我國眾多民用、軍用重型主機升級換代，提升其精度、性能、壽命打下了堅實基礎，為各種重型主機的自主創(chuàng)新創(chuàng)造了良好的條件。同時也填補了世界軸承尚無此優(yōu)勢性能結構高端產品的空白。我們深信，隨著本專利產品的推廣使用，必將被人們認知，確認和采納。