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NAKD35VP滿滾針滾輪軸承卡滯原因分析與改進
2013-08-14
蔡亞新
（西安海紅軸承總廠，陜西西安 710016）
（西安海紅軸承總廠，陜西西安 710016）
摘 要：NAKD35VP滿滾針滾輪軸承工作時有輕微阻滯現象，個別軸承卡死，并造成螺栓軸在螺紋軸肩退刀槽處斷裂。針對事故原因進行改進設計，通過改變油溝尺寸、采用平頭滾針、改進工藝等措施避免了軸承阻滯、卡死和螺栓軸斷裂等現象。
關鍵詞：滾針；滾輪軸承；改進
我廠生產的NAKD35VP軸承，其結構為一邊帶擋邊，一邊帶平擋圈的螺栓軸滿滾針滾輪軸承，如圖1所示。用在有一定沖擊載荷、低轉速的化工機械上。工作時，外圈外圓柱面在凸輪表面上滾動，螺栓軸與其他機件連在一起，在凸輪的作用下做直線往復運動。軸承在驗收時，發現有輕微阻滯現象，在使用中，個別軸承卡死，并造成螺栓軸在螺紋軸肩退刀槽處斷裂。為找出事故原因。對該批軸承進行了全面檢驗和分析。
關鍵詞：滾針；滾輪軸承；改進
我廠生產的NAKD35VP軸承，其結構為一邊帶擋邊，一邊帶平擋圈的螺栓軸滿滾針滾輪軸承，如圖1所示。用在有一定沖擊載荷、低轉速的化工機械上。工作時，外圈外圓柱面在凸輪表面上滾動，螺栓軸與其他機件連在一起，在凸輪的作用下做直線往復運動。軸承在驗收時，發現有輕微阻滯現象，在使用中，個別軸承卡死，并造成螺栓軸在螺紋軸肩退刀槽處斷裂。為找出事故原因。對該批軸承進行了全面檢驗和分析。
圖1
1.外圈；2.螺栓軸；3.滾針；4.平擋圈
1 軸承檢驗結果
1.1 理化檢驗
螺栓軸采用GCrl5鋼制造，整體淬回火后對螺紋部分進行局部退火處理。經檢驗，螺栓軸斷裂處斷裂面與軸線基本垂直（剪切破壞），斷口顏色均勻一致，為淺灰色細瓷狀，無原始裂紋，斷裂面處的淬回火組織按JB/T 1255-2001標準評定為2級，屬合格組織，未發現脫碳或其他異常組織，硬度為60、60.5、61HRC，符合設計要求。
1.2 精度及游隙檢驗
隨機檢驗尚未使用軸承的精度及游隙，發現個別軸承外圈滾道寬度尺寸E大于螺栓軸滾道寬度尺寸E1（圖1）。另外，同套軸承滾針平均直徑的偏差為-0.007～-0.009mm，滾針間圓周總間隙為0.50～0.75mm，均不符合設計要求，其他尺寸及形位精度、徑向游隙均符合相關標準和圖紙要求。
1.3 油溝檢驗
螺栓軸滾道油溝設計形狀如圖2所示，經檢驗滾道與擋邊交接處油溝在擋邊上的徑向尺寸（amax=0.6mm）嚴重超差，實測為1.2～1.5mm，螺紋軸肩處（斷裂處）退刀槽形狀不規則，有刀痕。
1.1 理化檢驗
螺栓軸采用GCrl5鋼制造，整體淬回火后對螺紋部分進行局部退火處理。經檢驗，螺栓軸斷裂處斷裂面與軸線基本垂直（剪切破壞），斷口顏色均勻一致，為淺灰色細瓷狀，無原始裂紋，斷裂面處的淬回火組織按JB/T 1255-2001標準評定為2級，屬合格組織，未發現脫碳或其他異常組織，硬度為60、60.5、61HRC，符合設計要求。
1.2 精度及游隙檢驗
隨機檢驗尚未使用軸承的精度及游隙，發現個別軸承外圈滾道寬度尺寸E大于螺栓軸滾道寬度尺寸E1（圖1）。另外，同套軸承滾針平均直徑的偏差為-0.007～-0.009mm，滾針間圓周總間隙為0.50～0.75mm，均不符合設計要求，其他尺寸及形位精度、徑向游隙均符合相關標準和圖紙要求。
1.3 油溝檢驗
螺栓軸滾道油溝設計形狀如圖2所示，經檢驗滾道與擋邊交接處油溝在擋邊上的徑向尺寸（amax=0.6mm）嚴重超差，實測為1.2～1.5mm，螺紋軸肩處（斷裂處）退刀槽形狀不規則，有刀痕。
2 討論分析
2.1 軸承受力特點分析
軸承正常工作時為懸臂梁構件，外圈承受交變壓應力，螺栓軸主要承受彎曲應力和剪切應力，因此，要求螺栓軸應具有良好的抗剪抗彎強度。
滾針在滾道上滾動時，承受兩個力矩（圖3），一個是滾針的轉動力矩Mx，帶動滾針自轉和公轉。另一個是滾針的扭轉力矩My（繞垂直于滾針滾動軸線的豎線方向），如果軸承兩擋邊不能為滾針正常滾動提供很好的導向，該扭轉力矩將不能被抵消，滾針將產生傾斜，滾針與滾道、擋邊間產生的滑動摩擦就增大，將影響軸承的轉。
2.1 軸承受力特點分析
軸承正常工作時為懸臂梁構件，外圈承受交變壓應力，螺栓軸主要承受彎曲應力和剪切應力，因此，要求螺栓軸應具有良好的抗剪抗彎強度。
滾針在滾道上滾動時，承受兩個力矩（圖3），一個是滾針的轉動力矩Mx，帶動滾針自轉和公轉。另一個是滾針的扭轉力矩My（繞垂直于滾針滾動軸線的豎線方向），如果軸承兩擋邊不能為滾針正常滾動提供很好的導向，該扭轉力矩將不能被抵消，滾針將產生傾斜，滾針與滾道、擋邊間產生的滑動摩擦就增大，將影響軸承的轉。
圖3
2.2 軸承卡死、斷裂原因分析
檢驗結果表明，軸承卡死、斷裂的主要原因是螺栓軸滾道與擋邊交接處油溝在擋邊上的徑向尺寸過大，大于圓頭滾針的半徑，在旋轉中滾針頭的一小部分進入形狀不規則的油溝內，這時，螺栓軸擋邊已不能為滾針提供正確引導，又由于滾針間的圓周間隙過大，滾針在扭轉力矩的作用下產生歪斜，乃至卡死不能旋轉。軸承卡死后，軸承外圈表面與凸輪表面變為滑動摩擦，摩擦力劇增，螺栓軸所承受的外力偶矩劇增，在螺栓軸上抗扭截面模量Z小的螺紋軸肩退刀槽處產生Z大剪應力，由于退刀槽形狀不規則，且有細小的刀痕，易造成應力集中，從而導致螺栓軸斷裂。此外，外圈滾道寬度大于螺栓軸滾道寬度，當擋圈壓緊在軸上時（擋圈內徑與軸徑為過盈配合），與外圈牙口端面接觸，也是軸承轉不動的原因。
3 改進措施
根據對軸承存在問題的分析，從以下幾方面對軸承的沒計和工藝進行改進。
（1）改進油溝形狀尺寸，加大油溝在滾道軸向上的尺寸b，減小油溝在擋邊徑向上的尺寸a和油溝的深度。這樣既提高了軸的強度，降低了加工難度，又保證了滾針在旋轉時不能進入油溝。
（2）考慮軸承工作轉速較低，將圓頭滾針改為平頭滾針，從而加大了滾針的引導面，使滾針在旋轉時，能得到擋邊的正確引導不產生歪斜。
（3）改進設計滾道直徑尺寸及其偏差，選擇平均直徑較小組別的滾針，把每根滾針在圓周上的間隙控制在0.005～0.01mm內，裝配后滾針在圓周上的實際間隙控制在0.18～0.35mm之間。
（4）把螺栓軸材料由原GCrl5鋼改為滲碳鋼20CrMo，采取滲碳→車掉螺紋面、軸肩退刀槽處滲碳層→淬回火的工藝，從而提高軸的韌性，并減輕油溝處的淬火應力。
（5）嚴格工藝，確保外圈及螺栓滾道寬度符合圖紙要求，避免軸承裝配后軸向夾滾針的現象。
檢驗結果表明，軸承卡死、斷裂的主要原因是螺栓軸滾道與擋邊交接處油溝在擋邊上的徑向尺寸過大，大于圓頭滾針的半徑，在旋轉中滾針頭的一小部分進入形狀不規則的油溝內，這時，螺栓軸擋邊已不能為滾針提供正確引導，又由于滾針間的圓周間隙過大，滾針在扭轉力矩的作用下產生歪斜，乃至卡死不能旋轉。軸承卡死后，軸承外圈表面與凸輪表面變為滑動摩擦，摩擦力劇增，螺栓軸所承受的外力偶矩劇增，在螺栓軸上抗扭截面模量Z小的螺紋軸肩退刀槽處產生Z大剪應力，由于退刀槽形狀不規則，且有細小的刀痕，易造成應力集中，從而導致螺栓軸斷裂。此外，外圈滾道寬度大于螺栓軸滾道寬度，當擋圈壓緊在軸上時（擋圈內徑與軸徑為過盈配合），與外圈牙口端面接觸，也是軸承轉不動的原因。
3 改進措施
根據對軸承存在問題的分析，從以下幾方面對軸承的沒計和工藝進行改進。
（1）改進油溝形狀尺寸，加大油溝在滾道軸向上的尺寸b，減小油溝在擋邊徑向上的尺寸a和油溝的深度。這樣既提高了軸的強度，降低了加工難度，又保證了滾針在旋轉時不能進入油溝。
（2）考慮軸承工作轉速較低，將圓頭滾針改為平頭滾針，從而加大了滾針的引導面，使滾針在旋轉時，能得到擋邊的正確引導不產生歪斜。
（3）改進設計滾道直徑尺寸及其偏差，選擇平均直徑較小組別的滾針，把每根滾針在圓周上的間隙控制在0.005～0.01mm內，裝配后滾針在圓周上的實際間隙控制在0.18～0.35mm之間。
（4）把螺栓軸材料由原GCrl5鋼改為滲碳鋼20CrMo，采取滲碳→車掉螺紋面、軸肩退刀槽處滲碳層→淬回火的工藝，從而提高軸的韌性，并減輕油溝處的淬火應力。
（5）嚴格工藝，確保外圈及螺栓滾道寬度符合圖紙要求，避免軸承裝配后軸向夾滾針的現象。
來源：《軸承》2004年第4期
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