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铁姆肯带定位轴承为风机轴承“瘦身” |
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作者：铁姆肯公司 来源：MM《现代制造》 |
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与当前应用于风机齿轮箱高速输出轴和中间轴上的其它轴承相比，铁姆肯公司的带定位轴承，从功能、成本和效率上来看，都是一种可供选择的解决方案。
带定位轴承是由一个单列圆锥滚子轴承(TRB，这个单列圆锥滚子轴承在正常的正转距工况下承受主要的径向和轴向载荷)和一个经过仔细设计辅助挡环组成，这个辅助挡环的作用是在风机刹车或启动时有反转力距的情况下承受轴向力的。该轴承可以作为四点接触球轴承(FPCBB)与单列圆柱滚子轴承(CRB)组合方案、或者四点接触球轴承(FPCBB)与双列TRB组合方案的替代方案。带定位轴承具有所需轴向空间更小、改善输出轴的效率和提高整个输出轴系统等优秀性能。
两列轴承排列的应用现状
齿轮箱输出轴有时在输出轴或中间轴的固定端一侧常采用一个浮动的NU型CRB和一个轴向定位的FPCBB 组合(图1)。在这个系统里，圆柱滚子轴承只承受径向力，而四点接触球轴承则承受全部的轴向力。
图1 当前轴承排列
图2显示了另一种在固定端可替代FPCBB与CRB组合的方案，此方案采用两个单列(相似或不同的系列)TRB的轴承排列。为了在工作条件下的所有工况范围内应用这种设计时都能保证两个轴承有足够大小的承载区，必须投入非常大的精力来选择正确的滚道夹角。
图2 2 TRB轴承排列
由于设计特点为点接触，所以FPCBB主要用来承受径向载荷和一定角度上的轴向载荷。这不是一种理想的适合在正常使用时承受恒定或不断变化的齿轮轴向力的轴承方案。在承受纯轴向载荷作用时，球就会以一个角度和滚道接触并且以这个接触角进行滚动，而同时还要绕着轴承的中心线旋转。这样的运动会引起球与滚道之间微小的滑动,导致如图3所示的一般称为由表面开始破坏的微剥落。
而且，这些FPCBB球轴承的外圈与轴承座之间必须采用非常松的配合以防止任何可能的径向力传递到轴承上。由此产生的结果是，需要附加机构以防止外圈转动，例如在外圈上增加键槽。这就有别于下面将要讨论的带定位轴承所使用由轴承座挡肩和端面两边夹紧的方法。
虽然，图2所示的排列使用了没有球轴承的设计，但在设计时还必须考虑适当的载荷分布和保持两列圆锥滚子轴承都有一定的轴向作用力。所以在使用上要非常小心。
图3 球上的微剥落
新型带定位轴承的特点
图4所示的是一种典型的带定位轴承设计。在图5中，一个带定位轴承被固定在轴的右端承受来自齿轮的径向和轴向力，同时一个NU型CRB作为浮动端轴承安装在另一侧。带定位轴承是一种高性能双向轴承，可以替代图1中的CRB与FPCBB的轴承组合。也是一种可替代在一些设计中使用的交叉定位单列圆锥滚子轴承排列或者双列2TS-DM TRB排列的轴承方案。这种轴承类似一个单列圆锥滚子轴承在外圈上附加一个额外的挡环。
图4 典型结构的带定位轴承
图5 带定位轴承排列
图6显示了带定位轴承是如何在两个方向上支撑轴向力的。图中用粗箭头表示出了由于斜齿轮的轴向力而作用在轴承上的主要轴向力，这个轴向力出现在正转矩条件下，占整个工作循环99%还要多。在正转矩条件下，圆锥滚子轴承以滚道和具有共同顶点的滚子对复合载荷进行支撑，并做纯滚动。由于是纯滚动所以没有任何机会产生类似球轴承的微小滑动。
图6 载荷分配
然而，偶尔发生的电网或发电机的故障和在刹车过程中的共振都会在极短的时间内在相反的方向上加大驱动扭矩并在反方向上产生齿轮的轴向分力。另外，在一些情况下发电机会被当作马达带动风机涡轮低速转动以方便维护。另外的一些情况比如低风速时，只有切入速度。所有的这些情况都需要带定位轴承在细箭头所指的次要方向上支撑轴向力（见图6）。这个次要方向的轴向力通过滚子的大、小端面、内圈的挡边和外圈的挡边来传递。
带定位轴承的主要特点包括以下几个方面。
（1）减少轴向空间：单列轴承代替传统的两列轴承排列，可以使用更窄的设计来减少齿轮箱壳体的宽度和重量。
（2）与现有设计有很强的兼容性。
（3）由于带定位轴承运转时有360°承载区，有很好的对心特性，从而保证了齿轮之间接触位置的正确性。
（4）减少系统成本。
（5）减少压应力和增加轴承寿命：轴承在360°承载区使用，在产生一般功率的正扭矩范围内所有滚子的接触都如图7所示。
图7 360°承载区
（6） 优化滚道/滚子接触角，这个接触角的选择是基于由齿轮系统的影响而产生的径向力和轴向力的比率。对轴承选择时要特别注意：在带定位轴承上由径向力引起的感应轴向力总是要小于齿轮传递过来的轴向力。既然在工作循环中轴承的径向支反力和齿轮的轴向力的比率是一个常数，那么齿轮的轴向力总是足够使轴承内部互相接触的。
图8 带定位轴承的运转承载区
（7） 在外圈的两端中的任何一端都可有更小的外部法兰以防止在装配时可能的反装（图9）。 
图9 带外部定位法兰轴承
（8） 在轴承制造时内部游隙已被精确设定，因此，在装配时完全不需要手动设定轴承。
（9） AGMA 6006对于单列圆锥滚子轴承在风机齿轮箱中交叉排列的使用有一定的限制。要求精确控制轴承的轴向游隙范围，以保证其在所有的运转载荷和温度条件下都有适当的运转游隙。由于固定端的带定位轴承是和浮动端的NU型CRB一起使用的，所以在装配时精确的手动调节就完全不需要了。
（10）依据AGMA 6006，要求风机达到20年的设计寿命，当量载荷下所允许的最大接触应力为：高速轴（HSS）不应超过1300MPa；高速中间轴(HS-INT)的轴承不应超过1650MPa。分析显示：对于一个在360°承载区下同时承受径向力和轴向力的带定位轴承，其接触应力小于1300MPa（与FPCBB轴承比较只承受轴向力相同），比用更小的承载区且只承受径向力的CRB还要小得多（图10）。
图10 内圈与滚子/滚珠之间的最大应力比较
带定位轴承的结构及材料选用
标准带定位轴承的设计为，一个高于滚子中心线的保持架，它和内圈一起固定滚子。另一个选择是，带定位轴承也可使用一个低于滚子中心线的保持架，它和外圈一起固定滚子。这样的结构可以和两个分离的挡环一起使用（见图11）。首选什么样的结构，很大程度上依靠齿轮箱的安装流程和可能的特殊用处，如重型的中间轴竖直安装到轴承座里的情况。
图11 带两个可分离挡圈的带定位轴承
对于高速轴来说，经常需要进行检查和频繁的拆装。检查时，整个输出轴组件连同带定位轴承一起都可能被从轴承座内拉出，类似于目前我们所采用的检查方法。
风机齿轮箱的接触表面由于硬质微小粒子污染会产生小凹坑，从而导致早期的破坏和疲劳，这在历史上是很常见的。因为输出轴转的圈数相对更多，所以它上面的轴承就更容易受到外界污染物的攻击。因此，为了提高输出轴的可靠性，带定位轴承可以用抗杂质的轴承材料来生产，并且在滚子上使用ES300涂层来最大程度地提高其可靠性。图12显示了这样的一整套具有统计学意义的实验数据：当使用了ES300涂层后，轴承的寿命提高了4.5倍。
图12 疲劳寿命测试结果：ES300工艺
带定位轴承的局限性
虽然带定位轴承非常适合高速/小轴向力的场合，例如：齿轮箱的高速轴和高速中间轴，但它还是有一定的局限性限制了在其他场合上的使用。这一类轴承在任何情况下都不能承受轴承内部的预载。轴承在通过挡环的次要方向上对轴向载荷的承载能力比通过滚道的主要方向上承载轴向力的能力小得多。但是，在次要方向上的承载能力已经非常接近NJ型CRB的轴向承载能力，这样的轴向承载能力已经在风机齿轮箱上的其他位置找到它的用处了。有意思的是，很多的双向轴承如带定位轴承已经被使用在汽车和航空业的应用上，并且非常成功地显示出了它们在次要方向上的承载能力。这些应用的载荷和速度的模型可以非常好的建立，所以对于风机齿轮箱设计者来说最大的挑战是能否正确定义全部的工作循环来评估带定位轴承在所有已知环境下的性能。最后，应该进行带定位轴承的带箱应用测试，看它是否符合传统的实践。但是这些只是对于任何设计而进行的一般测试。
精益求精 追求完美
当四点接触球轴承和NU型圆柱滚子轴承作为一个轴承组合在风机高速输出轴上找到广泛的使用时，输出轴轴承的可靠性仍然成为整个系统设计的薄弱环节。行业认为存在其他的更合适的轴承排列可以使用，如固定的两列圆锥滚子轴承现在正渐渐被青睐。带定位轴承也是一种可被选择的作为输出轴固定端的轴承。相比两列轴承，带定位轴承的更窄的宽度可以使设计人员有更大的空间来减少齿轮箱的宽度和重量。由于使用一个轴承代替两个轴承，带定位轴承相较于在固定端使用两个单列的圆锥滚子轴承的排列大约可以提高30%--50%的效率。由于带定位轴承在所有的正转矩下都是在360°的承载区工作，所以轴的位移量就会最小、并且轴承的游隙再也不会导致齿轮的啮合问题，在非接触的滚道上存在污点的问题也没有了。虽然在许多方面的应用表明了带定位轴承拥有很多实质性的经验，但是现场证实其实际应用的测试还是非常重要的，因为在风机应用上有很多在设计阶段不能进行量化的瞬间状况。所以，铁姆肯公司正在进行更详细的分析和实验室测试，以证实带定位轴承是在风机齿轮箱平行轴上应用的最好选择。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/6/2007) |
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