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调心滚子轴承VS双列圆锥滚子轴承
作者：曹政 铁姆肯公司车辆设备应用工程师主管
作者：曹政 铁姆肯公司车辆设备应用工程师主管
在过去的几年中，我国国民经济持续保持了两位数的高速增长态势。经济的快速发展同时对能源的供给也提出了较高的要求。尽管太阳能、风能等“绿色”能源越来越受到人们的青睐和重视，煤炭依然是我国的基础能源和重要原料，在能源的储备与开发中占有重要战略地位。根据有关部门的预测，在未来几十年内，煤炭仍是我国最主要的能源。 因此，作为支撑中国国民经济能源生产总量70% （数据来源： 2008中国煤炭数据报告）左右的煤炭产业，也展现了惊人的发展速度，产量从2001年的10.8亿吨增加到2008年的约28亿吨，平均每年增产约2.4亿吨。
煤炭产量的高速增长在很大程度上应该归功于采煤技术的提高和采煤设备的改良升级，而用于井下开采的长壁采煤机就是这些设备中的典型代表之一。相比露天采掘，地下采煤的难度更大，环境也更恶劣，一旦因设备故障而停机，由于空间狭小、不方便使用大尺寸的拆卸和维护工具，维修将会非常费时，费力，这将对煤炭产量带来负面影响，是煤矿业主所不希望看到的。因此，从一定意义上讲，长壁采煤机的性能与可靠性对于地下采煤作业的连续性以及采煤量的多少起着决定性作用。长壁采煤机结构复杂，除了基本的机械结构外，还配备有液压，电力等系统，采煤机的整体可靠性是各个子系统性能的综合体现。以下论述是关于目前国内市场上长壁采煤机截割头部位两种典型的轴承方案的比较。即调心滚子轴承与双列圆锥滚子轴承之间的比较。主要体现在轴向窜动的控制，抗冲击载荷能力，轴向载荷能力以及润滑性能这四个方面。
煤炭产量的高速增长在很大程度上应该归功于采煤技术的提高和采煤设备的改良升级，而用于井下开采的长壁采煤机就是这些设备中的典型代表之一。相比露天采掘，地下采煤的难度更大，环境也更恶劣，一旦因设备故障而停机，由于空间狭小、不方便使用大尺寸的拆卸和维护工具，维修将会非常费时，费力，这将对煤炭产量带来负面影响，是煤矿业主所不希望看到的。因此，从一定意义上讲，长壁采煤机的性能与可靠性对于地下采煤作业的连续性以及采煤量的多少起着决定性作用。长壁采煤机结构复杂，除了基本的机械结构外，还配备有液压，电力等系统，采煤机的整体可靠性是各个子系统性能的综合体现。以下论述是关于目前国内市场上长壁采煤机截割头部位两种典型的轴承方案的比较。即调心滚子轴承与双列圆锥滚子轴承之间的比较。主要体现在轴向窜动的控制，抗冲击载荷能力，轴向载荷能力以及润滑性能这四个方面。
长壁采煤机
1． 轴向窜动之间的比较
长壁采煤机在运行过程中的轴向窜动主要是由轴承内部轴向游隙引起的（虽然调心滚子轴承的游隙是按径向值来给出，但是可以通过系数将其转化为轴向值，而且转化后的轴向值比径向值要大得多），由于采煤机在截煤过程中所受到的轴向力大小和方向经常发生不定的变化，因此会带动轴往复窜动，轴承内部游隙越大，该窜动量也越大。而频繁的轴向窜动会使密封过早产生疲劳损伤，直至失效。当密封失效后，煤屑与其他一些硬质颗粒会进入到设备内部，使轴承滚道产生剥落，同时也损伤到传动链上的其他部件如齿轮。 因此，对于该窜动量必须消除或严格控制，使之最小化。双列圆锥滚子轴承的游隙是通过隔圈来实现精密控制的，而且为了提高系统运行时的刚性或使轴承寿命与性能最优化，其安装后的游隙可以是负的。而调心滚子轴承是不允许在负游隙下运行的，否则会引起轴承烧伤。由此可见，双列圆锥滚子轴承在这一工况运行环境下具有调心滚子轴承不可替代的优势。
长壁采煤机在运行过程中的轴向窜动主要是由轴承内部轴向游隙引起的（虽然调心滚子轴承的游隙是按径向值来给出，但是可以通过系数将其转化为轴向值，而且转化后的轴向值比径向值要大得多），由于采煤机在截煤过程中所受到的轴向力大小和方向经常发生不定的变化，因此会带动轴往复窜动，轴承内部游隙越大，该窜动量也越大。而频繁的轴向窜动会使密封过早产生疲劳损伤，直至失效。当密封失效后，煤屑与其他一些硬质颗粒会进入到设备内部，使轴承滚道产生剥落，同时也损伤到传动链上的其他部件如齿轮。 因此，对于该窜动量必须消除或严格控制，使之最小化。双列圆锥滚子轴承的游隙是通过隔圈来实现精密控制的，而且为了提高系统运行时的刚性或使轴承寿命与性能最优化，其安装后的游隙可以是负的。而调心滚子轴承是不允许在负游隙下运行的，否则会引起轴承烧伤。由此可见，双列圆锥滚子轴承在这一工况运行环境下具有调心滚子轴承不可替代的优势。
调心滚子轴承
双列圆锥滚子轴承
轴承的游隙分安装前游隙，安装后游隙以及运行游隙。通常安装后游隙和运行游隙都小于安装前游隙。而安装后游隙与运行游隙之间的大小关系取决于应用条件，因为虽然运行时轴承的温升会进一步减小游隙，而同时轴承的滚道在受力情况下会有一定量的弹性变形，这又会增加游隙，因此在实际运行时游隙是比安装后大或是小，是由运行条件来决定。对于中等速度和受力的应用，可以近似认为安装后游隙与运行游隙差不多。为方便起见，在图一的 比较中，我们将对比两种轴承安装后的游隙量来判断其在应用中引起的轴向窜动量。
图1：两种轴承安装前后游隙量以及运行时轴向窜动量的比较（数据单位： 毫米）
从上图中的比较结果我们可以看到， 圆锥滚子轴承在运行中的窜动量0.085mm (取窜动范围的算术平均值) 比调心滚子轴承的1.05mm要来的小得多，基本可以认为是没有窜动了。据某家煤机生产商反映，他们以前使用的调心滚子轴承由于窜动比较大，密封和轴承大约每两个月就要更换一次。而更换了双列圆锥滚子轴承后，设备使用一年多还没有出现损坏的情况。目前国内一些长壁采煤机的高端生产企业已经充分认识到了圆锥滚子轴承在该应用中的优势，在他们的设计与制造中选择了如Timken?品牌的高端圆锥滚子轴承。
2． 抗冲击载荷能力的比较
在采煤过程中，由于煤层质地并不十分均匀，截割头时常会受到冲击载荷，这类载荷对于轴承性能方面也是一种考验。目前市场上标准的调心滚子轴承均采用高碳钢作为原料，经过全淬透热处理（through-hardening）后，从内到外硬度一致，为HRC58~64，这样的质地虽然硬，但是比较脆，当遇到比较大的冲击载荷的情况下，容易产生裂纹，甚至直接碎裂。
而市场是一些品牌，如铁姆肯公司所提供的标准圆锥滚子轴承中有相当一部分（特别是英制轴承）原材料为低碳钢，采用的热处理工艺为表面渗碳（case-carburizing），这样生产出来的轴承的特点是表面坚硬（HRC58~64）耐磨，而心部较柔软（HRC30~35），能缓冲受到的冲击载荷，避免出现冲击裂纹。
3． 轴向载荷能力比较
虽然调心滚子轴承和圆锥滚子轴承都能同时承受轴向力和径向力，但是调心滚子轴承所承受的轴向力不宜过大（通常建议不超过径向力的1/3），而圆锥滚子轴承所能承受的轴向力可以比径向力大，甚至可以承受纯轴向力。这一点是由轴承内部几何特点决定的。当轴向载荷逐步增大到一定程度时，径向力的分布从最初的两列均匀分布转变为由一列承担，这使得该列滚子在运行中受力和摩擦比较大，容易发热，特别是对于调心滚子轴承。而圆锥滚子轴承为纯滚动设计，运行时摩擦和转矩都比调心轴承要小，从而其承受轴向力的能力要比调心滚子轴承强得多。
4． 润滑性能的比较
在润滑性能方面，圆锥滚子轴承表现得也比调心滚子轴承要好。主要表现在以下两方面。
a. 圆锥滚子轴承有自润滑泵吸效应，即滚子在转动时能够自动把润滑油从滚子小端沿着滚子体带到滚子大端面，实现对滚子和滚道的润滑。而调心滚子轴承没有这一特点。如图二所示。
2． 抗冲击载荷能力的比较
在采煤过程中，由于煤层质地并不十分均匀，截割头时常会受到冲击载荷，这类载荷对于轴承性能方面也是一种考验。目前市场上标准的调心滚子轴承均采用高碳钢作为原料，经过全淬透热处理（through-hardening）后，从内到外硬度一致，为HRC58~64，这样的质地虽然硬，但是比较脆，当遇到比较大的冲击载荷的情况下，容易产生裂纹，甚至直接碎裂。
而市场是一些品牌，如铁姆肯公司所提供的标准圆锥滚子轴承中有相当一部分（特别是英制轴承）原材料为低碳钢，采用的热处理工艺为表面渗碳（case-carburizing），这样生产出来的轴承的特点是表面坚硬（HRC58~64）耐磨，而心部较柔软（HRC30~35），能缓冲受到的冲击载荷，避免出现冲击裂纹。
3． 轴向载荷能力比较
虽然调心滚子轴承和圆锥滚子轴承都能同时承受轴向力和径向力，但是调心滚子轴承所承受的轴向力不宜过大（通常建议不超过径向力的1/3），而圆锥滚子轴承所能承受的轴向力可以比径向力大，甚至可以承受纯轴向力。这一点是由轴承内部几何特点决定的。当轴向载荷逐步增大到一定程度时，径向力的分布从最初的两列均匀分布转变为由一列承担，这使得该列滚子在运行中受力和摩擦比较大，容易发热，特别是对于调心滚子轴承。而圆锥滚子轴承为纯滚动设计，运行时摩擦和转矩都比调心轴承要小，从而其承受轴向力的能力要比调心滚子轴承强得多。
4． 润滑性能的比较
在润滑性能方面，圆锥滚子轴承表现得也比调心滚子轴承要好。主要表现在以下两方面。
a. 圆锥滚子轴承有自润滑泵吸效应，即滚子在转动时能够自动把润滑油从滚子小端沿着滚子体带到滚子大端面，实现对滚子和滚道的润滑。而调心滚子轴承没有这一特点。如图二所示。
图二：圆锥滚子轴承内润滑油在泵吸效应下的流向
b．从轴承表面晶相组织看，经过渗碳热处理的圆锥滚子轴承表面含有25%的残余奥氏体，而经过淬透处理的调心滚子轴承表面有15%的残余奥氏体。 奥氏体相对马氏体有着良好的韧性，在润滑油压的作用下，会产生弹性变形，有利于油膜将滚子与滚道的接触面分开，避免粗糙部分接触。因此在相同的表面粗糙度条件下，圆锥滚子轴承相对调心滚子轴承能带来更好的润滑效果。如图三所示。
由于采煤机截割头轴承在高载荷，高温，低速的环境下运行，润滑条件较差，因此，润滑方面的改善能带来性能和寿命的显著提高。
由于采煤机截割头轴承在高载荷，高温，低速的环境下运行，润滑条件较差，因此，润滑方面的改善能带来性能和寿命的显著提高。
图三： 全淬透轴承（左） 与 表面渗碳轴承（右）的表面金相组织
从以上四个方面的比较不难看出，双列圆锥滚子更适合长壁采煤机截割头部位的应用。尽管调心滚子轴承有其固有的调心能力，能较好地处理轴在受力时的偏心，但整体上而言，双列圆锥滚子轴承是个更好的方案，更有利于提升采煤机的性能和可靠性。
