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作者：方 民
（铁姆肯公司应用工程与技术培训主管）
（铁姆肯公司应用工程与技术培训主管）
摘 要：本文对冶金齿轮箱轴承应用技术作简单介绍，主要包括轴承选型、公差配合、初始游隙、安装尺寸要点，可供冶金齿轮箱设计人员及设备维护人员参考。
关键词：冶金齿轮箱；轴承选型；公差配合；初始游隙；安装尺寸
一、前言
冶金齿轮箱种类与应用非常广泛，主要通过齿轮间啮合与传动作用来实现加速、减速、改变传动方向、改变转动力矩或分配动力，以满足各种冶金设备动力传动需求。冶金齿轮箱不仅用于各种主机设备，如棒线材、型材或板材的粗、精轧、立辊等主传动齿轮箱，而且也用于众多辅机设备传统系统，如飞剪、卷取机、穿孔机、纵切机以及输送滚道等。作为最关键冶金设备之一，冶金齿轮箱能否稳定可靠地运行关系到整条生产线能否正常地工作，一旦出现故障将导致严重后果。冶金齿轮箱通常处于重负载、冲击载荷、高或低转速、高温或高污染等苛刻运行环境，正是由于工作环境的特殊性及连续可靠工作需求，冶金齿轮箱对配用的轴承提出了更为严格的要求。采用高性能的轴承，正确地选择轴承选型、公差配合、初始游隙以及安装尺寸是确保齿轮箱连续可靠工作的前提条件。
关键词：冶金齿轮箱；轴承选型；公差配合；初始游隙；安装尺寸
一、前言
冶金齿轮箱种类与应用非常广泛，主要通过齿轮间啮合与传动作用来实现加速、减速、改变传动方向、改变转动力矩或分配动力，以满足各种冶金设备动力传动需求。冶金齿轮箱不仅用于各种主机设备，如棒线材、型材或板材的粗、精轧、立辊等主传动齿轮箱，而且也用于众多辅机设备传统系统，如飞剪、卷取机、穿孔机、纵切机以及输送滚道等。作为最关键冶金设备之一，冶金齿轮箱能否稳定可靠地运行关系到整条生产线能否正常地工作，一旦出现故障将导致严重后果。冶金齿轮箱通常处于重负载、冲击载荷、高或低转速、高温或高污染等苛刻运行环境，正是由于工作环境的特殊性及连续可靠工作需求，冶金齿轮箱对配用的轴承提出了更为严格的要求。采用高性能的轴承，正确地选择轴承选型、公差配合、初始游隙以及安装尺寸是确保齿轮箱连续可靠工作的前提条件。
二、轴承选型
1.选择适合的轴承类型——双列滚子轴承
冶金齿轮箱轴承一般采用双列滚子轴承组合来满足重负载、大功率动力传动需求。滚子轴承以圆锥滚子轴承，圆柱滚子轴承及调心滚子轴承为主。冶金齿轮箱采用何种类型轴承应由齿轮轴受力工况及各类轴承各自的特点所决定。双列圆锥滚子轴承具有良好的径向与轴向复合载荷能力，轴承内部游隙可调整，另外利于增强传动系统刚性，因此圆锥滚子轴承是冶金齿轮箱设计优先考虑的轴承类型。圆锥滚子轴承也有不足之处，例如：价格较高且不具备自调心、抗偏心能力，因此冶金齿轮箱也大量选用其它类型轴承，如调心、圆柱滚子轴承。
冶金齿轮箱经常混用不同类型轴承以达到最优化设计目的。与圆锥滚子轴承相比，调心滚子轴承成本较低，在特定受力条件下该轴承也能承受径轴向复合载荷。调心滚子轴承最大的优点是具备自调心能力，可在偏心条件下正常工作。当轴承外型尺寸近似，选用双列圆柱滚子轴承可获得更高的径向承载能力，但该类型轴承不能承受轴向载荷。通常在径向与轴向复合载荷条件选用圆柱滚子轴承时，需要采用添加止推轴承或其它类型轴承来承受轴向负载。
2.双列圆锥滚子轴承组合方式
采用双列圆锥滚子轴承组合时，轴承一端通常设为“固定端”， 即轴承内外圈端面均被顶紧不留间隙，起到轴向定位并承受轴向负载作用，另一端轴承为“浮动端”，用来吸收齿轮轴热膨胀及累积公差。“浮动端”轴承只承受径向载荷，轴承外圈端面与轴承座端盖及挡肩应预留足够间隙，以抵消受热膨胀后齿轮轴发生轴向位移，详细结构如图1所示。为提高传递扭距，冶金齿轮箱大量选用斜齿轮的啮合方式。在重载条件下，斜齿轮不易产生冲击振动噪音、运转平稳及较大承载能力，因此斜齿轮在重载传动条件下优于直齿轮传动。但斜齿轮啮合时会产生额外轴向推力并作用到“固定端”轴承。当轴向推力较大时，选用双列圆锥滚子轴承作为“固定端”，或者添加止推轴承均是理想的解决办法。当齿轮轴只有单个斜齿轮啮合，且齿轮轴“固定端”选用调心滚子轴承时，应注意轴承所受最大轴向与径向受力比值关系。调心滚子轴承由于自身的结构特点，当轴承所受轴向力超过自身所受径向力1/3或1/4（根据具体轴承系列而定）时，轴承会出现单侧滚子受力，另一侧滚子空载情况。不受力端滚子在旋转过程中无法在滚道中引导和定位，会出现滚子歪斜、打滑、撞击保持架等情况，严重时可能导致保持架断裂轴承提前失效。双列圆锥滚子轴承采用纯滚动及滚子端面挡边引导设计，通过控制轴承安装游隙，可用于较大轴向受力及单列滚子承载工况，两种类型轴承的特点与区别可参看图2所示。“固定端”轴承承受径轴向复合载荷，为了分担轴承受力并提高寿使用寿命，“固定端”一般放在径向受力较小一侧，“浮动端”放在径向受力较大一端。有时在选用调心滚子轴承为提高轴承的轴向承载能力，也会将“固定端”放在径向受力较大一侧，在这种情况下，“固定端”调心滚子轴承承载能力应高于“浮动端”轴承。
1.选择适合的轴承类型——双列滚子轴承
冶金齿轮箱轴承一般采用双列滚子轴承组合来满足重负载、大功率动力传动需求。滚子轴承以圆锥滚子轴承，圆柱滚子轴承及调心滚子轴承为主。冶金齿轮箱采用何种类型轴承应由齿轮轴受力工况及各类轴承各自的特点所决定。双列圆锥滚子轴承具有良好的径向与轴向复合载荷能力，轴承内部游隙可调整，另外利于增强传动系统刚性，因此圆锥滚子轴承是冶金齿轮箱设计优先考虑的轴承类型。圆锥滚子轴承也有不足之处，例如：价格较高且不具备自调心、抗偏心能力，因此冶金齿轮箱也大量选用其它类型轴承，如调心、圆柱滚子轴承。
冶金齿轮箱经常混用不同类型轴承以达到最优化设计目的。与圆锥滚子轴承相比，调心滚子轴承成本较低，在特定受力条件下该轴承也能承受径轴向复合载荷。调心滚子轴承最大的优点是具备自调心能力，可在偏心条件下正常工作。当轴承外型尺寸近似，选用双列圆柱滚子轴承可获得更高的径向承载能力，但该类型轴承不能承受轴向载荷。通常在径向与轴向复合载荷条件选用圆柱滚子轴承时，需要采用添加止推轴承或其它类型轴承来承受轴向负载。
2.双列圆锥滚子轴承组合方式
采用双列圆锥滚子轴承组合时，轴承一端通常设为“固定端”， 即轴承内外圈端面均被顶紧不留间隙，起到轴向定位并承受轴向负载作用，另一端轴承为“浮动端”，用来吸收齿轮轴热膨胀及累积公差。“浮动端”轴承只承受径向载荷，轴承外圈端面与轴承座端盖及挡肩应预留足够间隙，以抵消受热膨胀后齿轮轴发生轴向位移，详细结构如图1所示。为提高传递扭距，冶金齿轮箱大量选用斜齿轮的啮合方式。在重载条件下，斜齿轮不易产生冲击振动噪音、运转平稳及较大承载能力，因此斜齿轮在重载传动条件下优于直齿轮传动。但斜齿轮啮合时会产生额外轴向推力并作用到“固定端”轴承。当轴向推力较大时，选用双列圆锥滚子轴承作为“固定端”，或者添加止推轴承均是理想的解决办法。当齿轮轴只有单个斜齿轮啮合，且齿轮轴“固定端”选用调心滚子轴承时，应注意轴承所受最大轴向与径向受力比值关系。调心滚子轴承由于自身的结构特点，当轴承所受轴向力超过自身所受径向力1/3或1/4（根据具体轴承系列而定）时，轴承会出现单侧滚子受力，另一侧滚子空载情况。不受力端滚子在旋转过程中无法在滚道中引导和定位，会出现滚子歪斜、打滑、撞击保持架等情况，严重时可能导致保持架断裂轴承提前失效。双列圆锥滚子轴承采用纯滚动及滚子端面挡边引导设计，通过控制轴承安装游隙，可用于较大轴向受力及单列滚子承载工况，两种类型轴承的特点与区别可参看图2所示。“固定端”轴承承受径轴向复合载荷，为了分担轴承受力并提高寿使用寿命，“固定端”一般放在径向受力较小一侧，“浮动端”放在径向受力较大一端。有时在选用调心滚子轴承为提高轴承的轴向承载能力，也会将“固定端”放在径向受力较大一侧，在这种情况下，“固定端”调心滚子轴承承载能力应高于“浮动端”轴承。
3 考虑实际工况和轴向载荷
锥型伞齿轮传动与斜齿轮较为相似，齿轮啮合时也会产生较大轴向载荷，轴承选型也应参考虑实际工况与轴向载荷大小。人字型齿轮传动可当作成对使用但旋向相反的锥齿轮应用，人字型齿轮啮合时不会产生轴向推力，在轧机齿轮箱应用较广。选用人字型齿轮啮合传动时，输入与输出轴只需设置一个“固定端”来轴向定位齿轮即可。其余位置均应设为“浮动端”， “浮动端”轴承可采用圆柱或调心滚子轴承，“固定端”应选用轴向承载能力较强的双列圆锥滚子轴承。轴承优化选型设计如图3所示，“浮动端”轴承均采用单列圆柱滚子轴承。另外，在高速棒线材轧机齿轮箱应用中，高速输入轴经常采用特殊设计的双列圆锥滚子轴承来胜任高转速、频繁加速、减速，正转及反转等苛刻轴承应用条件。
锥型伞齿轮传动与斜齿轮较为相似，齿轮啮合时也会产生较大轴向载荷，轴承选型也应参考虑实际工况与轴向载荷大小。人字型齿轮传动可当作成对使用但旋向相反的锥齿轮应用，人字型齿轮啮合时不会产生轴向推力，在轧机齿轮箱应用较广。选用人字型齿轮啮合传动时，输入与输出轴只需设置一个“固定端”来轴向定位齿轮即可。其余位置均应设为“浮动端”， “浮动端”轴承可采用圆柱或调心滚子轴承，“固定端”应选用轴向承载能力较强的双列圆锥滚子轴承。轴承优化选型设计如图3所示，“浮动端”轴承均采用单列圆柱滚子轴承。另外，在高速棒线材轧机齿轮箱应用中，高速输入轴经常采用特殊设计的双列圆锥滚子轴承来胜任高转速、频繁加速、减速，正转及反转等苛刻轴承应用条件。
4.考虑足够的承载能力
轴承选型除了正确地选择轴承类型，所选轴承是否具有足够的承载能力也是要考虑的关键因素。计算轴承受力得出轴承理论寿命是最常用衡量轴承承载能力的方法。冶金齿轮箱根据不同的应用，一般都会有轴承最低理论寿命要求，例如有些齿轮箱要求轴承最低寿命不低于5万小时，有些应用要求不低于3万小时。通常在计算轴承寿命时，为得到保守轴承寿命，一般轴承旋转速度选用平均工况条件转速来替代最高旋转速度。齿轮箱传动在功率恒定条件下，转速降低会导致扭矩提高，而扭矩提高会导致轴承受力提高。对于轴承的寿命计算，轴承寿命与转速成1：1反比关系，但与受力成10倍关系，即轴承受力增大一倍，轴承寿命会降低10倍。对于一些重载及转速较低应用，理论轴承寿命结果通常无法真实反映轴承性能，通常主要考虑轴承额定当量与轴承受力比值是否大于安全系数，更精确的方法是通过分析软件计算轴承滚子最大接触应力。
三、轴承公差配合
冶金齿轮箱轴承通常处于重负载、冲击载荷、高或低转速苛刻运行环境，正确地选取轴承公差配合不仅利易于轴承的安装，同时可确保重载、冲击载荷条件下轴承不会出现跑圈情况。一般来说，轴承旋转部件采用过盈配合，静止不动部件采用间隙配合。轴承实际过盈配合范围不仅根据轴承大小变化，而且在重载、高转速应用条件下应采用比常规应用条件更大的过盈配合。在选用英制圆锥滚子轴承时，应注意英制与公制轴承自身公差带的差异而相应调整配合轴及轴承座公差尺寸范围。如图4所示，英制轴承内外圈直径公差范围均为“加公差”，与公制轴承正好相反。若轴与轴承座公差范围依然按照公制轴承选取，英制轴承内外圈均会出现过渡配合情况，导致轴承外圈安装困难而内圈易跑圈，影响轴承使用寿命。英制轴承具体公差配合尺寸应参照轴承供应商推荐尺寸。与英制轴承相比，公制大尺寸轴承公差配合选取较为简单，对于重载、轴承内圈旋转外圈静止应用条件，内径尺寸范围320 ~ 500毫米的大尺寸调心或圆柱滚子轴承，轴可采用r6公差范围。对于内径尺寸超过500毫米的调心或圆柱滚子轴承，轴可采用r7公差范围。调心或圆柱滚子轴承座公差范围均可选用H7或G7。
轴承选型除了正确地选择轴承类型，所选轴承是否具有足够的承载能力也是要考虑的关键因素。计算轴承受力得出轴承理论寿命是最常用衡量轴承承载能力的方法。冶金齿轮箱根据不同的应用，一般都会有轴承最低理论寿命要求，例如有些齿轮箱要求轴承最低寿命不低于5万小时，有些应用要求不低于3万小时。通常在计算轴承寿命时，为得到保守轴承寿命，一般轴承旋转速度选用平均工况条件转速来替代最高旋转速度。齿轮箱传动在功率恒定条件下，转速降低会导致扭矩提高，而扭矩提高会导致轴承受力提高。对于轴承的寿命计算，轴承寿命与转速成1：1反比关系，但与受力成10倍关系，即轴承受力增大一倍，轴承寿命会降低10倍。对于一些重载及转速较低应用，理论轴承寿命结果通常无法真实反映轴承性能，通常主要考虑轴承额定当量与轴承受力比值是否大于安全系数，更精确的方法是通过分析软件计算轴承滚子最大接触应力。
三、轴承公差配合
冶金齿轮箱轴承通常处于重负载、冲击载荷、高或低转速苛刻运行环境，正确地选取轴承公差配合不仅利易于轴承的安装，同时可确保重载、冲击载荷条件下轴承不会出现跑圈情况。一般来说，轴承旋转部件采用过盈配合，静止不动部件采用间隙配合。轴承实际过盈配合范围不仅根据轴承大小变化，而且在重载、高转速应用条件下应采用比常规应用条件更大的过盈配合。在选用英制圆锥滚子轴承时，应注意英制与公制轴承自身公差带的差异而相应调整配合轴及轴承座公差尺寸范围。如图4所示，英制轴承内外圈直径公差范围均为“加公差”，与公制轴承正好相反。若轴与轴承座公差范围依然按照公制轴承选取，英制轴承内外圈均会出现过渡配合情况，导致轴承外圈安装困难而内圈易跑圈，影响轴承使用寿命。英制轴承具体公差配合尺寸应参照轴承供应商推荐尺寸。与英制轴承相比，公制大尺寸轴承公差配合选取较为简单，对于重载、轴承内圈旋转外圈静止应用条件，内径尺寸范围320 ~ 500毫米的大尺寸调心或圆柱滚子轴承，轴可采用r6公差范围。对于内径尺寸超过500毫米的调心或圆柱滚子轴承，轴可采用r7公差范围。调心或圆柱滚子轴承座公差范围均可选用H7或G7。
四、轴承初始游隙
圆锥滚子轴承初始游隙与球轴承、调心、圆柱滚子轴承定义不同，是指轴向游隙(BEP)，其它轴承均为径向游隙(RIC)，如图5所示。轴承的初始游隙决定了轴承安装及运转后工作游隙。轴承的游隙决定了轴承工作承载区的大小，轴承初始游隙选择太大会导致轴承工作承载区偏小，即承受力的滚子数量较少，导致轴承寿命降低。
圆锥滚子轴承初始游隙与球轴承、调心、圆柱滚子轴承定义不同，是指轴向游隙(BEP)，其它轴承均为径向游隙(RIC)，如图5所示。轴承的初始游隙决定了轴承安装及运转后工作游隙。轴承的游隙决定了轴承工作承载区的大小，轴承初始游隙选择太大会导致轴承工作承载区偏小，即承受力的滚子数量较少，导致轴承寿命降低。
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圆锥滚子轴承游隙选择太大还可能出现滚子磨损或撞击保持架，导致保持架断裂情况发生。轴承初始游隙选择太小会导致轴承发热严重，并出现轴承抱死、烧毁等情况。
冶金齿轮箱轴承初始游隙应根据轴的过盈配合量及轴承最高旋转速度推算得出。当齿轮箱轴承内圈与轴过盈配合时，轴承内圈外径会膨胀并吃掉部分初始游隙，初始游隙减掉过盈配合损失的游隙即为轴承的安装游隙(MEP)。一般对于内径尺寸不超过400毫米的英制双列圆锥滚子轴承，安装后的游隙范围应不大于0.5毫米。对于内径超过400毫米的大尺寸轴承，安装后的最大游隙范围可放大到0.6毫米左右。
冶金齿轮箱轴承初始游隙选择一般不考虑环境温度，而只考虑轴承内外圈差值温度，因为环境温度会导致轴热膨胀，但轴承座环境温度影响也会导致热膨胀。轴承安装后的游隙(MEP)减掉轴承内外圈差值温升吃掉的游隙，得到最终轴承运行游隙(OPE)。冶金齿轮箱大圆锥滚子轴承出于安全游隙考虑，最终运行游隙一般不允许出现负游隙。公制圆柱与调心滚子轴承初始游隙选取方法与圆锥滚子轴承类似但更简单，通常对于大尺寸、轴承内圈过盈配合、外圈间隙配合、重载应用条件，轴承初始游隙可采用标准C3游隙范围。
五、轴承安装尺寸
轴承的安装尺寸主要包括轴肩与轴承座挡肩直径尺寸，轴与轴承座最大倒角半径。对于圆锥滚子轴承，安装尺寸还包括保持架安全间隙尺寸。轴肩与轴承座挡肩直径尺寸应严格按照轴承要求选取，适当的尺寸可确保轴承端面有足够的接触面积，该尺寸太大或太小都会影响轴承使用。齿轮轴与轴承座最大倒角半径应小于轴承自身内外圈倒角半径，轴与轴承座倒角半径过大会导致轴承无法安装到位，造成内外圈歪斜，从而影响轴承正常使用。总之，在设计冶金齿轮箱时，应重视轴承的安装尺寸，不应随意增加或减少规定尺寸。
六、结束语
冶金齿轮箱苛刻的运行环境对配用的轴承提出了更为严格的要求，采用高性能的轴承，正确地使用轴承是确保齿轮箱连续可靠工作的前提条件。本文通过对冶金齿轮箱轴承选型、公差配合、初始游隙及安装尺寸要点作简单介绍，可供冶金齿轮箱设计人员及设备维护人员参考。
冶金齿轮箱轴承初始游隙应根据轴的过盈配合量及轴承最高旋转速度推算得出。当齿轮箱轴承内圈与轴过盈配合时，轴承内圈外径会膨胀并吃掉部分初始游隙，初始游隙减掉过盈配合损失的游隙即为轴承的安装游隙(MEP)。一般对于内径尺寸不超过400毫米的英制双列圆锥滚子轴承，安装后的游隙范围应不大于0.5毫米。对于内径超过400毫米的大尺寸轴承，安装后的最大游隙范围可放大到0.6毫米左右。
冶金齿轮箱轴承初始游隙选择一般不考虑环境温度，而只考虑轴承内外圈差值温度，因为环境温度会导致轴热膨胀，但轴承座环境温度影响也会导致热膨胀。轴承安装后的游隙(MEP)减掉轴承内外圈差值温升吃掉的游隙，得到最终轴承运行游隙(OPE)。冶金齿轮箱大圆锥滚子轴承出于安全游隙考虑，最终运行游隙一般不允许出现负游隙。公制圆柱与调心滚子轴承初始游隙选取方法与圆锥滚子轴承类似但更简单，通常对于大尺寸、轴承内圈过盈配合、外圈间隙配合、重载应用条件，轴承初始游隙可采用标准C3游隙范围。
五、轴承安装尺寸
轴承的安装尺寸主要包括轴肩与轴承座挡肩直径尺寸，轴与轴承座最大倒角半径。对于圆锥滚子轴承，安装尺寸还包括保持架安全间隙尺寸。轴肩与轴承座挡肩直径尺寸应严格按照轴承要求选取，适当的尺寸可确保轴承端面有足够的接触面积，该尺寸太大或太小都会影响轴承使用。齿轮轴与轴承座最大倒角半径应小于轴承自身内外圈倒角半径，轴与轴承座倒角半径过大会导致轴承无法安装到位，造成内外圈歪斜，从而影响轴承正常使用。总之，在设计冶金齿轮箱时，应重视轴承的安装尺寸，不应随意增加或减少规定尺寸。
六、结束语
冶金齿轮箱苛刻的运行环境对配用的轴承提出了更为严格的要求，采用高性能的轴承，正确地使用轴承是确保齿轮箱连续可靠工作的前提条件。本文通过对冶金齿轮箱轴承选型、公差配合、初始游隙及安装尺寸要点作简单介绍，可供冶金齿轮箱设计人员及设备维护人员参考。
