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作者：铁姆肯公司应用工程师 秦宏伟
近年来，在国际能源供应紧张的大背景下，我国对以风能为代表的新能源领域加大投入，使新能源的产量逐步提高，然而在很长一段时间内，我国以煤炭为主的能源结构将持续。露天采煤和井下采煤相比，拥有高生产率，低事故率，便于设备维护维修等客观优势。不管是在国内还是国际上，大力发展露天开采都是大趋势。作为露天采矿生产所必须的重要设备之一的矿山卡车也将随着露天矿的大力开发而迎来非常光明的前景。
铁姆肯公司生产的圆锥滚子轴承在矿山卡车中有着数十年的应用历史，同时也积累了相当丰富的应用经验。本文将就矿山卡车使用圆锥滚子轴承应当注意的问题进行简单的分析，希望能够帮助广大的矿山卡车设计者和用户更好地选择和使用轴承，提高矿山卡车的可靠性。
除了本身系统设计匹配和安装调整的因素外，决定圆锥滚子轴承使用性能的主要有以下三个方面因素：1）轴承的材料；2）轴承滚道的粗糙度；3）轴承滚道的表面修形。接下来详细分析在矿山卡车工况下，轴承选型时在这三方面分别应考虑的因素。
一．轴承的材料
在考虑轴承的材料时主要考虑两点：钢材的纯净度和钢材的热处理工艺。
轴承在正常运转状态下，当滚道表面出现6mm2的剥落时（如图1所示），我们就说这个轴承失效了，这个轴承运转的时间就是它的疲劳寿命。剥落的产生主要是因为轴承钢内部存在非金属夹杂物。在轴承工作时，非金属夹杂物会引起钢材内部应力集中，产生薄弱点，随着轴承日复一日地运转，这些薄弱点慢慢发展成细微裂缝，最后引起滚道表面剥落。所以钢材的纯净度对轴承至关重要，钢材内部夹杂物颗粒体积越小，颗粒数量越少，则裂纹出现的概率越小，轴承的疲劳寿命也越高。
铁姆肯公司生产的圆锥滚子轴承在矿山卡车中有着数十年的应用历史，同时也积累了相当丰富的应用经验。本文将就矿山卡车使用圆锥滚子轴承应当注意的问题进行简单的分析，希望能够帮助广大的矿山卡车设计者和用户更好地选择和使用轴承，提高矿山卡车的可靠性。
除了本身系统设计匹配和安装调整的因素外，决定圆锥滚子轴承使用性能的主要有以下三个方面因素：1）轴承的材料；2）轴承滚道的粗糙度；3）轴承滚道的表面修形。接下来详细分析在矿山卡车工况下，轴承选型时在这三方面分别应考虑的因素。
一．轴承的材料
在考虑轴承的材料时主要考虑两点：钢材的纯净度和钢材的热处理工艺。
轴承在正常运转状态下，当滚道表面出现6mm2的剥落时（如图1所示），我们就说这个轴承失效了，这个轴承运转的时间就是它的疲劳寿命。剥落的产生主要是因为轴承钢内部存在非金属夹杂物。在轴承工作时，非金属夹杂物会引起钢材内部应力集中，产生薄弱点，随着轴承日复一日地运转，这些薄弱点慢慢发展成细微裂缝，最后引起滚道表面剥落。所以钢材的纯净度对轴承至关重要，钢材内部夹杂物颗粒体积越小，颗粒数量越少，则裂纹出现的概率越小，轴承的疲劳寿命也越高。
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图1 轴承表面剥落
随着现代冶炼技术的发展，国际一流品牌的轴承制造商在轴承钢纯净度这一点上都达到了相当高的水准。他们除了有符合ISO和ABMA标准的轴承材料外，还将比之更纯净的钢材做材料，以提高轴承在高载荷下的可靠性。拿矿山卡车里的轮毂轴承应用来说，轴承承载的力非常高。以200吨载重量为例，整车满载后350吨左右，单侧后轮轮毂轴承的受力达到120吨左右。因此如果选择标准材料的轴承，其尺寸将会非常大。为了尽可能减小轮毂尺寸，使设计更紧凑，这个位置常选用高纯精度材料的轴承。即使这样，轴承的内径也有500mm左右。
除了轴承钢的纯净度之外，轴承的热处理工艺对轴承的性能也有相当大的影响。现在市场上的轴承主要有两种热处理工艺：全淬透和表面渗碳。全淬透热处理的原材料是高碳钢，经过全淬透热处理后，这种钢材内部和外部硬度都达到58-64HRC，钢材表面产生张应力，当遇到比较大的冲击载荷情况下，容易产生裂纹，甚至直接碎裂。渗碳热处理的原材料为低碳钢，采用的热处理工艺为表面渗碳，这样的材料特点是表面58-64HRC坚硬耐磨，而内部较软30-35HRC，钢材表面产生压应力，能缓冲受到的冲击载荷，降低出现冲击裂纹的可能性。
除了轴承钢的纯净度之外，轴承的热处理工艺对轴承的性能也有相当大的影响。现在市场上的轴承主要有两种热处理工艺：全淬透和表面渗碳。全淬透热处理的原材料是高碳钢，经过全淬透热处理后，这种钢材内部和外部硬度都达到58-64HRC，钢材表面产生张应力，当遇到比较大的冲击载荷情况下，容易产生裂纹，甚至直接碎裂。渗碳热处理的原材料为低碳钢，采用的热处理工艺为表面渗碳，这样的材料特点是表面58-64HRC坚硬耐磨，而内部较软30-35HRC，钢材表面产生压应力，能缓冲受到的冲击载荷，降低出现冲击裂纹的可能性。
图2渗碳钢外硬内软
矿山卡车所用到的圆锥滚子轴承主要应用在桥包和轮端，这两个地方的工作环境都非常恶劣，经常伴随冲击载荷和重载。再加上铸件本身无法避免产生的磨粒，以及油封可能失效而带来的外部污染，这些都对轴承本身带来了巨大的考验。在磨粒和重载的情况下，轴承的滚道表面无法避免地产生凹坑，如果选用全淬透的轴承，在材料本身较脆和表面张应力的双重影响下，这个凹坑的发展将比较迅速，使得轴承在没有达到疲劳寿命前提前失效。而假如选用渗碳轴承，由于材料本身有韧性和表面压应力，该凹坑不易扩张，使得轴承仍旧可以达到较好的疲劳寿命。铁姆肯公司通过试验来模拟全淬透轴承和渗碳轴承在滚道表面有损伤的情况下的轴承寿命对比，结果显示表面渗碳轴承比全淬透轴承能达到更高的疲劳寿命。基于以上原因，我们在选用矿山卡车所用的轴承时，应尽量选用渗碳轴承。
二．轴承滚道与滚子的表面光洁度
影响轴承性能的因素除了刚刚提到的材料因素外，还有一个很大的因素是润滑。据统计，70-80%的轴承提前失效是因为轴承润滑不恰当所致。通常我们采用油或油脂来对轴承进行润滑。润滑系统在轴承工作时，会在金属表面产生一层油膜。如果我们用高倍放大镜去观察轴承滚道，可以看到滚道表面不是光滑的，而是有很多小的金属高点的，就像一座座“山峰”。如果在轴承工作时，滚道和滚道之间“山峰”直接接触，那么“山峰”就会断裂，滚道表面产生微剥落，最后造成轴承表面损伤（如图3）。油膜的目的就是使得滚道与滚子之间的小“山峰”不直接接触。要起到这样的作用，油膜的厚度必须超过两接触表面粗糙度之和。当我们发现油膜厚度无足以分开两个金属面时，可以有两个选择：使用更粘稠的润滑油或油脂；降低滚道表面的粗糙度。由于矿山卡车一般在桥包采用SAE80W-90油浴润滑，而在轮端采用带有EP添加剂的二号润滑脂润滑。受到重载低速的影响，可能会发生油膜厚度不够的情况。如果无法改变齿轮油的粘度，我们可以通过提高滚道和滚子的表面光洁度来提高轴承性能。
影响轴承性能的因素除了刚刚提到的材料因素外，还有一个很大的因素是润滑。据统计，70-80%的轴承提前失效是因为轴承润滑不恰当所致。通常我们采用油或油脂来对轴承进行润滑。润滑系统在轴承工作时，会在金属表面产生一层油膜。如果我们用高倍放大镜去观察轴承滚道，可以看到滚道表面不是光滑的，而是有很多小的金属高点的，就像一座座“山峰”。如果在轴承工作时，滚道和滚道之间“山峰”直接接触，那么“山峰”就会断裂，滚道表面产生微剥落，最后造成轴承表面损伤（如图3）。油膜的目的就是使得滚道与滚子之间的小“山峰”不直接接触。要起到这样的作用，油膜的厚度必须超过两接触表面粗糙度之和。当我们发现油膜厚度无足以分开两个金属面时，可以有两个选择：使用更粘稠的润滑油或油脂；降低滚道表面的粗糙度。由于矿山卡车一般在桥包采用SAE80W-90油浴润滑，而在轮端采用带有EP添加剂的二号润滑脂润滑。受到重载低速的影响，可能会发生油膜厚度不够的情况。如果无法改变齿轮油的粘度，我们可以通过提高滚道和滚子的表面光洁度来提高轴承性能。
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图3在润滑不良的情况下运转，轴承有可能会发生损伤
三. 轴承滚道表面修形
现在我们来看一下影响轴承性能的另一个重要因素——滚道表面应力。有的读者在这里可能会想，一个轴承只要不超过它的额定载荷，滚道表面产生的应力应该不是问题。如果有问题，说明这个轴承本身的额定载荷数据标高了。这种理解忽略了一点，轴承在受力时，它的外圈和内圈的中心线可能不在一条直线上，可能有一个夹角（如图4），导致轴承工作时不对中。这个不对中可能是安装不当引起的，也可能是轴或轴承座在受重载的情况下产生轻微的形变引起的，可能是轴和轴承座在加工时的误差引起的，或者是以上因素的综合。圆锥滚子轴承在样本上标的额定载荷是指轴承工作时，这个夹角要小于0.0005弧度。当这个不对中的夹角小于万分之五的弧度时，不会影响轴承的寿命和性能，但当这个夹角超过万分之五的弧度时，就会对轴承的性能产生一定影响。这个不对中会引起轴承滚道应力集中，使轴承无法达到设计的疲劳寿命而提前失效。这种失效形式如图5所示，通常发生在滚道边缘，并且上下180度方向上呈现对角线模式。
现在我们来看一下影响轴承性能的另一个重要因素——滚道表面应力。有的读者在这里可能会想，一个轴承只要不超过它的额定载荷，滚道表面产生的应力应该不是问题。如果有问题，说明这个轴承本身的额定载荷数据标高了。这种理解忽略了一点，轴承在受力时，它的外圈和内圈的中心线可能不在一条直线上，可能有一个夹角（如图4），导致轴承工作时不对中。这个不对中可能是安装不当引起的，也可能是轴或轴承座在受重载的情况下产生轻微的形变引起的，可能是轴和轴承座在加工时的误差引起的，或者是以上因素的综合。圆锥滚子轴承在样本上标的额定载荷是指轴承工作时，这个夹角要小于0.0005弧度。当这个不对中的夹角小于万分之五的弧度时，不会影响轴承的寿命和性能，但当这个夹角超过万分之五的弧度时，就会对轴承的性能产生一定影响。这个不对中会引起轴承滚道应力集中，使轴承无法达到设计的疲劳寿命而提前失效。这种失效形式如图5所示，通常发生在滚道边缘，并且上下180度方向上呈现对角线模式。
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图 4 轴承不对中形成夹角
图5 因不对中而引起的轴承失效模式
这种不对中现象而导致的轴承损伤在矿山卡车的轴承应用中很常见，主要是由于矿山卡车的承载太大，引起轴变形所致。当这种轴承损伤出现时，如果不细心分析而把它归结于轴承的承载能力不够，单单通过提高轴承的尺寸来应付，结果往往不理想。铁姆肯公司针对因滚道边界超过许用应力而最终导致轴承寿命偏低的应用推出了带滚道修形的轴承，可以在不用提高轴承尺寸的情况下，解决滚道边缘应力集中的问题，使得滚道表面的应力始终处于材料的需用范围之内。
在对矿山卡车用轴承进行选型计算时，借助计算机，输入工况条件使用专业软件可以模拟出该轴承是否存在滚道边界应力过大的问题。实践中曾遇到这样一个例子，某大吨位矿山卡车轴承选型，在寿命计算时发现前轮轮毂外侧轴承寿命较小，无法满足要求。在检查该轴承滚子的应力水平时，发现有一个工况下滚道应力很高。如图6所示，图中该滚子的边界应力已经超过了材料的需用应力，而滚道中间部分应力较小，说明该轴承的承载能力可以满足这个应用。然后我们在原有轴承的基础上对滚道进行修形，载入软件重新计算，再检查应力发现同样的工况下，同一颗滚子的应力分布如图7所示，轴承寿命也有相当大的提高。
在对矿山卡车用轴承进行选型计算时，借助计算机，输入工况条件使用专业软件可以模拟出该轴承是否存在滚道边界应力过大的问题。实践中曾遇到这样一个例子，某大吨位矿山卡车轴承选型，在寿命计算时发现前轮轮毂外侧轴承寿命较小，无法满足要求。在检查该轴承滚子的应力水平时，发现有一个工况下滚道应力很高。如图6所示，图中该滚子的边界应力已经超过了材料的需用应力，而滚道中间部分应力较小，说明该轴承的承载能力可以满足这个应用。然后我们在原有轴承的基础上对滚道进行修形，载入软件重新计算，再检查应力发现同样的工况下，同一颗滚子的应力分布如图7所示，轴承寿命也有相当大的提高。
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图6普通轴承滚道边界应力过大
图7滚道修形轴承应力分布
四．总结
以上主要针对矿山卡车的应用特点，分别从轴承的材料、轴承滚道表面粗糙度以及滚道应力和修形这三个方面介绍了轴承选择和分析要注意的问题，希望可以通过以上的解决方法，提高矿山卡车的可靠性，从而减少停车维护时间，提高采矿效率。
以上主要针对矿山卡车的应用特点，分别从轴承的材料、轴承滚道表面粗糙度以及滚道应力和修形这三个方面介绍了轴承选择和分析要注意的问题，希望可以通过以上的解决方法，提高矿山卡车的可靠性，从而减少停车维护时间，提高采矿效率。
