轴承的优化设计

 　　圆锥滚子轴承通常由外圈、内圈、滚子和保持架组成，其中，内圈、滚子和保持架装配铆合后形成内组件，而外圈则是可分离的。轴承转动时，滚子与内外套圈滚道都受到很大的交变接触应力，其工作表面易产生金属疲劳现象。实践证明，有适当的润滑和密封、安装和维护条件正常时，绝大多数轴承能达到预期寿命，其失效形式为承受交变应力作用而发生的接触疲劳失效。但在轴承安装、使用和维护过程中如发生不正确的操作，或与轴承相关的工件表面几何形状超差，达到外圈变形多装钢球的目的，装配角能到达193°－194°。

　　优化成果比较和滚动轴承技术发展

　　通过对轴承行业的现状进行类比发现，轴承生产企业分为三类：

　　第一类：国内大多数厂家还没有优化设计的意识，大多为仿制或测绘国外的产品设计。

　　第二类：以德国舍弗勒和日本轴承公司群体为代表，已经完成了以离散钢球为基础的产品优化。

　　第三类：以瑞典SKF公司为代表，开发的连续直径钢球为基础的产品优化。

　　假设以同样外负载工况条件下计算，通过优化Cr而获得的产品在实际使用寿命中的提高。由于Cr同寿命存在三次方的关系，对于较小的Cr提高，体现在寿命上的性能却是十分显著。

　　以型号6308轴承为例，国内企业基本额定载荷37000N，相同工况条件下的寿命为48510h。而日本和德国的经过钢球离散优化设计的轴承基本额定载荷达到40800N，工况条件下的寿命为64010h，比我国同类产品寿命增加了24.21%。瑞典SKF经过钢球连续优化设计的轴承基本额定载荷达到41800N，工况条件下的寿命为68830h，又比日本和德国的同类产品寿命增加了7%。

　　优化设计在提高产品本身使用寿命的同时为客户提供了更可靠的性能，并且显著减低了客户的使用成本。

　　滚动轴承优化设计总结

　　这里指出，轴承的优化设计是以一种科学合理的设计方法，它能够在一定程度上提高轴承的性能，但是我们也应该看到，我国轴承的质量同国外大公司仍然在其他方面存在着差距，包括新产品开发、结构设计、材料、工艺、润滑剂和密封性，而轴承的产品质量和最终实际寿命是以上各因素的综合体现。

　　圆锥滚子轴承通常由外圈、内圈、滚子和保持架组成，其中，内圈、滚子和保持架装配铆合后形成内组件，而外圈则是可分离的。轴承转动时，滚子与内外套圈滚道都受到很大的交变接触应力，其工作表面易产生金属疲劳现象。实践证明，有适当的润滑和密封、安装和维护条件正常时，绝大多数轴承能达到预期寿命，其失效形式为承受交变应力作用而发生的接触疲劳失效。但在轴承安装、使用和维护过程中如发生不正确的操作，或与轴承相关的工件表面几何形状超差，都可能造成轴承的早期失效。

　　与轴承配合工件的尺寸、形状及位置精度不合格引起的损坏

　　若工件轴和外壳孔的挡肩对配合表面不垂直，或轴承定位面的粗糙度不合格以及由于轴弯曲，都将造成轴承内圈和外圈轴线的相互歪斜而引起套圈和滚子滚动表面局部接触应力显著增大，进而产生疲劳剥落，发生早期损坏。

　　若工件外壳孔呈椭圆形或锥形，会使套圈产生变形并危及滚道，进而引起滚道过早磨损和疲劳破坏。同样，工件轴与轴承的配合轴颈若几何形状不正确也将造成轴承内圈滚道的损坏。如轴径过大，则可能造成内圈破裂；如外壳孔径过大，则造成外圈的松动并产生打滑，进而加剧外壳孔和外圈外径的磨损。

　　安装操作方式不当造成的损坏

　　由于圆锥滚子轴承的内组件和外圈是分别在轴上和外壳内安装的，装配时由于歪斜、冲击或装配用力过大等均可使套圈滚道及滚子受到损伤，这种损伤即使很小，也会加剧滚道的破坏。如滚子上有磕碰伤，轴承转动后也将造成套圈滚道的损伤。

　　在安装过程中如采用压入方式进行轴承的装配，必须使用专用的套筒工具。装配时若直接通过铁棒用力敲打套圈，可能使套圈产生裂纹或造成端面的损坏，甚至造成内圈挡边的崩裂。如尚未制作专用套筒工具，为避免裂纹的产生，安装时不应用铁棒直接对套圈进行敲打，而必须加以铜制衬垫进行。

　　使用专用的套筒工具进行内组件的装配时，应注意套筒的内外径尺寸，否则可能使套筒压在保持架端面上造成保持架的变形，变形严重时可能造成滚子散落。

　　在搬运和装配时如不小心使轴承内组件掉落地面或受到碰撞，将造成保持架的变形，使滚子受卡，影响轴承的转动灵活性，进而产生发热和烧伤现象，最终造成保持架扭曲变形而使轴承失效。

　　轴承安装后外圈与内组件间游隙的调整也非常重要，如游隙过小，则导致温升过高，加快磨损甚至咬死；游隙过大，将产生附加径向圆跳动和轴向窜动，造成滚子与外圈滚道的相对位移并引起不均匀的局部磨损，产生音响冲击。只有调整适当，才能保证正常运转。

　　使用维护不当造成的损坏

　　轴承工作时，如润滑油不足，将造成工作面金属与金属的直接接触而引起擦伤，并产生发热和烧伤，降低轴承原有的硬度进而造成粘着磨损，最终导致轴承失效。

　　轴承安装前如工件未清理干净或添加的润滑油不清洁（如混有沙子、灰尘、脏物等），或因密封不可靠以及在多尘的环境中工作时，一些硬质颗粒进入轴承滚道将引起磨粒磨损，其表面呈现细槽痕迹或细小的麻点，使轴承的游隙加大，精度降低，并缩短了使用寿命。

　　轴承在使用中如受到过大的静载荷或冲击载荷的作用，很可能使内外圈和滚子的接触处产生不均匀的塑性变形——压痕。压痕的出现，会使轴承的振动和噪声增大，温度升高，磨损加剧，进而产生严重的剥落，使轴承失效。这种情况多发生在转速较低或摆动的轴承。

　　轴承在潮湿的介质以及有酸蒸气和其他引起金属腐蚀的物质环境中工作，如轴承的密封不好，可能造成锈蚀。锈蚀的产物和润滑油混合一起会对滚道和滚动体的工作表面造成腐蚀磨损，并引发表面剥落。

　　轴承在使用中如有电流通过轴承，电流可能击穿轴承油膜，产生电火花，从而造成表面熔融，形成小凹坑或条形坑。

　　结语

　　为使轴承能正常工作并达到预期寿命，在选用轴承时，应针对轴承的主要失效形式进行必要的计算。对于一般运转的轴承，应根据接触疲劳失效，按额定动载荷进行寿命计算。对于高速轴承，除进行寿命计算外，还要进行必要的极限转速校核。对于转速较低的轴承，要进行静强度计算，以防止塑性变形的发生。轴承发生早期失效后，要细心观察损坏的情况，分析产生的原因，采取必要的改进措施。此外，轴承组合结构设计要合理，要保证充分的润滑和可靠的密封，这对提高轴承的寿命和保证正常工作是非常重要的。