高承载双列推力圆柱滚子轴承的优化设计

王朝峰，王朋伟，刘高杰

（1. 洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039； 2. 航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

1 前言

随着我国经济的快速发展，各工业企业正在进行产业升级，机器设备的工作能力不断提高，相应地对轴承的承载能力要求也提高了，传统的轴承已不能满足现在的工况要求。推力圆柱滚子轴承多用于轧机压下机构、钻机等重型工程机械上，需承受较大的轴向载荷。推力圆柱滚子轴承由轴圈、座圈、保持架和圆柱滚子组成。GB/T 4663-2017 《滚动轴承 推力圆柱滚子轴承外形尺寸》和 JB/T 8211-2005 《滚动轴承 推力圆柱滚子和保持架组件及推力垫圈》对推力圆柱滚子轴承外形尺寸及保持架组件及推力垫圈的结构形式、尺寸等做了规定。圆柱滚子在轴圈和座圈之间转动，其实际转动是存在滑动的现象，且是一直存在的。对于单向推力圆柱滚子轴承，JB/T 8211-2005《滚动轴承 推力圆柱滚子和保持架组件及推力垫圈》 仅给出推力垫圈及保持器的尺寸，对滚动体未做要求，而设计时为了提高轴承的额定载荷，通常选用长度较大的滚动体。较长的滚动体两端的线速度差别较大，转动中滚动体发生打滑现象较严重，滚动体与套圈滚道磨损，温升较高，影响轴承运转稳定性，进而降低轴承的使用寿命[1-5]。

2 推力轴承结构

目前传统的推力圆柱滚子轴承是由轴圈、座圈、滚动体、保持器组成，为改善滚动体内外两端的线速度差，目前多采用双排滚动体组合，其结构如图 1 所示。

图1 推力圆柱滚子轴承结构

推力圆柱滚子轴承其保持器通常为内外两件黄铜实体保持器，滚动体装入后，由螺钉通过外侧保持器外径将两件保持器锁紧，即可完成滚子及保持器的装配, 见图 2。

图2 滚子保持器组件局部视图

从上图可以看出，双排圆柱滚子圆周布置在座圈和轴圈之间，为改善滚动体与套圈滚道之间的接触状态，双排滚动体也可用直径相同长短不一的滚动体交错排列。在设计时通常通过增大滚动体直径、长度和增多滚动体数量的方式来提高轴承承载能力。在靠近保持架内径的地方受材料强度限制，两相邻兜孔之间的距离不可能再进一步减小，也就是说不可能再通过进一步地增大滚动体直径或增多滚动体数量的方式来提高轴承承载能力。但在靠近保持架外径的地方两相邻兜孔间的距离明显大于靠近保持架内径的地方，该部分空间未被充分利用[6]。

3 轴承优化设计

为充分利用推力圆柱滚子轴承内部的空间，进一步提高轴承承载能力, 根据推力圆柱滚子轴承中滚动体布置位置对其进行优化布置，从而提高轴承空间的利用率，提高轴承承载能力。提出两种优化方案：1、内外两侧分别均布式设计; 2、球柱组合式设计。

3.1 内外两侧分别均布式

内外两侧分别均布式是指在轴承座圈和轴圈之间，滚动体布置为内外两侧两列均布，如图 3所示。

图3 内外两侧分别均布式设计

从图中可以看出，将轴承内部空间分为内外两侧，将滚动体分别均布，其保持架为整体式结构，其上内外两侧布置有方形兜孔，安装时滚动体装在保持器方形兜孔内，在保持器上下两端面兜孔中部两侧凿印锁紧滚动体，保证滚动体不掉出。设计时座圈与轴圈之间的距离为滚子直径，而滚子长度要考虑保持器相邻两兜孔之间的距离，确保保持器强度，由于内侧一列空间位置有限，内侧一列可适当减短滚动体长度，以确保保持器相邻两兜孔之间的强度。

3.2 球柱组合式

球柱组合式是指在轴承座圈和轴圈之间，滚动体采用圆柱滚子和钢球进行排列布置。通常采取内外两侧两列均布，由于内侧一列布置滚动体时空间位置受限较多，采用钢球和圆柱滚子交错均布，如图 4 所示。

图4 球柱组合式设计

球柱组合式中，钢球直径和圆柱滚子直径是相等的，其保持架为整体式结构，其上布置有三种兜孔形状：方形长兜孔、方形短兜孔、圆形兜孔。 兜孔布置位置大致如下：多个方形长兜孔沿圆周均布；相邻两个方形长兜孔之间外侧一列布置方形短兜孔，内侧一列布置圆形兜孔；兜孔数量根据实际空间位置确定。方形长兜孔的长度为方形短兜孔长度的两倍，装配时长兜孔内放置两个圆柱滚子。 滚动体装配后, 在保持器上下两端面兜孔中部两侧凿印锁紧滚动体，保证滚动体不掉出。

4 结论

为适应较大载荷的工况，结合双列推力圆柱滚子轴承的结构特点，针对保持器结构及滚动体布置方式，提出内外两侧分别均布式和球柱组合式两种优化方案。 优化后轴承充分利用轴承内部的空间，不仅能提高轴承的承载能力，还可以改善因滚动体长度较长，滚动体内外线速度不一导致的回转不平稳现象。 与同尺寸的传统推力圆柱滚动体轴承相比，其额定载荷有了大幅度的提高，具有承载能力高、结构紧凑、回转稳定性好、使用寿命长的特点；且座圈、轴圈可与一般推力圆柱滚动体轴承通用，这可大大提高轴承的使用范围。