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轴承垂直轴安装方式详解

最常见的轴承安装方法之一是采用垂直轴方向进行热安装。 在所有常见的安装方法中,多达16%的轴承可能会因为安装过程中无意造成的损伤而失效。尽管垂直轴安装方法得到了广泛使用,但此方法存在一些不为人熟知的风险。本文讨论了这些潜在问题以及解决之道。

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轴承和其他部件(例如联轴器和齿轮)的热安装已被证明是一种非常实用的方法。部件的热胀、安装和冷缩现象为人们所熟知,而且感应加热是一种快速、经济高效的方法。在垂直位置操作部件相对容易,垂直安装的部件定中心也很简单,当部件冷却和收缩时,重力有助于让部件准确地压在支座上。

重要的是,加热后需要快速安装部件以避免因温度降低可能导致部件卡在错误的位置上或造成其他损伤。

图1:垂直轴安装

加热和安装方式

加热安装有多种不同的方式。常见的包括:

  • 将加热后的轴承安装在常温轴承位上
  • 将常温轴安装到加热后的轴承中
  • 将常温轴承安装在加热后的轴承座中
  • 将加热后的轴承座安装在装好轴承的常温轴上

不过轴承在垂直安装过程中的表现与其他部件不同。在各种加热和冷却循环过程中,所有安装方式都会让轴承中的游隙先增大再减小。轴承的轴向游隙和径向游隙之间存在一定关系,该关系由接触角决定。在双列轴承中,该关系由以下公式给出:-

a = 2.3 x Yo x ∆ r (轴向游隙∆ a 通常是径向游隙的 5 – 15 倍)

因此,径向的较小移动(即游隙的变化)会导致轴向的较大移动

图2:轴承的径向和轴向游隙之间存在一定关系。

在垂直轴上,当径向游隙变化时,轴承将发生轴向移动。这可以通过首先考虑加热后的轴承(以红色表示)来说明(图 3)。轴承内外圈的温度相同,轴承游隙小。轴承支撑在外圈上。内圈略微向下移动。当常温轴插入并下降到轴承套圈位置时,内圈被轴冷却,如图灰色所示(图 4)。内圈冷缩,因此增大了轴承游隙。由于轴向游隙增大,内圈因此沿轴向向下移动。

图3:在垂直轴上,径向游隙变化导致轴向移动。
图4:内圈轻微向下移动。

最终外圈达到室温(图 5)并接近于内圈的温度,形成较小的轴承游隙。但是,由于游隙减小,内圈因此已被推着向上。

图5:一段时间后,外圈达到室温。

虽然从应用物理学的角度来看,这种现象很有趣,但其实际意义是什么?

首先,我们必须考虑轴承内部的位移和力(图 6)。

图6:轴承内部的位移和力。顺序1:内圈向下移动。

最初,内圈向下移动,垂直载荷 (M x g) 由轴承的下排滚子承受。载荷分解成滚子载荷(以红色显示)和摩擦力(以黑色显示)。

接触角 α 和滚子数量 Z也会对其有影响。通过公式:

N=(M x g)/Z(sin(α)+µ x cos(α)) ,我们看到摩擦力会降低滚子载荷。

然而,当内圈向上移动时,垂直载荷 (M x g)依然由下排滚子承受。 而公式则变为 N=(M x g)/Z(sin(α)-µ x cos(α)),并且摩擦力是反方向的(图 7)。如果 sin(α) = µ x cos(α),向上移动将产生非常大的滚子载荷,实际后果是产生自锁或粘着磨损的风险。

图7:顺序2:内圈向上移动。

摩擦系数和接触角的关联在一起会导致自锁(图 8)。从该图中可以看出,当接触角在 4 到 15 度之间而摩擦系数在 0.05 到 0.4 之间时,会出现自锁。与自锁有关的潜在损坏是塑性变形,最终将导致噪音、振动和早期剥落。

图8:导致自锁的摩擦和接触角关联组合。

此外,在自锁区域之外还有另外一个区域可能会发生粘着磨损(图 9)。在这里,摩擦力足以阻止滚子的初始移动,但却不能阻止其在高载荷下的移动。因此,接触力增大时,会导致滚子最终轴向移动。这时,高接触力下的轴向运动会造成磨光,最坏情况下可发展为粘着磨损。

图9:导致准自锁的摩擦和接触角关联组合。

实际结果

自此,我们确定了自锁和“准自锁”将导致的两种潜在有害结果,这两种情况经常在设备中出现,但很少被认为与安装过程有直接关系。图10显示了轴承的一些常见损伤。

这是立在地面上的风电机组主轴的示例,轴承加热后自上而下安装。将轴承内圈装在支座上,在轴承冷却的同时加热轴承座。紧接着从上方安装经过加热的轴承座,并将其装在外圈上。

在温度平衡的第一个小时内进行测量(图 11)。

图11:立在地面上的风电机组主轴。

在此图中,有三个不同的区域。在1区中,加热后的轴承座被放置在外圈上。外圈与轴承座一起向下移动,这是由于载荷引起径向偏转而导致轴向移动。在2区中,加热后的轴承座传热给外圈,使其膨胀,游隙增大。这时,只要外圈的温度升高,就会带着轴承座一起向下移动。在3区中,随着轴承座进一步冷却,外圈不再升温。由于游隙减小,外圈开始向上移动。在移动过程中出现一个粘滑运动的现象(用红圈标记)。安装后的检查发现,有明显的表面磨光迹象(图 12)。

第二个示例是,在轴和齿轮垂直安装的工业齿轮箱应用中进行轴承套圈测量。首先,将轴承装在轴承座中,在内圈上放置一个隔圈。然后,将加热后的齿轮放在隔圈及内圈上。最后,将常温轴穿过齿轮插入内圈。在这种情况下测量轴向位移。该齿轮箱体是一体式设计,因此将其侧放(图 13)。

图13:一体式设计齿轮箱体(左),侧面放置(右)。

在这个示例中,安装顺序分两步。安装步骤1:将常温齿轮箱体放置在安装支架上,再将常温轴承从侧面装到齿轮箱体中,然后向下推入。轴承外圈放入齿轮箱体中,最后将常温隔圈置于内圈之上。安装步骤2:将装好轴承的常温齿轮箱体依旧放在安装支架上,再将加热后的齿轮从侧面装到齿轮箱体中,然后向下推入。这时,齿轮靠在隔圈上,依次压在内圈上。然后,将一根冷轴自上而下,穿过齿轮、隔圈后,装入内圈。

在温度平衡的前一个半小时内进行测量。为了便于测量,使用了一个假轴承座(图 14)。

图15:冷却过程中测量移动。

可再次确定三个不同的区域。在1区中,内圈由温度很低的轴冷却,游隙随之增大,内圈与轴和齿轮一起沿轴向向下移动。在2区中,加热后的齿轮传热给轴,受热后的轴再传热给内圈,使其膨胀,游隙减小,内圈与轴和齿轮一起向上移动。3区表示滚子和滚道之间的实际移动可能已经停止。测量得到的可能是整个测试台与温度相关的尺寸变化。这些测量结果表明,可能存在两次“粘滑运动”现象(用红圈标记)。

针对这种情况,将试验轴承拆下后,仔细观察试验轴承内圈底部滚道的外观,可以看到细小的轴向痕迹。

然而,并非所有滚子接触面都留下了这样的痕迹。在显微镜下观察到,细小的轴向痕迹一部分由粘着磨损材料组成。

由于过度碾压 ,这种损伤将重复出现并发展为表面破损/磨损。

为了避免安装造成的轴承损伤,需要考虑三个因素。首先,在安装过程中减少或消除轴承载荷很重要。合理的办法是避免垂直安装或抵消重力。如果做不到这点,先垂直安装,然后转到水平位置以减少冷却过程中的轴向载荷。尽量通过转动轴承来释放摩擦,并在冷却过程中通过轴向定中心来避免移动。最重要的是,做到心中有数,因为了解安装过程中可能产生的损伤,将有助于降低风险。

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