齿轮传动设备轴承应用分析探讨
陆建国(铁姆肯公司高级应用工程师)
齿轮传动设备广泛应用于各行各业，其类型和尺寸多种多样，需要满足的应用要求也各不相同。而轴承作为各种齿轮传动设备的关键零部件之一，它的性能好坏一定程度上直接决定了整个设备的使用寿命。因此，对齿轮传动设备中所选择的轴承进行必要的分析和计算是至关重要的。同时也要避免把计算轴承L10理论寿命等同于轴承应用分析的全部内容，尤其是对于齿轮传动设备而言，各行各业的应用环境差别很大，甚至在同一个传动设备不同位置的轴承分析所要关注的重点也应该是不同的。
低速运转条件下的轴承应用分析
大部分的齿轮传动设备都是减速应用，因此往往输出轴是转速最低的。不同行业输出轴的转速都不同，一般为二十几转每分钟，有些甚至只有十几转每分钟。如果忽略损耗，那么功率在传动中基本保持不变，因此输出轴的扭矩一般都很大，低速高扭矩的应用中最需要关注的是轴承的润滑情况，也就是油膜的形成问题。油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面，避免金属和金属之间直接发生接触。我们一般采用参数λ来表征润滑的效果（λ定义为油膜厚度与两接触表面粗糙度之和的比值）。如果λ大于1，说明油膜的厚度足够分开两个金属表面，润滑效果好，而如果λ小于1，则说明油膜的厚度不足以分开两个金属表面，润滑效果不理想。轴承在运转的过程中如果λ值小于1，则可能会出现如图1所示的损伤。
图1在润滑不良的情况下运转，轴承可能会发生的损伤
如果通过分析得到λ值小于1，那么为了避免发生如图1所示的损伤，一般要根据实际情况对轴承的粗糙度提出更高的要求。应用了加强的粗糙度后，很多情况下就可以有效避免轴承滚道和滚子之间的金属直接接触，如图2所示。
图2使用不同粗糙度时滚道和滚子之间的直接接触
高速运转条件下的轴承应用分析
不同行业齿轮传动设备的高速轴转速都不同，但大部分的行业高速轴转速都比较高，比如，很多水泥辊压机齿轮箱输入轴转速为900多转每分钟。在对高速轴轴承进行分析时需要考虑的重点和之前提到的低速轴轴承是截然不同的。由于转速较高，轴承滚道及滚子间的油膜比较好，因此此种条件下，一般磨加工后的轴承粗糙度就可以满足应用要求。但由于转速高轴承的发热量较大，所以在选择游隙时一般都相对于其他应用要大一些。虽然运转后由于内外圈温差的存在会导致游隙有一定程度的减小，但绝大部分情况下高速轴的运行游隙还是比较大的，否则会有温度上升甚至烧坏轴承的风险。然而，轴承在高速、低载荷并且大游隙的情况下容易发生打滑擦伤的风险，如图3所示。
图3在高速运转下发生擦伤的滚子
要避免这种情况的发生，精确的游隙控制在很多时候是一种可行的方法。对于调心或者圆柱滚子轴承来说，根据轴承内外径来选配轴以及轴承座进行安装，而对于双列圆锥滚子轴承则进行隔圈现场配磨，这些都是不错的方法。当然在一些特殊的应用中，即使是精确调节游隙也无法避免这种现象，那么可以尝试采用其他方法，比如铁姆肯公司开发的表面处理技术。图4显示的是经过一种表面处理的轴承。
图4经过表面处理的Timken®调心滚子轴承
高偏心条件下的轴承应用分析
很多的齿轮传动设备都采用行星轮组件，因为行星轮传动是动力传动中最紧凑的解决方案，它的特点是扭矩大，尺寸小，重量轻并且效率高。为了提高重合度，降低噪音，很多的行星轮传动采用斜齿轮。斜齿行星轮产生的偏心以及变形要比直齿行星轮更加复杂，在这种应用条件下，轴承往往容易偏心形成应力集中。很显然，这种偏心会对轴承造成不利的影响。针对这种情况，可以设计并采用具有针对性的轴承接触型面，以有效避免应力集中，如图5所示。
图5针对性修型对应力分布的影响
避免了这种应力集中就有效提高了轴承的寿命。应用中偏心程度越厉害，这种针对性的接触型面提高轴承寿命的效果通常也越明显。如图6所示。
图6不同偏心量下针对性修型对寿命的影响
（数据来源：铁姆肯公司美国坎顿技术与工程中心实验数据）
轻载条件下的轴承应用分析
很多齿轮传动设备都采用行星轮传动机构，一般情况下都会采用两个轴承来支撑整个行星架。在绝大部分的情况下，这两个行星架支撑轴承所承受的载荷一般都比较有限，尤其是对于低速级的行星架支撑轴承，轴承的尺寸一般相对较大，但所承受的载荷却往往只是行星轮组件的重量而已。从一般轴承L10样本寿命计算公式看，轴承的寿命值是非常高的，所以对于这个位置的应用来说，疲劳寿命显然不是关注的重点。相反，由于载荷较小，我们更应该关注轴承运行时的承载区。一般情况下运转的轴承在瞬间只有一部分滚子承受载荷，这些滚子所构成的区域称为轴承的承载区。对承载区的分析在轻载应用条件下显得极为重要。
在正常的运转情况下，承载区内滚子驱动保持架转动，而在非承载区则是保持架驱动滚子。所以承载区的大小一方面影响着滚子附着力的大小，从而进一步决定着非承载区滚子的运动方式是滚动还是滑动，另一方面更是影响着保持架被滚子冲击的程度（滚子进出承载区时会对保持架造成一定的冲击）。因此必须对轻载应用条件下的轴承进行承载区分析，如果发现承载区偏小，比如只有30度，则需要扩大承载区。
影响承载区的因素有轴承游隙，载荷大小，温升等因素。对于设计者来说比较容易控制的是轴承游隙，轴承游隙越小则承载区越大。因此一旦发现轴承承载区过小，则可以优先考虑采用减小游隙的方法，如图7所示。
图7游隙减小前后承载区的比较
总之，齿轮传动设备所涉及的行业多种多样，应用环境也是各有不同，有的是高速运载条件，有的是轻载条件。实际应用中，真正因为达到疲劳寿命而损坏的轴承比例非常小，绝大多数情况下轴承是由于润滑不良、应力集中或滚子打滑磨损等原因而失效。因此，除了对所选择的轴承进行L10理论寿命的计算之外，还必须要根据不同的应用环境进行针对性的分析，比如本文中提到的润滑分析、偏心情况分析和承载区分析等等。只有这样，才可以在设计阶段就避免轴承在日后的运转中出现损伤，从而减少停机时间，提高齿轮传动设备的工作效率。