工程机械行星减速箱双列圆柱滚子轴承应用优化设计_卢再毅.pdf

64 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算0 引 言工程机械行星减速箱通常以重载工况为主，特别是应用在低速重载端行星齿轮的轴承，为满足其高承载能力性能及小尺寸结构需求，新型无外圈满装圆柱滚子轴承，具备圆柱滚子轴承的径向承载能力大，传动效率高，适用于重载等优点；且轴承内圈集成于行星齿轮内孔及满装滚子结构，大大缩减轴承外形结构尺寸并提升其承载能力，逐步在行星齿轮支承结构上广泛应用。行星齿轮孔径作为轴承外圈支承滚道且锁圈卡其内环槽，防止行星齿轮沿轴承径向窜动，内圈装配在悬臂式行星架的行星轴并螺栓固定锁止，支承行星齿轮总是处于齿轮啮合最佳状态。该轴承在疲劳耐久性试验出现失效，双列圆柱滚子轴承的左侧内圈滚道无异常，右侧内圈滚道出现点蚀剥落故障，见图 3。工程机械行星减速箱双列圆柱滚子轴承应用优化设计Double Row Cylindrical Roller Bearing Optimization Design for Planetary Reducer of Construction Equipment卢再毅 赵亚丽 潘子沁（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）摘要：针对工程机械行星减速箱应用双列圆柱滚子轴承在耐久性试验中出现轴承失效，借助 Masta 软件建立减速箱传动系统计算模型，综合考虑了减速箱齿轮传动误差及刚度变形的影响，对双排圆柱滚子轴承进行失效分析并仿真滚道接触应力分布情况，发现两列滚道接触应力分布不均匀且向一侧偏移且滚道均出现边缘应力,通过优化滚子及滚道轮廓修形，结果表明：优化参数后两列滚子偏载效应得到显著改善，应力分布趋于对称均匀，滚道接触应力降低，最后，通过试验台架进行验证了优化设计结果的准确性。关键词：双列圆柱滚子轴承，轮廓修形，偏载，接触应力中图分类号：TH132.41 文献标识码：A图 1图 3 轴承内圈滚道点蚀剥落故障图 2 无外圈滚子轴承结构设计本文针对在某行星减速箱应用双列无外圈圆柱滚子轴承在耐久性试验中出现轴承失效问题：(1)建立减速箱行星传动系统计算模型;（2）给出具体优化方案，对比优化前后的滚道接触应力发布；（3）通过台架试验对改进方案结果进行验证。1 轴承失效故障某行星减速机的二级行星齿轮主要应用双列无外满装圈圆柱滚子轴承，主要由内圈、滚子、挡圈及锁圈组成，以2 失效分析对失效的轴承内圈进行金相检测、有效硬化层检测，表面硬度在 60 61HRC，有效硬化层深 0.6mm，均满足设计图纸要求。在显微镜下观察右侧滚道点蚀剥落边缘及中心区图 4 6；剥落上、下边缘区呈现挤压摩擦痕迹，中心区剥落深度相对边缘区严重且存在剥落后胶合摩擦，在圆周旋转方向上整个点蚀剥落区呈现三角形状。表明该轴承在运转工作时存在偏载现象，内圈滚道的接触应力呈不对称均布，可能由于承受偏载载荷偏大，点蚀剥落起始于内圈滚道最右端，并逐步向左扩散导致的失效。DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0102023.01建设机械技术与管理 65设计计算3 齿轮箱传动系统模型计算及分析借助 Masta 软件建立行星减速箱传动系统计算模型，如图 7 所示。按实际无外圈圆柱滚子轴承参数以及滚子轮廓无修形设计输入分析计算，在行星齿轮传动误差及刚度变形作用影响下，两列滚子与内圈滚道的最大接触应力结果如图8 所示，右侧内圈滚道比左侧的接触应力大，且呈现不均匀对称分布向右侧偏载趋势，在滚道两侧约 6.3mm 以外区域接触应力突变较大，且最大接触应力位于右侧滚道最右端，达到 3512MPa。根据 ISO761标准规定，轴承内部接触应力应该小于 4000MPa，满足设计要求。对比轴承失效滚道点蚀剥落与理论计算的最大接触应力分布位置非常吻合，可以确认因滚子轮廓无修形情况，滚子与内圈滚道之间的接触应力分布均匀且边缘应力集中，产生圆柱滚子轴承的“边缘应力”2现象，需优化改善滚子与内圈滚道之间的接触应力。4 轮廓优化修形设计针对轴承滚子与滚道接触应力优化，解决圆柱滚子轴 图 4 点蚀剥落上边缘区 图 5 点蚀剥落中心区 图 6 点蚀剥落下边缘区图 7 减速器系统计算分析模型承的“边缘应力”2，可以通过滚子轮廓修形得到很好的改善，国内很多研究学者2 4大量分析研究，常用五种圆柱滚子轮廓曲线的方程及凸度量滚子修形对轴承接触应力及寿命的影响。以接触应力高的右侧滚道及滚子为分析优化对象，观察滚子与滚道接触应力区域分布趋势情况，滚道接触应力突变拐点位于滚子及滚道有效长度 6.2mm 处，且最大接触应力位于滚子两端，需优先针对滚子端部修形并消除边缘应力，利用滚子轮廓相切圆弧曲线可以有效消除边缘效应且相切圆弧处接触应力分布光滑平顺等特性，滚子有效长度为 L，中间直线段长度为 L0，两端相切连接半径 R1圆弧段，依据相切圆弧曲线方程式(1)分别拟合得到不同凸度量 值的轮廓曲线及示意图如图 9（a）所示。（b）右侧滚道最大接触应力分布图 9 滚子相切圆弧曲线修形优化（a）滚子相切圆弧曲线图 8 内滚道最大接触应力分布66 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算()=;22,0;22,)2(00020211LxLLxLLxRRx (1)L0=L 2(L L1)(2)其中：L1选取接触应力突变拐点处的有效长度；分析计算不同相切圆弧修形凸度量 的最大接触应力分布如图 9（b）所示，结果显示，随着相切圆弧凸度量 值增大，滚子直线段的接触应力逐渐增大，两端接触应力减小，当 15m 时，两端接触应力降低至 2000MPa 以下且边缘应力消除，但最大接触应力点位置变为相切圆弧起始段，且与直线段接触应力呈现中凹分布，还需再对中间直线段进行优化修形。为了消除相切圆弧起始段接触应力峰值使接触应力分布均匀平顺，有限长度 L0段更换为半径 R2圆弧鼓形曲线，两端相切连接半径 R1圆弧段，滚子轮廓曲线方程式为：()+=;22,)(;22,)22()2()2(0022110212002221202220211LxLxRRLxLRRLLxRRRLRLRRx (3)以滚子有效长度 L 最大凸度量=15m 为目标，基于上述曲线方程式（3）拟合 L0段不同凸度量 1的轮廓曲线及示意图如图 10（a）所示，并分析得到不同凸度量 1的最大接触应力分布如图 10（b）所示,结果显示，在相同凸度量=15m 情况下随着凸度量值增大，滚道最大接触应力分布呈现越均匀平顺，当中间滚子有效长度 L0段凸度量1=3m，滚道接触应力分布达到最优。通过滚子轮廓鼓形及相切圆弧优化修形后无法消除不均匀对称分布向右侧偏载趋势，需采用偏置倾斜修形以适应轴承偏载工况，同时考虑实际滚子轴承的可制造性，滚道的偏置倾斜修形相对滚子更容易识别偏置方向，在内滚道有效长度 L0段采用偏置鼓形圆弧修形，偏置鼓形曲线方程式如下：22)A()(=xRRxy （4）依据偏置鼓形修形曲线（4）拟合得到不同凸度量 2/3滚道轮廓曲线及示意图如图 11（a）所示,同时计算得到接触应力分布如图 11（b）所示。结果显示，当凸度量2=3m，3=9.2m 时，滚道与滚子接触应力呈现均匀对称分布。（b）右侧滚道最大接触应力分布图 10 滚子鼓形及相切圆弧曲线修形优化综合上述，基于滚子及滚道的组合修形优化，增大滚子与滚道之间的综合允许偏差如图 12（a）所示，增加圆柱滚子轴承的浮动间隙并减小滚子与滚道弹性接触变形产生的错位量，结果显示，优化改善后接触应力分布如图 12（b）所示，滚子与滚道的最大接触应力约合 3138MPa，小于轴承允许内部接触应力 4000MPa 要求，对比改善前，最大接触应力下降 11.7%，且最大接触应力点位于滚子及滚道接触有效长度中心且应力分布呈现左右均匀对称平顺，无应力峰值点及边缘应力现象。（a）滚子鼓形及相切圆弧曲线（b）右侧滚道最大接触应力分布图 11 滚道偏置倾斜曲线修形优化（a）滚道偏置鼓形修形2023.01建设机械技术与管理 67设计计算轴承类型轴承载荷/Nm旋转次数/万次试验结果改进前5684111.87损坏，滚道点蚀剥落，与图2所示损坏相同。改进后良好，滚道无点蚀损伤如图 14 所示。5 台架试验验证将优化前后无外圈圆柱滚子轴承装配成减速箱开展台架耐久疲劳试验，在线性传动台架试验台如图 13 所示开展台架加速试验，验证表 1 相同轴承载荷参数下轴承优化改善的效果。从台架加速疲劳试验结果可知，说明滚子及滚道修形优化对轴承接触应力改善有效，满足行星减速箱的无外圈圆柱滚子轴的产品设计寿命要求。（b）滚道最大接触应力分布图 12 优化前后滚道接触应力对比（a）综合允许偏差图 13 线性传动台架试验台6 结 论（1）对无外圈圆柱滚子轴承的失效故障分析，对轴承滚子及内圈滚道进行修形优化，降低滚子与滚道之间接触应力及分布，有利于滚子与滚道之间的润滑，有效消除轴承的“边缘应力”，提升轴承强度，有效的解决此轴承点蚀剥落失效问题。（2）建立减速箱传动系统计算模型，计算对比改进前后的轴承滚子与内圈滚道的接触应力符合实际工况，准确可靠。结果表明，滚子轮廓修形可以改善轴承的接触应力及寿命提升，计算结果也得到试验验证。参考文献1 ISO076-2006，Rolling Bearing-Static load ratingsS.2 陈家庆，张沛，徐林林.滚动轴承滚子凸度设计的理论研究进展 J.北京石油工业学院学报，2001，9（1）：32-38.3 王文杰，邱明，董艳方.偏载工况下修形圆柱滚子轴承接触应力与承载能力分析 J.润滑与密封,2021，46（10）：59-63.4 杨凡，赵俊，张龙周.滚子轮廓修对圆柱滚子轴承接触应力及寿命的影响 J.机械工程师，2019，（3）：136-141.5 毛月新，沈雪谨.偏载滚子轴承接触应力分布计算及其滚子凸度设计 J.中国机械工程，2009，20（16）：1918-1922.收稿日期：2022-10-27作者简介：卢再毅，学士，工程师，主要研究方向为工程机械动力传动件研究。图 14 优化后轴承滚道接触区域表 1 台架加速疲劳验证结果对比