長壁采煤機截割頭軸承選擇方案比較
2009-11-03 調心滾子軸承VS雙列圓錐滾子軸承
作者：曹政 鐵姆肯公司車輛設備應用工程師主管
作者：曹政 鐵姆肯公司車輛設備應用工程師主管
在過去的幾年中，我國國民經濟持續保持了兩位數的高速增長態勢。經濟的快速發展同時對能源的供給也提出了較高的要求。盡管太陽能、風能等“綠色”能源越來越受到人們的青睞和重視，煤炭依然是我國的基礎能源和重要原料，在能源的儲備與開發中占有重要戰略地位。根據有關部門的預測，在未來幾十年內，煤炭仍是我國Z主要的能源。 因此，作為支撐中國國民經濟能源生產總量70% （數據來源： 2008中國煤炭數據報告）左右的煤炭產業，也展現了驚人的發展速度，產量從2001年的10.8億噸增加到2008年的約28億噸，平均每年增產約2.4億噸。
煤炭產量的高速增長在很大程度上應該歸功于采煤技術的提高和采煤設備的改良升級，而用于井下開采的長壁采煤機就是這些設備中的典型代表之一。相比露天采掘，地下采煤的難度更大，環境也更惡劣，一旦因設備故障而停機，由于空間狹小、不方便使用大尺寸的拆卸和維護工具，維修將會非常費時，費力，這將對煤炭產量帶來負面影響，是煤礦業主所不希望看到的。因此，從一定意義上講，長壁采煤機的性能與可靠性對于地下采煤作業的連續性以及采煤量的多少起著決定性作用。長壁采煤機結構復雜，除了基本的機械結構外，還配備有液壓，電力等系統，采煤機的整體可靠性是各個子系統性能的綜合體現。以下論述是關于目前國內市場上長壁采煤機截割頭部位兩種典型的軸承方案的比較。即調心滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承之間的比較。主要體現在軸向竄動的控制，抗沖擊載荷能力，軸向載荷能力以及潤滑性能這四個方面。
煤炭產量的高速增長在很大程度上應該歸功于采煤技術的提高和采煤設備的改良升級，而用于井下開采的長壁采煤機就是這些設備中的典型代表之一。相比露天采掘，地下采煤的難度更大，環境也更惡劣，一旦因設備故障而停機，由于空間狹小、不方便使用大尺寸的拆卸和維護工具，維修將會非常費時，費力，這將對煤炭產量帶來負面影響，是煤礦業主所不希望看到的。因此，從一定意義上講，長壁采煤機的性能與可靠性對于地下采煤作業的連續性以及采煤量的多少起著決定性作用。長壁采煤機結構復雜，除了基本的機械結構外，還配備有液壓，電力等系統，采煤機的整體可靠性是各個子系統性能的綜合體現。以下論述是關于目前國內市場上長壁采煤機截割頭部位兩種典型的軸承方案的比較。即調心滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承之間的比較。主要體現在軸向竄動的控制，抗沖擊載荷能力，軸向載荷能力以及潤滑性能這四個方面。
長壁采煤機
1． 軸向竄動之間的比較
長壁采煤機在運行過程中的軸向竄動主要是由軸承內部軸向游隙引起的（雖然調心滾子軸承的游隙是按徑向值來給出，但是可以通過系數將其轉化為軸向值，而且轉化后的軸向值比徑向值要大得多），由于采煤機在截煤過程中所受到的軸向力大小和方向經常發生不定的變化，因此會帶動軸往復竄動，軸承內部游隙越大，該竄動量也越大。而頻繁的軸向竄動會使密封過早產生疲勞損傷，直至失效。當密封失效后，煤屑與其他一些硬質顆粒會進入到設備內部，使軸承滾道產生剝落，同時也損傷到傳動鏈上的其他部件如齒輪。 因此，對于該竄動量必須消除或嚴格控制，使之Z小化。雙列圓錐滾子軸承的游隙是通過隔圈來實現精密控制的，而且為了提高系統運行時的剛性或使軸承壽命與性能Z優化，其安裝后的游隙可以是負的。而調心滾子軸承是不允許在負游隙下運行的，否則會引起軸承燒傷。由此可見，雙列圓錐滾子軸承在這一工況運行環境下具有調心滾子軸承不可替代的優勢。
長壁采煤機在運行過程中的軸向竄動主要是由軸承內部軸向游隙引起的（雖然調心滾子軸承的游隙是按徑向值來給出，但是可以通過系數將其轉化為軸向值，而且轉化后的軸向值比徑向值要大得多），由于采煤機在截煤過程中所受到的軸向力大小和方向經常發生不定的變化，因此會帶動軸往復竄動，軸承內部游隙越大，該竄動量也越大。而頻繁的軸向竄動會使密封過早產生疲勞損傷，直至失效。當密封失效后，煤屑與其他一些硬質顆粒會進入到設備內部，使軸承滾道產生剝落，同時也損傷到傳動鏈上的其他部件如齒輪。 因此，對于該竄動量必須消除或嚴格控制，使之Z小化。雙列圓錐滾子軸承的游隙是通過隔圈來實現精密控制的，而且為了提高系統運行時的剛性或使軸承壽命與性能Z優化，其安裝后的游隙可以是負的。而調心滾子軸承是不允許在負游隙下運行的，否則會引起軸承燒傷。由此可見，雙列圓錐滾子軸承在這一工況運行環境下具有調心滾子軸承不可替代的優勢。
調心滾子軸承
雙列圓錐滾子軸承
軸承的游隙分安裝前游隙，安裝后游隙以及運行游隙。通常安裝后游隙和運行游隙都小于安裝前游隙。而安裝后游隙與運行游隙之間的大小關系取決于應用條件，因為雖然運行時軸承的溫升會進一步減小游隙，而同時軸承的滾道在受力情況下會有一定量的彈性變形，這又會增加游隙，因此在實際運行時游隙是比安裝后大或是小，是由運行條件來決定。對于中等速度和受力的應用，可以近似認為安裝后游隙與運行游隙差不多。為方便起見，在圖一的 比較中，我們將對比兩種軸承安裝后的游隙量來判斷其在應用中引起的軸向竄動量。
圖1：兩種軸承安裝前后游隙量以及運行時軸向竄動量的比較（數據單位： 毫米）
從上圖中的比較結果我們可以看到， 圓錐滾子軸承在運行中的竄動量0.085mm (取竄動范圍的算術平均值) 比調心滾子軸承的1.05mm要來的小得多，基本可以認為是沒有竄動了。據某家煤機生產商反映，他們以前使用的調心滾子軸承由于竄動比較大，密封和軸承大約每兩個月就要更換一次。而更換了雙列圓錐滾子軸承后，設備使用一年多還沒有出現損壞的情況。目前國內一些長壁采煤機的高端生產企業已經充分認識到了圓錐滾子軸承在該應用中的優勢，在他們的設計與制造中選擇了如Timken?品牌的高端圓錐滾子軸承。
2． 抗沖擊載荷能力的比較
在采煤過程中，由于煤層質地并不十分均勻，截割頭時常會受到沖擊載荷，這類載荷對于軸承性能方面也是一種考驗。目前市場上標準的調心滾子軸承均采用高碳鋼作為原料，經過全淬透熱處理（through-hardening）后，從內到外硬度一致，為HRC58~64，這樣的質地雖然硬，但是比較脆，當遇到比較大的沖擊載荷的情況下，容易產生裂紋，甚至直接碎裂。
而市場是一些品牌，如鐵姆肯公司所提供的標準圓錐滾子軸承中有相當一部分（特別是英制軸承）原材料為低碳鋼，采用的熱處理工藝為表面滲碳（case-carburizing），這樣生產出來的軸承的特點是表面堅硬（HRC58~64）耐磨，而心部較柔軟（HRC30~35），能緩沖受到的沖擊載荷，避免出現沖擊裂紋。
3． 軸向載荷能力比較
雖然調心滾子軸承和圓錐滾子軸承都能同時承受軸向力和徑向力，但是調心滾子軸承所承受的軸向力不宜過大（通常建議不超過徑向力的1/3），而圓錐滾子軸承所能承受的軸向力可以比徑向力大，甚至可以承受純軸向力。這一點是由軸承內部幾何特點決定的。當軸向載荷逐步增大到一定程度時，徑向力的分布從Z初的兩列均勻分布轉變為由一列承擔，這使得該列滾子在運行中受力和摩擦比較大，容易發熱，特別是對于調心滾子軸承。而圓錐滾子軸承為純滾動設計，運行時摩擦和轉矩都比調心軸承要小，從而其承受軸向力的能力要比調心滾子軸承強得多。
4． 潤滑性能的比較
在潤滑性能方面，圓錐滾子軸承表現得也比調心滾子軸承要好。主要表現在以下兩方面。
a. 圓錐滾子軸承有自潤滑泵吸效應，即滾子在轉動時能夠自動把潤滑油從滾子小端沿著滾子體帶到滾子大端面，實現對滾子和滾道的潤滑。而調心滾子軸承沒有這一特點。如圖二所示。
2． 抗沖擊載荷能力的比較
在采煤過程中，由于煤層質地并不十分均勻，截割頭時常會受到沖擊載荷，這類載荷對于軸承性能方面也是一種考驗。目前市場上標準的調心滾子軸承均采用高碳鋼作為原料，經過全淬透熱處理（through-hardening）后，從內到外硬度一致，為HRC58~64，這樣的質地雖然硬，但是比較脆，當遇到比較大的沖擊載荷的情況下，容易產生裂紋，甚至直接碎裂。
而市場是一些品牌，如鐵姆肯公司所提供的標準圓錐滾子軸承中有相當一部分（特別是英制軸承）原材料為低碳鋼，采用的熱處理工藝為表面滲碳（case-carburizing），這樣生產出來的軸承的特點是表面堅硬（HRC58~64）耐磨，而心部較柔軟（HRC30~35），能緩沖受到的沖擊載荷，避免出現沖擊裂紋。
3． 軸向載荷能力比較
雖然調心滾子軸承和圓錐滾子軸承都能同時承受軸向力和徑向力，但是調心滾子軸承所承受的軸向力不宜過大（通常建議不超過徑向力的1/3），而圓錐滾子軸承所能承受的軸向力可以比徑向力大，甚至可以承受純軸向力。這一點是由軸承內部幾何特點決定的。當軸向載荷逐步增大到一定程度時，徑向力的分布從Z初的兩列均勻分布轉變為由一列承擔，這使得該列滾子在運行中受力和摩擦比較大，容易發熱，特別是對于調心滾子軸承。而圓錐滾子軸承為純滾動設計，運行時摩擦和轉矩都比調心軸承要小，從而其承受軸向力的能力要比調心滾子軸承強得多。
4． 潤滑性能的比較
在潤滑性能方面，圓錐滾子軸承表現得也比調心滾子軸承要好。主要表現在以下兩方面。
a. 圓錐滾子軸承有自潤滑泵吸效應，即滾子在轉動時能夠自動把潤滑油從滾子小端沿著滾子體帶到滾子大端面，實現對滾子和滾道的潤滑。而調心滾子軸承沒有這一特點。如圖二所示。
圖二：圓錐滾子軸承內潤滑油在泵吸效應下的流向
b．從軸承表面晶相組織看，經過滲碳熱處理的圓錐滾子軸承表面含有25%的殘余奧氏體，而經過淬透處理的調心滾子軸承表面有15%的殘余奧氏體。 奧氏體相對馬氏體有著良好的韌性，在潤滑油壓的作用下，會產生彈性變形，有利于油膜將滾子與滾道的接觸面分開，避免粗糙部分接觸。因此在相同的表面粗糙度條件下，圓錐滾子軸承相對調心滾子軸承能帶來更好的潤滑效果。如圖三所示。
由于采煤機截割頭軸承在高載荷，高溫，低速的環境下運行，潤滑條件較差，因此，潤滑方面的改善能帶來性能和壽命的顯著提高。
由于采煤機截割頭軸承在高載荷，高溫，低速的環境下運行，潤滑條件較差，因此，潤滑方面的改善能帶來性能和壽命的顯著提高。
圖三： 全淬透軸承（左） 與 表面滲碳軸承（右）的表面金相組織
從以上四個方面的比較不難看出，雙列圓錐滾子更適合長壁采煤機截割頭部位的應用。盡管調心滾子軸承有其固有的調心能力，能較好地處理軸在受力時的偏心，但整體上而言，雙列圓錐滾子軸承是個更好的方案，更有利于提升采煤機的性能和可靠性。