如何选择和设计轧机轴承（1）_【轴承之家】

一篇文章，带你秒懂轧机轴承！...

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经过“炮火连天”的情人节，也是几家欢喜几家愁唉~

不管是收获幸福还是被虐的伤痕累累，作为轴承人，我们都要打起十二分精神开始卖轴承啦！

轧机轴承在轴承界里，一直是一块大蛋糕。

由于现在冶金行业里轧机轴承选型杂乱，且不按照实际要求选择合适的轴承，导致轴承寿命低下等一些乱像，轴承哥整理了一些资料给广大哥迷作为一个参考。

轴承哥先从从轴承的类型与其每种类型的特点来说明，不同场合不同工况选择不同类型的轴承。相同类型的轴承不同的结构细节来说明为何选用如此结构。

比如轧机上常用的圆柱轴承，很多厂家由于节省经费，使用尺寸较小的型号。虽然此轴承在技术上可以满足轧制需求，但其实它所承受的轧制力已经达到设计时的极限，因此使用寿命远远低于理论寿命。比如说与圆柱轴承相配套的辅机轴承，专门用来承受轴向力。大多数厂家会选用可承受轴向力非常小的深沟球轴承，往往容易损坏，甚至烧轴承损坏轴承箱和轧辊。

1 轧机工作的特点

1．1 什么是轧机

实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备、辅助设备、起重运输设备和附属设备等。但一般所说的轧机往往仅指主要设备。据说在14世纪欧洲就有轧机，但有记载的是1480年意大利人达·芬奇（Leonardo da Vinci）设计出轧机的草图。1553年法国人布律列尔(Brulier)轧制出金和银板材,用以制造钱币。此后在西班牙、比利时和英国相继出现轧机。

1．2 其工作特点

(1)轧机负荷大，但辊径和轴承尺寸都受轧辊尺寸的限制，而不能无限制地加大，因此轧辊轴承所受单位压力大，超过一般用途轴承的2～5倍;

(2)高速是现代轧机发展趋势，因此轧辊轴承工作速度范围变化越来越大;

(3)工作环境恶劣，受热不均，温度不稳定；

(4)换辊频繁；

(5)板材精度要求高。根据轧机的工作特点，因此对轧辊轴承提出了较高的要求:要求轴承承载能力高，旋转精度、极限转速高，要结构简单，易于装拆等。因此根据轧机工作要求和实际情况，轧机轧辊轴承的设计选型很重要，它关系到轧机性能的优劣。

2 轧机轴承

2．1 常用轧机轴承的类型及特点

2.1.1径向轴承

能承受较大的冲击载荷，用于轧机径向轴承一般有以下几种。

①双列向心球面辊子轴承:具有自动调心的特性，能承受中等载和的轧制力，多用于中小型轧机的支承辊;

②四列圆柱轴承:容易获得较高的加工精度，故而具有高速旋转特性，又因其安装拆卸方便，并可在内圈压入辊颈后将内圈滚道面与轧辊辊面同时修磨，利于提高轧制精度，多用于高速、高精度轧机的支承辊，此类轴承能承受较高的径向力，不能承受轴向力，必须增设单独的止推轴承;

③四列圆锥辊子轴承:能同时承受径向载荷和轴向载荷，但装配时需要严格按序号装配，多用于大型轧机的支承辊和工作辊。

2.1.2 轴向推力轴承

主要用来承受轴向力，防止轧辊轴向窜动和错辊。用于轧辊止推轴承主要有如下几种型式:

①双列圆锥滚子轴承:能承受双向轴向载荷，适用高速大载荷的轧机;

②深沟球轴承:能承受径向和双向轴向负荷，适用高速低载荷的轧机;

③四点接触球轴承:能承受径向和双向轴向负荷，适用高速低载的轧机。

2．2 轧机轴承的配置方式

2.2.1调心滚子轴承

早期轧机轴承在轧机上的配置型式与现在不同，当时主要采用两套调心滚子轴承并列安装于同一辊颈上。这种配置型式基本满足了当时的生产条件，轧制速度可达600rpm。但随着速度的提高，其缺点越发突出：轴承寿命短、消耗量大、成品精度低、辊颈磨损严重、轧辊轴向窜动大等。

2.2.2四列圆柱滚子轴承+止推轴承

圆柱滚子轴承内径与辊颈采用紧配合，承受径向力，具有负荷容量大、极限转速高、精度高、内外圈可分离且可以互换、加工容易、生产成本低廉、安装拆卸方便等优点；止推轴承承受轴向力，具体结构型式可根据轧机的特点去选用。重载低速时，配以推力滚子轴承，以较小的轴向游隙来承受推力负荷。当轧机轴承轧制速度高时，配以角接触球轴承，不仅极限转速高，而且工作时轴向游隙可严格控制。使轧辊得到紧密的轴向引导，并可承受一般的轴向负荷力。这种轴承配置型式不仅具有轴承寿命长，可靠度高，而且具有轧制成品精度高、易控制等诸多优点，所以目前应用最为广泛，多用于线材轧机、板材轧机、箔材轧机、双支撑辊轧机冷轧机和热轧机等的支撑辊。

2.2.3四列圆锥滚子轴承

圆锥滚子轴承既可承受径向力，又可承受轴向力，无需配置止推轴承，因此主机显得更加紧凑。圆锥滚子轴承内径与辊颈采用松配合，安装和拆卸非常方便，但有时会因松配合而引起滑动蠕变，因此内径常加工有螺旋油槽。这种配置型式目前应用仍然是比较广的，如四辊热轧机和冷轧机的工作辊、开坯机、钢梁轧机等场合的轧辊。

2．3 轧机轴承的润滑方式

轧辊轴承的润滑原则上与其他滚动轴承的润滑基本一致，只是轧辊轴承的工作条件比较恶劣，其工作性能能否获得有效发挥在很大程度上取决于轴承的润滑情况。

轧辊轴承采用的润滑方法主要有脂润滑和油润滑。

脂润滑的润滑脂兼有密封作用，密封结构和润滑设施简单，补充润滑脂方便，因此只要工作条件允许，轧辊轴承一般都采用脂润滑。油润滑的冷却效果强，并能从轴承内带走污物和水分。轧辊轴承采用油润滑的润滑方法有压力供油润滑、喷油润滑、油雾润滑和油气润滑。

压力供油润滑是常规转速下轧辊轴承最有效的润滑方式。喷油润滑是将润滑油以一定的压力通过装在轴承一侧的喷油嘴喷入轴承内部进行进行润滑，一般应用在高速轧辊轴承，或者压力供油润滑不能满足冷却要求的场合。

喷雾润滑是将含有油雾的干燥压缩空气喷到轴承内部进行润滑，使用油量少，由于空气的作用，冷却效果极强，主要用于轧制速度高和轧制精度高的大型轧辊轴承，或者用于在轴承箱中不经常拆卸的轧辊轴承。压力供油润滑和喷油润滑都需要装设进、出油管、润滑泵、储油器，有时还需润滑油冷却器，因此，费用较高，一般轧辊轴承较少采用。

轧机轴承的选择

3．1 尺寸选择

轴承的几何参数选择，在大多数轴承的应用中，给定的负荷和速度是选择轴承的主要依据，但最开始选择合适的轴承与轧辊相配时，需要考虑轧机类型，辊身最大直径Dmax和最小直径Dmin，轧辊辊径的直径d与长度L，压下螺丝距离A，轴承座的壁厚等因素。在轧机中，一般使用四列圆柱轴承或四列圆锥轴承，首先确定轧辊间的轴承座外形尺寸不能大于最小辊径Dmin，其次轧辊辊径取值: d=(0．50～0．55)Dmax，L=(0．83～1．0)d，这样限定了轴承座与辊径间的间隙，轴承座的最小截面和轴承尺寸要在这间隙内平衡取值。

在许多场合，轴承的内孔尺寸已经由机器或装置的结构具体所限定。不论工作寿命，静负荷安全系数和经济性是否都达到要求，在最终选定轴承其余尺寸和结构形式之前，都必须经过尺寸演算。该演算包括将轴承实际载荷跟其载荷能力进行比较。滚动轴承的静负荷是指轴承加载后是静止的（内外圈间无相对运动）或旋转速度非常低。在这种情况下，演算滚道和滚动体过量塑性变形的安全系数。大部分轴承受动负荷，内外圈做相对运动，尺寸演算校核滚道和滚动体早期疲劳损坏安全系数。只有在特殊情况时，才根据DIN ISO 281对实际可达到的工作寿命做名义寿命演算。对注重经济性能的设计来说，要尽可能充分的利用轴承的承载能力。要想越充分的利用轴承，那么对轴承尺寸选用的演算精确性就越重要。

静负荷轴承

计算静负荷安全系数Fs有助于确定所选轴承是否具有足够的额定静负荷。 FS =CO/PO 其中FS静负荷安全系数，CO额定静负荷[KN]，PO当量静负荷[KN] 静负荷安全系数FS是防止滚动零件接触区出现永久性变形的安全系数。对于必须平稳运转、噪音特低的轴承，就要求FS的数值高；只要求中等运转噪声的场合，可选用小一些的FS；一般推荐采用下列数值： FS=1.5~2.5适用于低噪音等级 FS=1.0~1.5适用于常规噪音等级 FS=0.7~1.0适用于中等噪音等级额定静负荷CO[KN]已在表中为每一品种规格的轴承列出。该负荷（对向心轴承来说是径向力，对推力轴承而言则是轴向力），在滚动体和滚道接触区域的中心产生的理论压强为： -4600 N/MM2 自调心球轴承 -4200 N/MM2 其它类型球轴承 -4000 N/MM2 所有滚子轴承在额定静负荷CO的作用下，在滚动体和滚道接触区的最大承载部位，所产生的总塑性变形量约为滚动体直径的万分之一。当量静负荷PO[KN]是一个理论值，对向心轴承而言是径向力，对推力轴承来讲是轴向和向心力。PO在滚动体和滚道的最大承载接触区域中心所产生的应力，与实际负荷组合所产生得应力相同。 PO=XO*F r+Ys*Fa[KN] 其中PO 当量静负荷，Fr径向负荷，Fa轴向负荷，单位都是千牛顿，XO径向系数，YO轴向系数。

(1)动负荷轴承

DIN ISO 281所规定的动负荷轴承计算标准方法的基础是材料疲劳失效（出现凹坑），寿命计算公式为： L10=L=(C/P)P [106转] 其中L10=L 名义额定寿命 [106转] C 额定动负荷 [KN] P 当量动负荷 [KN] P 寿命指数 L10是以100万转为单位的名义额定寿命 [106转] C 额定动负荷 [KN] P 寿命指数 L10是以100万转为单位的名义额定寿命。对于一大组相同型号的轴承来说，其中90%应该达到或者超过该值。额定动负荷C [KN]在每一类轴承的参数表中都可以找到，在该负荷作用下，轴承可以达到100万转的额定寿命。当量动负荷P [KN]是一项理论值，对向心轴承而言是径向力，对推力轴承来说是轴向力。其方向、大小恒定不变。当量动负荷作用下的轴承寿命与实际负荷组合作用时相同。 P=X*Fr+Y*Fa 其中：P当

量动负荷，Fr径向负荷，Fa轴向负荷，单位都是千牛顿，X径向系数，Y轴向系数。不同类型轴承的X,Y值及当量动负荷计算依据，可在各类轴承的表格和前言中找到。球轴承和滚子轴承的寿命指数P有所不同。对球轴承，P=3 对滚子轴承，P=10/3。

变负荷及变速度

如果轴承动负荷的值及速度随时间而变化，那么在计算当量负荷时就得有相应的考虑。连续的负荷及速度曲线就要用分段近似值来替代。

滚动轴承的最小负荷

过小的负荷加上润滑不足，会造成滚动体打滑，导致轴承损坏。保持架轴承的最小负荷系数P/C=0.02,而满装轴承的最小负荷系数P/C=0.04(P为当量动负荷，C为额定动负荷)。

在上述方面基础上尽量选用国标尺寸与型号的轴承。应为各大轴承厂家对自己的产品都具有技术样本，对于轴承的承载负荷与旋转速度都有自己的数据依据。

3．2 轴承的配合

轧机轴承配合的选取，应根据轴承类型和尺寸、载荷性质和大小以及装拆方便等因素来确定。正确选择轴承配合，应保证轴承正常运转，防止内圈与轴、外圈与座孔在工作时发生相对转动。对于承受径向载荷的轧机轴承，当转速越高、载荷越大、冲击越强时，则应选用与轴越紧的配合，而对于经常更换的轴承一般选用松配合;对于承受轴向载荷的轧机轴承，应选择与轴的过渡配合或松配合，为避免承受径向载荷，轴承外圈与座孔通常留出较大的间隙。

在选择轴承配合时，应考虑以下因素：

3.2.1载荷的类型

根据作用于轴承上的合成径向载荷向量相对于套圈的旋转情况，可将套圈所承受的载荷分为：固定载荷、回转载荷和摆动载荷。

(1)固定载荷作用于套圈上的合成径向载荷，由套圈滚道的局部区域所承受，并传至轴或轴承座的相对局部区域，这种载荷称为固定载荷。

固定载荷的特点是合成径向载荷向量与套圈相对静止。承受固定载荷的套圈一般可选用较松的配合。

(2）回转载荷作用于套圏上的合成径向载荷向量沿着滚道圆周方向旋转，顺次地由滚道的各个部位所承受，这种载荷称为回转载荷，又叫循环载荷。回转载荷的特点是合成径向载荷向量与套圈相对旋转。承受回转载荷的套圈与轴或外壳孔应选用过渡或过盈配合。若以间隙配合安装，轴承套圏与轴或外壳孔之间将会发生打滑现象，接触面因而摩损，并由于摩擦发热，使温度急剧升高，轴承很快损坏。配合过盈量的大小依运转情况而定，以轴承在载荷下工作时，套圈在轴上或外壳孔内的配合表面上不出现“爬行”为原则。

(3）摆动载荷作用于套圈上的合成径向载荷向量在套圏滚道的一定区域内相对摆动，为滚道一定区域所承受，或作用于轴承上的载荷是冲击载荷，振动载荷，其方向或数值经常变动者，这种载荷称摆动载荷，又称不定方向载荷。

轴承承受摆动载荷时，特别是在承受重载荷时，内外圈均应采用过盈配合。内圈旋转时，通常内圈采用回转载荷时的配合，但有时外圈必须在轴承箱内轴向游动或其载荷较轻时，可采用比回转载荷稍松的配

合。

3.2.2载荷的大小

轴承套圈在载荷的径向分量作用下在径向受到压缩，会引起配合面松弛，在重回转载荷的情况下，易产生打滑现象。因此，对于重载荷场合，通常应比在轻载荷和正常载荷场合的配合为紧。载荷愈重，其配合过盈量应愈大。

3.2.3轴承尺寸大小

随着轴承尺寸的增大，选择的过盈配合过盈越大，间隙配合间隙越大。

3.2.4轴承游隙

采用过盈配合会导致轴承游隙的减小，应检验安装后轴承的游隙是否满足使用要求，以便正确选择配合及轴承游隙。

3.2.5工作温度

轴承在运转时，套圈的温度通常比相邻零件的温度高，轴承内圈可能因热膨胀而与轴松动，外圈可能因热膨胀而影响轴承的轴向游动。所以在选择配合时必须注意考虑温度的差异和其热传导的方向。

3.2.6轴承的旋转精度

当对轴承的旋转精度和运转的平稳性要求较高时，为了消除弹性变形及振动的影响，尽量避免采用间隙配合。

3.2.7轴和轴承座的结构设计和材质

如果轴或轴承座表面形状不规则，将导致轴承内、外圈的不正常变形，并且受力不均。对开式轴承座，与轴承外圈的配合不宜采用过盈配合，但也不应使外圈在轴承座孔内转动。当轴承安装于薄壁、轻合金轴承座或空心轴上时，为了保证轴承有足够的支承面，应采用比厚壁轴承座、铸铁轴承座或实心轴上所选择的配合要紧。

3.2.8安装与拆卸的方便

在许多应用中，为了有利于安装和拆卸，需采用间隙配合。根据运转状况，如必须采用过盈配合安装时，采用分离型轴承（内、外圈可分别安装的圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和推力轴承）或锥形内孔的轴承，可使装卸简便。

3.2.9非固定端轴承的轴向位移

安装在非固定端的轴承，要求轴承的一个套圈能在轴向有一定的游动量，通常是承受固定载荷的套圈（一般为外圈）以间隙配合安装。如果采用内圈或外圈无挡边的圆柱滚子轴承安装于非固定端时，内、外圈皆可采用过盈配合安装。

3．3 游隙的选择

轴承的游隙是指在无载荷时，当一个套圈固定不动，另一个套圈相对于固定套圈由一个极端位置移动到另一个极端位置的移动量。作径向移动者称为径向游隙，作轴向移动者称为轴向游隙。

通常，轴承的原始径向游隙大于轴承工作时的游隙，轴承的径向游隙对轴承的寿命、温升和噪声等有很大的影响。决定轴承径向游隙时，必须考虑以下几点：

（1）过盈配合安装时，内圈的膨胀和外圈的收缩导致游隙的减小。

（2）在运转温度下，轴承内、外圈的温度差及相关件的热膨胀导致游隙的变化。

（3）在工作时，球轴承通常在运转温度下，游隙应接近于零。对于滚子轴承，在正常的工作条件下，通常应留有一定的径向游隙。

3．4 轴承的材料选择

滚动轴承的性能和可靠性在很大程度上取决于制造轴承零件的材料。

滚动轴承在载荷下高速旋转时，套圈滚道和滚动体接触部分反复承受较大的接触应力，长时间运转容易产生材料的疲劳剥落，导致轴承损坏，因此滚动轴承套圈和滚动体的材料必须具备硬度高、抗疲劳性强、耐磨损、尺寸稳定性好等优点。

3.4.1套圈和滚动体的材料

套圈和滚动体通常采用高碳铬轴承钢。多数轴承采用GCr15，对于截面较大的轴承套圈和直径较大的滚动体采用淬透性好的GCr15SiMn。高碳铬轴承钢为整体淬硬钢，其表层和心部均可硬化，是滚动轴承的最佳材料。

由于使用场合不同，某些轴承要求材料具有特殊的性能，如耐冲击、耐高温、耐腐蚀等等。

对工作时承受冲击载荷的轴承或大型、特大型轴承的套圈和滚动体通常采用渗碳钢。渗碳轴承钢是在铬钼钢、铬镍钼钢等材料表层适当深度范围内进行渗碳，使其具有致密的组织，并形成硬化层，而中心部位硬度较低，具有较好的心部冲击韧度，由于渗碳轴承钢的使用性能好，其计算寿命与高碳铬轴承钢相同。对于高温工作下工作的轴承采用耐热性好的高温轴承钢制造。

对于工作中接触腐蚀媒介的轴承采用不锈轴承钢制造。

值得注意的是轴承钢的清洁度，清洁度愈高，非金属夹杂物愈少，含氧量愈低，轴承疲劳寿命则愈长，真空脱气钢或真空重熔钢能满足这一要求。对于要求高可靠性的轴承应采用电渣重熔钢制造。

3.4.2保持架的材料

保持架对滚动轴承的使用性能和寿命影响很大，其材料的选择尤为重要。保持架材料应具有机械强度高、耐磨性好、抗冲击载荷及尺寸稳定性好等特点。

保持架一般分冲压保持架和实体保持架。

保持架主要用来隔离滚动体，以防止相互间接触摩擦。对可分离型轴承，还可用来保持滚动体不致脱落，以利于拆卸与安装。在脂润滑时，保持架还可以起到储存润滑脂的作用，借以改善轴承的润滑。

保持架根据轴承类型和尺寸的不同，结构差异较大。这些差异主要表现为保持架结构、形状、材料、制造方法、生产成本等方面。根据保持架工艺特点不同，采用的材料主要有：各种冲压保持架多用10钢板和黄铜板材，车制实体保持架用材多为钢30、黄铜HPb59-1、青铜QAL10-3-1.5、铝ZL102及酚醛层压布管等，此外还有粉末冶金及尼龙66等。

每一类型不同尺寸的轴承均规定了一种保持架结构为该类型轴承用标准型结构。除标准型结构保持架在轴承代号中不作表示外，采用非标准结构类型的保持架时均应按本样本代号部分规定的后置代号加以表示。但符合下列情况之一者，则不编制保持架材料改变代号。

（1）当轴承外径D≤400mm时，采用钢板带及黄铜板带冲压保持架；轴承外径D≥400mm采用黄铜制实体保持架的深沟球轴承和单列圆柱滚子轴承；

（2）采用黄铜制实体保持架的双列圆柱滚子轴承和非对称球面滚子轴承；

（3）轴承外径D≤200mm,采用钢板带冲压保持架，D>200mm,采用黄铜制实体保持架的调心球轴承；

（4）采用钢板带冲压保持架的调心滚子对称滚子型并带活动中挡圈；

（5）双列角接触球轴承、推力滚针轴承和长圆柱滚子轴承；

（6）采用钢板带或硬铝板带冲压保持架的有保持架滚针轴承；

（7）采用钢板带及铜板带冲压保持架的分离型单列角接触球轴承；

（8）采用铝制实体保持架双半内圈或双半外圈三点、四点接触单列角接触球轴承；

（9）轴承外径D≤250mm的接触角α=40°，采用钢板冲压保持架的、接触角

a=15°、25°采用酚醛层压布管制实体保持架和D>250mm的采用黄铜或硬铝制实体保持架的单列角接触球轴承；

（10）采用酚醛层压布管制实体保持架的P5、P4、P2级单列角接触球轴承和锁口在内圈的单列角接触球轴承及其变型结构；

（11）采用实体保持架的双内圈双列角接触球轴承和推力滚子圆柱圆锥和球面滚子轴承；

（12）轴承外径D≤650mm的采用钢板冲压保持架和D>650mm的采用钢制实体支柱保持架的圆锥滚子

轴承；

（13）轴承外径D≤250mm的采用钢板带冲压保持架和D>250mm的采用实体保持架的推力球轴承。

看了这么多文字，估计各位哥迷眼睛都要吃不消了吧。

余下的部分下一期轴承哥再和大家分享，让各位哥迷有时间消化。