起重机械吊钩组轴承选型标准分析

2014-01-31韩吉超王永新李鹏举

建筑机械化 2014年6期

关键词：吊钩滚子手册

韩吉超，王永新，李鹏举

(山东电力建设第一工程公司，山东济南 250131)

1 概述

吊钩组是起重机械上应用最广泛的取物装置，它由吊钩、吊钩螺母、吊钩横梁、推力轴承等零部件组成，有的零件已经形成专门的国家标准，其中的推力轴承尽管是标准件，但需要通过计算进行选型。

对于吊钩组轴承的计算选型，许多相关参考书、手册上均有介绍，由于设计手册不同，采用的标准不同，安全系数取值不同，导致了计算结果差异很大。

2 问题的提出

吊钩轴承一般采用推力球轴承和推力调心滚子轴承两种类型。推力球轴承转动灵活，但寿命相对较短，一般适用于承受轻、中载荷；推力调心滚子轴承承载能力大于推力球轴承，一般适用于承受中、重载荷以及冲击载荷，但转动灵活性逊于球轴承。据测算，在基本外形尺寸相同的情况下，滚子轴承的承载能力为球轴承1.5～3倍，且寿命相对较长，适用于低速运转场合，因此，可根据使用条件按照上述原则进行选择。本文特指推力调心滚子轴承。

吊钩轴承的一般选型方法如下。

1）《机械设计手册》（第三版第2卷，成大先主编，化学工业出版社）（以下简称《手册》三版）。

对低速旋转或缓慢摆动的轴承，应分别计算额定动负荷和额定静负荷，取其中较大者选择轴承。额定静负荷的计算见下式

式中C0——基本额定静负荷计算值，N；

P0——当量静负荷，N；

S0——安全系数，推力调心滚子轴承S0≥2;

Coa——轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定静负荷，N。

2）《机械设计手册》（第五版第2卷，成大先主编，化学工业出版社）（以下简称《手册》五版）。

计算公式与《手册》三版相同，但对于推力调心滚子轴承，无论其旋转与否均应取安全系数S0≥4。

从以上可以看出，和《手册》三版相比，五版的安全系数S0增大了1倍，这给初学设计者带来了困惑。

成大先主编的《机械设计手册》是新中国第一部机械设计大型工具书，自1969年至已修订至第五版。累计销售量超过120万套，历史悠久，影响尤为深远，机械设计人员几乎人手一套，其权威性毋庸置疑，但是不同的版本，安全系数差异何以如此大？仔细对比《手册》三版和五版可以看出以下区别：①三版采用的是GB 5859-84，而五版采用的是GB/T 5859-1994。②追根溯源，查原始标准，发现GB 5859仅是推力调心滚子轴承外形尺寸的标准，基本额定动负荷和基本额定静负荷是根据另外两个标准GB 4662《滚动轴承额定静载荷》及GB/T 6391《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》分别计算得来的，这两个标准也分别对应有84版和94版，实际上手册所列的轴承尺寸及性能表是这3个标准的综合。③对比《手册》三版和五版中的基本额定负荷可以看出，额定动负荷的大小变化不大，但在《手册》五版中，额定静负荷比84版增大了2倍左右。

3 GB 4662《滚动轴承额定静负荷》的演变

20世纪80年代，国家有关部门要求滚动轴承等基础件应在1983年采用国际标准，但是由于轴承相关基础研究十分薄弱，《滚动轴承额定静载荷》国家标准是按照先制定标准、后进行验证的方针开始了首次制定，并且按照积极采用国际标准的政策等效采用了ISO76-1978，即GB 4662-84。

随着ISO76-1978的修订，在1993年对滚动轴承额定静载荷标准进行了第一次修订，等效采用了ISO76-1987，即GB/T 4662-1993，与84版标准相比改动较大，最主要的改动是对额定静载荷的定义做了修改：84版标准从允许的最大永久变形量为依据，即根据允许永久变形量为滚动体直径的万分之一制定的；而93版修改为采用允许接触应力的方法，即以在受载最大的滚动体与套圈滚道接触处产生的总塑性变形量为滚动体直径的万分之一左右时，对应的接触应力为基础来制定额定静负荷的标准。

经对比这两种版本的计算结果，发现对多数轴承类型，新方法计算的额定静负荷比原来大，其中93版推力调心滚子轴承额定静负荷值约为84版标准值的1.6～2.2倍，可见,《手册》五版中安全系数增大1倍的根本原因是计算方法的不同。

GB 4662《滚动轴承额定静负荷》先后经历了4次制、修订：①GB 4662-84；②GB/T 4662-1993；③GB/T 4662-2003；④GB/T 4662-2012，此标准为现行的国家标准，实施日期为2013年3月1日。

在有关设计手册中，也有GB/T 5859《滚动轴承推力调心滚子轴承外形尺寸》不同版本额定静负荷性能表与GB 4662相对应。目前出版的有：①GB5859-84；②GB/T 5859-1994；③GB/T 5859-2008，这是目前最新版。

4 其他设计手册相关情况

文献[3]：尺寸及性能标准为GB/T 5859-2008。与GB/T5859-1994相比较，尽管额定静负荷有所增加，但增加幅度不大。推力调心滚子轴承安全系数取S0≥4。

文献[4]：尺寸及性能标准为GB/T 5859-1994。对于推力调心滚子轴承，无论其旋转与否安全系数均应取S0≥4。

文献[5]：尺寸及性能标准为GB/T 5859-1994。对于推力调心滚子轴承，无论是旋转还是静止，安全系数应取S0＞2～4，

文献[6]：尺寸及性能标准为《向心对称球面滚子轴承》（GB303-74）。对起重机中的轴承推荐取安全系数n0=0.8～1.2，工作频繁、冲击较大者取大值，反之取小值。

对滚动轴承计算载荷的确定原则：当n＜1转/分时，按静负荷进行计算，所以吊钩轴承的计算只需按照静负荷校核计算即可。

5 思考与体会

5.1 关于推力调心滚子轴承标准

1）标准具有很强的时效性，选择的原则当然是以选用最新的标准为首要条件。另外，有些标准互相之间关联，例如前述GB 5859是推力调心滚子轴承的外形尺寸标准，它和GB 4662《滚动轴承额定静载荷》及GB/T 6391《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》密切相关，这一点应引起注意。

2）新标准发布后，需要一定时间宣贯，相关联的标准修订又有延迟滞后的时间，另外，设计手册的出版周期更长，要求收录的所有标准是当前最新版本显然是不现实的，因此对手册的选择尤为重要，不能一套标准、手册连续使用多年，循规蹈矩，固守旧有的思想观念是不可取的。无论新旧标准，都要深刻理解标准内容以及新旧的差别，这样才能正确运用标准。

3）推力调心滚子轴承的设计方法是贯彻最新GB/T 5859标准，在满足该标准规定的外形尺寸及约束条件的前提下，对主参数进行优化，设计目标是按照额定载荷的两个标准计算，使额定载荷尽可能大，这就意味着在不断采用新计算方法、新材料、新工艺、新技术的同时，不断挖掘潜力，并根据ISO标准的不断更新而修订。

5.2 关于安全系数

从上述可知，安全系数的取值是吊钩轴承选型计算的关键。很多手册在轴承安全系数的选取上，都无一例外特别强调了推力调心滚子轴承。但安全系数如何选取没有明确的规定，各种手册说法不一致。

1）《起重机设计手册》与其他手册相比，针对起重设备的特点对于安全系数取值，采用的标准GB 303-74主体尺寸和现在的标准已有所不同。

单就推力调心滚子轴承的额定静载荷而言，GB 5859-84版大致是GB 303-74的1.5倍左右，GB 5859-94版大致是GB 303-74的3倍左右。和《手册》三版安全系数取2相比，该手册取安全系数0.8～1.2，看似是差别很大，但经综合比较静载荷值的大小，与GB 5859-84版相比，安全系数相当于1.2～1.8左右，这主要考虑到吊钩转速很低，按照静负荷计算。这个系数是笼统的粗略分析，且该手册已逾三十多年，仅供比较参考。

2）《手册》五版、《现代机械设计手册》及文献[4]《机械设计手册》（新版）均对于推力调心滚子轴承安全系数取S0≥4，这种方法的优点是简单，覆盖范围广，且行之有效，适用于所有的机械设备，但是，这种一刀切的做法以偏概全，有时顾此失彼，未免有失偏颇，因起重机械本身与某些连续工作机械不同，是一种间歇性工作机械，根据工作繁忙程度及载荷大小，吊钩组工作级别有高有低，所以安全系数统一取大于4不太合理。

3）《非标准机械设计手册》安全系数取值范围是S0＞2～4，这种取法兼顾了各种机械设备，可根据机械种类的不同以及使用条件进行取舍，对于工作级别很低的机构，例如吊钩轴承，可根据具体情况适当取小值，因此值得借鉴。