CN107429749B - 轴承系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种轴承系统，包括：具有纵向轴线的轴，轴能绕轴线旋转，轴包括周向通道，周向通道包括轴向延伸的轮廓表面，轮廓表面的至少一部分相对于纵向轴线倾斜；轴承，构造成在使用中围绕轴设置；开口环，其构造成在使用中定位于周向通道中以与倾斜的轮廓表面接触，开口环包括具有外直径的第一部分，以及具有比第一部分更大的外直径的第二部分以提供止推表面；环，其包括构造成在使用中容纳开口环的第一部分的内孔；和轴承定位器，构造成在开口环和轴承之间施加轴向定位力，以将轴承定位在轴上。在使用中，由轴施加在开口环上的轴向推力载荷由止推表面传递到环，并且开口环被沿着倾斜的轮廓表面推动以在开口环上产生径向载荷，环抵抗径向载荷。

Description

轴承系统和方法

本发明涉及一种轴承系统和组装轴承系统的方法。

在轧机中，工作辊轴由轴承可转动地支撑。一旦将轴承安装到工作辊轴上，它们必须被沿轴向定位，并且轴向位置必须能够承受来自轴的预期轴向推力。如图1所示，轴承1在具有纵向轴线X的工作辊轴2上的轴向位置的常规布置是被开在该轴内的周向矩形槽3，在拐角处具有半径，开口环4被插在该槽内。开口环4的两个半部例如通过位于一侧的枢轴和位于另一侧的螺栓连接在一起，使得该组件可以在轴2上滑动，然后将螺栓插入以将开口环4保持在一起。具有螺纹端部5a的轴承保持套筒5通过螺纹环6紧固在开口环4的侧面，迫使开口环4轴向抵靠槽3的外表面，同时保持轴向轴承1的内座圈抵靠抵接面7，抵接面可以是轴2的间隔件或颈环。这将轴承1牢固地定位在辊轴2上。

这种布置的一个意想不到的结果是削弱了工作辊轴。不仅轴横截面减小，而且轮廓的形状也会产生应力集中。这可能导致疲劳引起的过早失效。随着市场趋向具有相应更大扭矩值的更宽轧机，这是一个日益严重的问题。

本发明的目标是至少在某种程度上减轻了现有技术的这个问题。

本发明阐述在所附权利要求中。

根据本发明的一个方面，提供了一种轴承系统，包括：轴，具有该轴可围绕其旋转的纵向轴线，所述轴包括周向通道，所述周向通道包括轴向延伸的轮廓表面，该轮廓表面的至少一部分相对于纵向轴线是倾斜的；轴承，构造成在使用中围绕所述轴设置；开口环，其构造成在使用中位于所述周向通道中以与所述倾斜轮廓表面接触，所述开口环包括具有外直径的第一部分，以及具有比所述第一部分更大的外直径的第二部分以提供止推面；环，包括构造成在使用中容纳开口环的第一部分的内孔；以及轴承定位器，其构造成在所述开口环和所述轴承之间施加轴向定位力，以将所述轴承定位在所述轴上；其中在使用中，通过所述轴施加在开口环上的轴向推力载荷由止推面传递到所述环，并且所述开口环被沿着倾斜轮廓表面推动，以便在开口环上产生径向载荷，所述环抵抗该径向载荷。

在使用中，通过轴的通道施加在开口环上的轴向推力载荷通过止推面传递到所述环。由于通道具有轴向延伸的轮廓表面，该轮廓表面的至少一部分相对于轴的纵向轴线倾斜，所以所述开口环被推动以骑在倾斜轮廓表面上，并且因此经历试图径向扩大开口环的径向力。围绕的环提供了开口环的径向抑制，由此防止开口环轴向移动，或至少限制其轴向运动，并保持轴承正确地位于轴上。因此，环传递轴向载荷以固定轴承，同时抑制了由开口环施加在其上的径向膨胀力。在周向通道的轮廓表面中提供倾斜或斜面是有益的，因为它减小了在通道附近的轴中的总应力集中。根据倾斜面的形状，与常规的大致正方形截面通道相比，峰值应力可以降低50％。

与开口环接触并承受推力载荷并引起开口环的径向膨胀的通道的轮廓表面的那一部分是倾斜或斜的意义是它不垂直于轴的纵向轴线也不与其平行。通道的轮廓表面的其他部分，即不引起径向膨胀的非接触/非推力部分，可以与纵向轴线平行或成直角。轮廓表面与纵向轴线平行的那一部分可能会或可能不会与开口环接触，但是无论如何这一部分不能传递任何推力载荷。

轴承定位器和环可以构成单个元件。替换地，轴承定位器和环可以构成分开的元件。轴承定位器可以包括：螺纹间隔件，构造成设置在轴承和周向通道之间； 以及螺母，其构造成螺纹连接在螺纹间隔件上以与环抵靠以便施加轴向定位力。 螺纹间隔件可以构造成使得螺母和环可以在螺纹间隔件的轴向长度内设置在螺纹隔离件上，使得开口环可以邻近轴上的螺纹间隔件地定位在周向通道中。

周向通道的倾斜轮廓表面可以是直的。替换地，周向通道的倾斜轮廓表面可以是弯曲的。替换地，周向通道的倾斜轮廓表面可以部分是直的并且部分是弯曲的。曲率半径可以是恒定的。替换地，可以改变曲率半径。轮廓表面或轮廓表面的切线可以相对轴的纵向轴线倾斜约1至80度，优选约1至45度，更优选约1至30度。

应当理解，通道的轮廓可以采取任何常见形状，只要轮廓被构造成使得当开口环经受轴轴向载荷时，开口环将经受径向力。只要轮廓表面相对于轴的纵向轴线在轴向方向上具有一定倾斜度或斜面并且开口环与倾斜表面接触，就是这种情况。也就是说，轮廓的至少某些部分（或轮廓的该部分的切线）与轴的纵向轴线形成的角度具有大于0且小于90度的值。换句话说，轮廓包括相对于轴的纵向轴线和垂直于轴的纵向轴线的假想线都倾斜的表面。因此，通道的轮廓可以是全部弯曲的或部分弯曲的，或者包括至少一个直的且倾斜的部分，或者包括一系列直的部分，它们一起构成大致的曲线。

根据本发明的另一方面，提供了一种组装如上所述的轴承系统的方法，包括：将轴承定位在轴上；将轴承定位器定位在轴上；将环定位在轴承定位器上；将开口环至少部分地定位在周向通道中；将环定位在开口环的第一部分上；以及调节轴承定位器，以便在开口环和轴承之间施加轴向定位力，以便将轴承定位在轴上。

现在将参考附图通过举例的方式描述实施例，其中：

图1示出了处于组装状态的常规轴承系统的简化截面图；

图2示出了组装状态下的根据本发明的轴承系统的简化截面图；

图3至图5示出了图2的轴承系统的组装的各个阶段；

图6示出了图2的轴承系统的组装方法；以及

图7a和7b分别示出了传统的和本发明的轴承系统中的应力分布。

参考图2，组装的轴承系统包括：细长轴100（仅示出其一部分）；轴承200；开口环300；环400；以及包括间隔件500a和螺母500b的轴承定位器500。

轴100在轧机600中由轴承200支撑，使得轴100可以围绕其纵向轴线X旋转。轴100的前部包括限定轴100的前周向区域的肩部100a。轴100的与肩部100a相邻的中心区域包括由轴承200的内表面200a围绕的轴颈100b。在该实施例中，轴承200是双列角接触球轴承，用于承受轴100的轴向推力，但是可以是锥滚子推力轴承或任何其他类型的推力轴承。轴承200的前表面与例如间隔件或径向轴承（未示出）的抵接面600a接触。

与轴颈100b轴向间隔开地设有凹槽或周向通道100c。通道100c包括相对于轴100的纵向轴线X大致倾斜的轴向延伸的轮廓表面。在该实施例中，轮廓表面的前部100d（在图2中位于在通道100c的左侧部分）是弯曲的，并且轮廓表面的后部100e （在图2中位于通道100c的右侧部分）是线性的或直的。在该实施例中，轮廓表面的直的后部100e以与轴100的纵向轴线X成30度的角度倾斜。

开口环300包括具有第一外直径的第一部分300a和具有大于第一直径的第二外直径的第二部分300b，以便提供具有前表面的凸缘，以下称为止推表面300c。开口环300在通道100c的区域中围绕轴100的圆周。在该实施例中，开口环300包括彼此附接的两个半部，以提供限定该开口环300的直径在轴向方向上变化的通孔的内表面。在该实施例中，开口环300的内表面的第一部分包括斜面，该斜面被成形为与通道100c的轮廓表面的倾斜后部100e互补并且位于其上，从而确保开口环300的内表面的第一部分和通道100c的轮廓表面的后部100e之间的良好面接触以用于传递轴向推力。应当理解，开口环300的内表面的第一部分可以具有任何常见形状，并且不需要完全吻合轮廓表面，只要与倾斜轮廓表面的至少一部分的接触足以传递轴向推力。因此，在本实施例中，开口环300的内表面的第一部分的一部分向前延伸以悬于轮廓表面的一部分之上。开口环300的内表面的第二部分与轴100的紧邻通道100的后部区域接触。因此，开口环300部分地设置或定位在通道100c中。

环状环400包括具有与开口环300的第一部分300a的外直径基本相同的直径的通孔。因此，环400紧密地安置在开口环300的第一部分上并且环400的后表面与开口环300的第二部分300b的止推表面300c抵接。在该实施例中，环400是一件式构造。同样在该实施例中，环400是连续的。

在该实施例中，如上文所述，开口环300的半部以常规方式通过螺钉或者周向夹具或者枢轴和螺栓装置接合在一起。替换地，由于开口环300在组装在通道101c的轮廓表面上时可能经历小的径向膨胀，所以在环400围绕开口环300定位之后就可以被移除的周向夹具或保持机构可能是优选的。

间隔件500a围绕轴100的中心区域设置并且在轴承200和通道100c之间轴向延伸。间隔件500a的前表面与轴承200的后表面抵接，并且间隔件500a的后表面位于通道100c的区域中。在该实施例中，间隔件500a的后表面略微悬于通道100c之上。替换地，间隔件500a的后表面可以延伸到通道100c的边缘或停止于该边缘之前。间隔件500a包括外螺纹，螺母500b螺纹接合在外螺纹上。如图2所示，螺母500b已沿着间隔件500a旋拧，使得螺母500b的后表面与环400的前表面抵接。螺母500b已经被紧固在环400上，使得间隔件500a被轴向推动（在图2中向左），以将轴承200靠着抵接面600a定位在轴颈100b上。

当在轧机600中使用时，轴100产生轴向推力，该轴向推力通过周向通道100c的轮廓表面的后部100e传递到开口环300的第一部分300a。因此，轴向力Fa施加到止推面300c，止推面300c又将该力传递到环400。轴向力Fa推动开口环300的第一部分300a的内表面沿着通道100c的轮廓表面的倾斜后部100e向上移动，潜在地导致开口环300沿轴100轴向移动（在图2中为向右）并在开口环300中产生径向力。因此，开口环300的第一部分300a在环400上施加向外的径向力Fr。紧密贴合的环400对抗该径向力Fr以阻止或抑制开口环300的径向位移，从而防止或限制开口环300沿着通道100c的轮廓表面移动。以这种方式，开口环300沿着轴100的轴向运动被阻止或至少受到限制，并且轴承200保持正确地定位于轴100上。

在传统的轴承布置中，开口环和轴中的凹槽之间的接触面与轴的纵向轴线成90度，因此在开口环上没有径向载荷，因此将开口环的半部保持在一起的螺栓（或其他设备）不需要特别强。在本发明中，开口环300上的径向载荷不能由传统的螺栓所抑制，并且为此功能提供了环400。

现在将具体参考图3至6来描述轴承系统的组装阶段。

参考图3，在第一组装步骤800a中，将轴承200滑动到轴100的中心区域上（从图3的右侧向左侧），使得轴承200的前表面与抵接面600a抵接。 在这种情况下，轴承200的内表面200a包围轴颈100b。 在另一组装步骤800b中，将间隔件500a滑动到轴100的中心区域上，使得间隔件500a的前表面与轴承200的后表面抵接。在另一组装步骤800c中，将螺母500b完全拧到间隔件500a上，以便抵接间隔件500a的后凸缘表面。（当然，在将间隔件500a滑动到轴100上之前，螺母500b可能已经被拧到间隔件500a上）。

现在参考图4，在另一组装步骤800d中，环400被定位在间隔件500a的螺纹上。在另一组装步骤800e中，开口环300的两个半部围绕通道100c定位并附接在一起，使得开口环300的内表面的第一部分与通道100c的轮廓表面的后部100e接触，并且内表面的第二部分与轴100的紧邻通道100的后部区域接触。因此，开口环300部分地设置或定位在通道100c中。

现在参见图5和图2，在另一组装步骤800f中，将环400滑动到开口环300的第一部分300a上，并且螺母500b被朝着环400旋拧使得螺母500b的后表面抵接环400的前表面。随着螺母500b被紧固，开口环300可以移动短的轴向距离（在图2中向右），同时开口环300的内表面的第一部分被推动沿着通道100c的轮廓表面的后部100e移动。开口环300的轴向运动受到紧密贴合的环400的限制，环400抵抗在开口环300沿着后表面100e移动的同时由开口环300的第一部分300a施加到环400上的径向膨胀力，由此约束开口环300并限制其沿着轴100前进。螺母500b的进一步拧紧产生反作用力，该反作用力沿着轴100朝向轴承200轴向地驱动隔离件500a，由此将轴承200的前表面压在抵接面600a上，从而将轴承200定位在轴颈100b上的正确位置。因此，使轴承系统进入如图2所示的完全组装状态。

现在参见图7a和7b，有限元分析（FEA）表明，传统轴承装置（图7a）中的最大冯·米塞斯（von-Mises）应力为353.64MPa，而在根据本发明的示例性轴承装置（图7b）中 最大值为177.48 MPa。 因此，本发明提供约50％的应力减小，从而改善了轴的疲劳寿命。

应当理解，已经借助其优选实施例描述了本发明，并且可以以许多不同的方式修改本发明，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种轴承系统，包括：

具有纵向轴线的轴，所述轴能绕所述轴线旋转，所述轴包括周向通道，所述周向通道包括轴向延伸的轮廓表面，所述轮廓表面的至少一部分相对于所述纵向轴线倾斜；

轴承，构造成在使用中围绕所述轴设置；

开口环，其构造成在使用中定位于所述周向通道中以与倾斜的所述轮廓表面接触，所述开口环包括具有外直径的第一部分，以及

具有比所述第一部分更大的外直径的第二部分以提供止推表面；

连续的、一件式的环状环，其包括构造成在使用中容纳所述开口环的所述第一部分的内孔，所述环在使用中被轴向地定位在止推表面和所述轴承之间并且与所述止推表面抵接；和

轴承定位器，构造成在所述开口环和所述轴承之间施加轴向定位力，以将所述轴承定位在所述轴上；

其中，在使用中，所述轴产生轴向推力载荷，所述轴向推力载荷被沿着第一轴向方向传输到所述开口环，使得轴向力（Fa）沿着第二轴向方向被施加在所述止推表面上，所述第二轴向方向与所述第一轴向方向相反，并且所述轴向力进而被从所述止推表面沿着所述第一轴向方向传输到所述环，并且

所述开口环被所述轴向力沿着倾斜的所述轮廓表面推动以在所述开口环上产生径向载荷，所述环抵抗所述径向载荷，由此将所述轴承保持定位在所述轴上。

2.根据权利要求1所述的轴承系统，其中所述轴承定位器和所述环构成单个元件。

3.根据权利要求1所述的轴承系统，其中所述轴承定位器和所述环构成分开的元件。

4.根据权利要求3所述的轴承系统，其中所述轴承定位器包括：

螺纹间隔件，构造成被设置在所述轴承和所述周向通道之间；和

螺母，其构造成被拧到所述螺纹间隔件上以与所述环抵接，从而施加所述轴向定位力。

5.根据权利要求4所述的轴承系统，其中所述螺纹间隔件被构造成使得所述螺母和所述环能在所述螺纹间隔件的轴向长度内设置在所述螺纹间隔件上，从而所述开口环能被紧邻所述轴上的所述螺纹间隔件地定位于所述周向通道内。

6.根据权利要求1所述的轴承系统，其中所述周向通道的倾斜轮廓表面是直的。

7.根据权利要求1所述的轴承系统，其中所述周向通道的倾斜轮廓表面是弯曲的。

8.根据权利要求1所述的轴承系统，其中，所述周向通道的倾斜轮廓表面部分是直的并且部分是弯曲的。

9.根据权利要求7或8所述的轴承系统，其中所述倾斜轮廓表面的曲率半径是恒定的。

10.根据权利要求7或8所述的轴承系统，其中，所述倾斜轮廓表面的曲率半径是变化的。

11.根据权利要求6至8中任一项所述的轴承系统，其中，所述轮廓表面或所述轮廓表面的切线相对所述轴的纵向轴线倾斜1至80度。

12.一种组装根据权利要求1至11中任一项所述的轴承系统的方法，包括：

将轴承定位在轴上；

将轴承定位器定位在所述轴上；

将环定位在所述轴承定位器上；

将开口环至少部分地定位在周向通道中；

将所述环定位在所述开口环的第一部分上；和

调节所述轴承定位器，以便在所述开口环和所述轴承之间施加轴向定位力以将所述轴承定位在所述轴上。