高精度雷达方位轴承设计与研制

　　高精度雷达方位轴承设计与研制赵雁李云峰2，毛斐然戴天任1（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳471039；2.河南科技大学，河南洛阳471003）系数及使用寿命计算验证了设计的合理性。同时设计了合理的工艺路线，使加工出的轴承各项性能均满足使用要求。
　　某大型方位-俯仰式雷达由天线、俯仰机构、旋转机构、天线基座组成。雷达方位轴承属于旋转部件，安装于雷达天线基座上。主机要求该方位轴承在雷达搜索目标时，方面能够带动天线实现精确转动；另方面可支承天线及其俯仰部件做俯仰运动，并承受外载荷及俯仰运动时产生的轴向力、径向力和倾覆力矩。文中主机天线基座尺寸超过7m，质量大且轴承受重载，因此具有高承载能力的三排滚子结构式转盘轴承最符合该方位轴承要求。
　　1主要技术指标为确保主机能够精确地探测并锁定目标，较普通三排滚子轴承而言，雷达方位轴承的精度要求高，特别是要具有很高的旋转精度以减小雷达天线的探测误差，同时采用高刚度套圈以消除因天线质量大、套圈结构变形对雷达精度的影响。
　　另方面，方位轴承需带有轮齿，通过驱动小齿轮带动天线转动，并且要求齿轮具有高精度才能保证与驱动小齿轮啮合传动的平稳性。主机要求的轴承技术指标如下：轴承精度P5，内径定位；旋转精度要求轴向跳动不大于0. 12mm，径向跳动不大于18mm；不同载荷条件下，轴承的最大变形量见表1表1刚度要求径向轴向倾覆力矩变形量/mm齿轮精度为~0.03mm；径向游隙最大角速度为0.014 h，年工作200d计算；工作温度为-40 2结构设计2.1轴承结构针对主机要求的技术指标，方位轴承设计为外齿式三排圆柱滚子结构，其外形尺寸为5500mmX6 250mmX360mm，结构如所示。外圈带轮齿，内圈分为上、下2个半圈，由12个螺钉连接，上排滚子为主推力滚子，下排滚子为辅推力滚子，主要承受轴向载荷和倾覆力矩，径向滚子承受纯径向载荷。内、外圈分别有72个安装孔与基座连接，内圈内径方向加工3排油孔，每排12个，用于定期注脂润滑。
　　6―密封圈1；7―密封圈2；8―上排滚子；9一保持架1；10―下排滚子；11―保持架2；12―密封圈3；13―外齿圈轴承结构2.2套圈材料者为淬火钢，具有良好的表面淬火质量，可提高轴承承载能力和寿命，并具有抗磨损、抗剥蚀、抗塑性变形、抗冲击等优良的力学性能，同时其许用接触应力高于50Mn.对于大尺寸、高载荷且带有外齿结构的轴承，采用42CrM更为合适。调质处理后，材料的抗拉强度应不低于800 MPa，硬度达到229~269HB.为满足使用环境-40°C的低温要求，锻件材料进行了ISO-V缺口冲击试验，要求-40C下3次冲击试验能量的平均值不小于27，单值不小于19. 2.3滚子根据轴承截面尺寸初选滚子直径，3列滚子直径总和一般不超过内、外圈公共截面的一半，然后根据轴承静承载能力的验算确定合适的滚子直径。最终选定的主滚道/辅滚道/径向滚子直径分别为50 mm/40mm/30mm.由滚子直径Dw、滚子组节圆直径Dp、直径系数Kz（取1.1~1.30）可得滚子数Z=nDp/KzD.因此上排/下排/径向滚子数的组合为294/354/448.一般情况下当滚子直径为25 mm左右时，可以采用GCr15SiMn替代常用的GCr15以获得更高的强度，雷达方位轴承承载较大，且3列滚子直径均大于30mm，因此滚子材料选择淬透性更好的GCr15SiMn.2.4保持架-HG2-869.该材料具有很高的机械强度，耐热、耐磨损，其自润滑性、吸振性较好，且质量小，可以有效减少轴承自重，增加回转灵活性。聚酰胺1010适用温度为-40~60°C，满足工作温度要求。轴向的2排滚子均采用分段式轮番兜孔结构，每段保持架上6个兜孔，上、下排保持架相邻两兜孔间距离不小于保持架板厚，其结构如所示。径向滚子采用隔离块，其结构如所示。
　　2.5密封方位轴承采用组合式密封结构。上端采用2个密封圈，密封圈1在内圈外径上定位，密封圈2在外齿圈端面的密封槽中定位，密封圈与内圈外表面接触，2个密封圈形成迷宫结构的组合式密封。密封圈3在外圈内径的密封槽中定位。密封条在槽中有少量的过盈，并有半圆形的凸起，可防止密封条脱出。此密封结构能够起到良好的防水、防尘作用。
　　密封圈材料为丁腈橡胶，具有耐热性和气密性优良、耐磨较好、粘结力强等特性。其适用温度为-40 ~90°C，满足工作温度要求。
　　3轴承校核分析3.1刚性分析3.1.1静力学模型为了确定轴承内部的载荷分布，对轴承进行静力学分析。假设外圈固定，在径向载荷Fr、轴向载荷Fa以及倾覆力矩M的共同作用下，内圈产生相应的径向位移轴向位移5a以及倾角位移队如所示。为了便于分析，以轴承的中心为坐标原点，在轴承的径向平面内建立极坐标系，极轴指向径向载荷的方向，极角少的取值范围为。
　　对于给定的径向滚子的滚子-滚道接触作用，根据极坐标系中的几何关系，可得与径向滚子相接触的两滚道面之间的法向趋近量为根据（1）式，在任意位置角处径向滚子所承受的载荷为形常数。
　　内圈在径向载荷以及滚子承受的载荷的共同作用下处于平衡状态，即通过二分法求解方程，即可得到轴承径向的最大变形量。
　　3.1.3轴向平衡在轴向载荷Fa以及倾覆力矩M的共同作用下，内圈产生的轴向位移以及倾角位移如所示。
　　根据中的几何关系可得上排滚子与相接触的两滚道面之间的法向趋近量为承的轴向游隙。
　　在任意位置角处上排滚子所承受的载荷为形常数。
　　下排滚子与接触的两滚道面之间的法向趋近量为在任意位置角处下排滚子所承受的载荷为为下排滚子与两滚道之间总的载荷-变形常数。
　　内圈在轴向载荷Fa、倾覆力矩M以及上、下排所有滚子的共同作用下处于平衡状态，即将（6）式、（8）式代入（9）式和（10）式可得承在各方向的最大变形量。
　　3.1.4刚度计算方位轴承的滚子主参数见表2，表中1为滚子长度。轴承在不同载荷下的变形量见表3，由表3可知，轴承各方向的计算变形量均小于要求的最大变形量（表1），满足使用要求。
　　表2滚子参数滚子上排滚子下排滚子径向滚子表3刚度对比结果径向载荷轴向载荷倾覆力矩变形量值/mm 3.2静载荷安全系数轴承的静载荷安全系数为方位轴承在使用中一般做低速回转运动，并承受间歇性的冲击载荷。过大的载荷可能导致与滚子相接触的滚道部位产生永久性的塑性变形，在某种程度上会降低轴承的运转性能。实际经验表明，如果滚子与滚道之间接触区域的塑性变形量限制在滚子直径的0.000 1倍，其不会对轴承性能造成严重影响，对于全淬火钢，该幅值的永久变形所对应的接触应力为4000MPa.对于42CrM等表淬钢，因其中心硬度与外表面硬度存在差异，根据目前42CrM的热处理水平，达到上述变形量所对应的接触应力约为3最大接触应力为载能力可以用上排滚子的静载荷安全系数来表不。
　　荷为QLx=51156.972N，上排滚道最大接触应力=1219.327 MPa，故上排滚道安全系数为f：=7.3.在转盘轴承标准中，要求恶劣工况下的轴承静载荷安全系数是2.5，因此方位轴承的静载荷安全系数完全满足承载要求。
　　3.3寿命计算滚动轴承疲劳寿命的计算与额定动载荷、轴承的载荷分布、当量动载荷等有关。额定动载荷取决于轴承的设计参数，轴承的载荷分布和当量动载荷取决于轴承所承受的外部载荷。
　　3.3.1额定动载荷对于线接触，套圈的额定动载荷为的修正系数；v为与寿命方程中的指数有关的修正系数。
　　3.3.2当量动载荷对于线接触，相对于载荷方向旋转的套圈的当量动载荷为相对于载荷方向静止的套圈的当量动载荷为内圈滚道的额定寿命为滚道接触线的主曲率和函数；Y为中间系数。
　　滚子、上排滚子和下排滚子的最大滚子载荷，则可由（13）式和（14）式计算出相应的静载荷安全系数。
　　在实际工作中，方位轴承承受较大的轴向载荷，中最大的滚子接触应力出现在上排滚子与滚道之间的接触处。所以，轴承的静承：；为内圈的额定动载荷。
　　外圈滚道的额定寿命为轴承的寿命为命；分别为内、外圈下排滚道的额定寿命；参数可得=1703000r，远大于主机要求寿命（19200.r），完全满足寿命要求。
　　4工艺研究4.1工艺流程及关键点外圈：粗车―半精车―滚道淬火、回火―精车基准面―齿加工―钻孔―精车―磨加工。
　　内圈：粗车―半精车―滚道淬火、回火―切断―加工基准面―钻孔―精车―磨加工。
　　方位轴承为双半内圈式结构，直径大且内圈滚道至端面处壁薄，若采用常规3排滚子工艺路线，将内圈锻件切断成双半内圈后分别加工各内圈，会导致热处理后内圈尺寸变形大、翘曲严重等问题。因此，对内圈采用组合锻件滚道背对背的加工方法，即热处理前双半内圈一体，热处理后切断，再分别加工双半内圈的端面及内、外径，减小热处理时的变形量。在钻孔工序时再次对其进行组合加工，以保证安装孔及连接孔的位置度。
　　齿轮的精度决定了雷达转动的精度及平稳性，因此，在普通轴承齿轮采用的成形铣削加工的基础上又进行精插齿，保证齿轮8GK -GB/T10095的高精度要求。
　　为保证精度要求，车、磨加工时要求次装夹，减小轴承套圈在装夹找正及吊装运转中引起的变形和误差。
　　4.2滚道热处理轴承滚道热处理是方位轴承工艺的核心环节。转盘轴承一般采用感应淬火的方式提高其表面硬度、强度及耐磨性，感应淬火的频率决定淬硬层深度，频率越高淬硬层相对越浅。由于方位轴承尺寸较大，因此采用中频感应淬火，确保淬硬层深度达到3.5~5.5mm.淬火时，滚道淬火软带的大小不能超过50 mm，且3滚道的软带需在同―位置，以确保轴承回转时避开主承载区。
　　方位轴承内、外圈在淬火后4h内进行回火稳定，在170°C下保持5h后出炉，以确保套圈材料金相组织的稳定。待工件冷却后对淬火面进行磁粉探伤检验，确保不产生裂纹。
　　5检测加工完成后，对方位轴承进行包含产品尺寸、成套轴承轴向跳动、齿轮径向综合跳动、游隙等关键技术指标的检测，结果见表4.由表可知，轴承的各项技术指标均达到了技术要求，精度达到P5.表4实测结果参数技术要求实测值齿顶圆公差内止口轴向游隙径向游隙内圈轴向跳动内圈径向跳动装配高公差齿固定弦齿厚公差齿节圆跳动外圈轴向跳动6结束语通过对雷达天线座方位轴承主要技术指标的研究，设计了符合要求的三排滚子转盘轴承，一方面通过刚度分析、承载校核、寿命计算确保了设计的安全性、可靠性；另一方面，在实际加工中安排了合理的工艺路线以控制产品的关键尺寸及精度，检测证明其各项性能均满足使用要求。