冶金齒輪箱的種類與應用非常廣泛，主要通過齒輪間的嚙合與傳動作用來實現加速、減速、改變傳動方向、改變轉動力矩或分配動力，以滿足各種冶金設備動力傳動的需求。冶金齒輪箱不僅用于各種主機設備，如棒線材、型材或板材的粗扎、精軋和立輥等主傳動齒輪箱，而且也用于眾多輔機設備傳動系統，如飛剪、卷取機、穿孔機、縱切機以及輸送滾道等。作為最關鍵的冶金設備之一，冶金齒輪箱能否穩定可靠地運行關系到整條生產線能否正常工作，一旦其出現故障將導致嚴重后果。冶金齒輪箱通常處于重負載、沖擊載荷、高或低轉速、高溫或高污染等苛刻運行環境，正是由于工作環境的特殊性及連續可靠的工作需求，冶金齒輪箱對配用的軸承提出了更為嚴格的要求。采用高性能的軸承，正確選擇軸承選型、公差配合、初始游隙以及安裝尺寸是確保齒輪箱連續可靠工作的前提條件。
軸承選型
1.選擇適合的軸承類型
冶金齒輪箱軸承一般采用雙列滾子軸承組合來滿足重負載和大功率的動力傳動需求。滾子軸承以圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承及調心滾子軸承為主。冶金齒輪箱采用何種類型的軸承應由齒輪軸的受力工況及各類軸承的特點決定。雙列圓錐滾子軸承具有良好的徑向與軸向復合載荷能力，軸承內部游隙可調整，而且利于增強傳動系統剛性，因此圓錐滾子軸承是冶金齒輪箱設計優先考慮的軸承類型。但圓錐滾子軸承也有不足之處，例如價格較高且不具備自調心和抗偏心能力，因此冶金齒輪箱也大量選用其他類型的軸承，如調心或圓柱滾子軸承。
冶金齒輪箱經常混用不同類型的軸承以達到最優化設計的目的。與圓錐滾子軸承相比，調心滾子軸承成本較低，在特定受力條件下該軸承也能承受徑軸向復合載荷。調心滾子軸承最大的優點是具備自調心能力，可在偏心條件下正常工作。當軸承外型尺寸相近，選用雙列圓柱滾子軸承可獲得更高的徑向承載能力，但該類型軸承不能承受軸向載荷。通常在徑向與軸向復合載荷條件選用圓柱滾子軸承時，需要采用添加止推軸承或其他類型的軸承來承受軸向負載。
2.雙列圓錐滾子軸承組合方式
采用雙列圓錐滾子軸承組合時，軸承一端通常設為“固定端”， 即軸承內外圈端面均被頂緊不留間隙，起到軸向定位并承受軸向負載作用;另一端軸承為“浮動端”，用來吸收齒輪軸熱膨脹及累積公差。“浮動端”軸承只承受徑向載荷，軸承外圈端面與軸承座端蓋及擋肩應預留足夠間隙，以抵消受熱膨脹后齒輪軸發生軸向位移，詳細結構如圖1所示。為提高傳遞扭距，冶金齒輪箱大量選用斜齒輪的嚙合方式。在重載條件下，斜齒輪不易產生沖擊振動噪聲、運轉平穩且承載能力較大，因此斜齒輪在重載傳動條件下優于直齒輪傳動。
圖1 齒輪箱采用雙列圓錐滾子軸承組合方式
但斜齒輪嚙合時會產生額外的軸向推力并作用到“固定端”軸承。當軸向推力較大時，選用雙列圓錐滾子軸承作為“固定端”，或者添加止推軸承均是理想的解決辦法。當齒輪軸只有單個斜齒輪嚙合，且齒輪軸“固定端”選用調心滾子軸承時，應注意軸承所受最大軸向與徑向受力的比值關系。調心滾子軸承由于自身的結構特點，當軸承所受軸向力超過自身所受徑向力1/3或1/4(根據具體軸承系列而定)時，軸承會出現單側滾子受力，另一側滾子空載的情況。不受力端滾子在旋轉過程中無法在滾道中引導和定位，出現滾子歪斜、打滑和撞擊保持架等情況，嚴重時可能導致保持架斷裂，軸承提前失效。雙列圓錐滾子軸承采用純滾動及滾子端面擋邊引導設計，通過控制軸承安裝游隙，可用于較大軸向受力及單列滾子承載工況，兩種類型軸承的特點與區別可參看圖2所示。“固定端”軸承承受徑軸向復合載荷，為了分擔軸承受力并提高使用壽命，“固定端”一般放在徑向受力較小的一側，“浮動端”放在徑向受力較大一端。有時選用調心滾子軸承來提高軸承的軸向承載能力，也會將“固定端”放在徑向受力較大的一側，在這種情況下，“固定端”調心滾子軸承承載能力應高于“浮動端”軸承。
圖2 調心滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承的區別
3.考慮實際工況和軸向載荷
錐型傘齒輪傳動與斜齒輪較為相似，齒輪嚙合時也會產生較大的軸向載荷，軸承選型也應參考實際工況與軸向載荷大小。人字形齒輪傳動可當作成對使用但旋向相反的錐齒輪應用，人字形齒輪嚙合時不會產生軸向推力，在軋機齒輪箱中應用較廣。選用人字形齒輪嚙合傳動時，輸入與輸出軸只需設置一個“固定端”軸向定位齒輪即可，其余位置均應設為“浮動端”。“浮動端”軸承可采用圓柱或調心滾子軸承，“固定端”應選用軸向承載能力較強的雙列圓錐滾子軸承。軸承優化選型設計如圖3所示，“浮動端”軸承均采用單列圓柱滾子軸承。另外，在高速棒線材軋機齒輪箱應用中，高速輸入軸經常采用特殊設計的雙列圓錐滾子軸承來勝任高轉速、頻繁加速、減速、正轉及反轉等苛刻軸承應用條件。
圖3 人字形齒輪傳動軸承優化選型
4.考慮足夠的承載能力
軸承選型時除正確選擇軸承類型外，所選軸承是否具有足夠的承載能力也是要考慮的關鍵因素。計算軸承受力得出軸承理論壽命是最常用的衡量軸承承載能力的方法。冶金齒輪箱根據不同的應用，一般都會有軸承最低理論壽命的要求，例如有些齒輪箱要求軸承最低壽命不低于5萬h，有些應用要求不低于3萬h。通常在計算軸承壽命時，為得到保守軸承壽命，一般軸承旋轉速度選用平均工況條件轉速來替代最高旋轉速度。齒輪箱傳動在功率恒定條件下，轉速降低會導致扭矩提高，而扭矩提高會導致軸承受力變大。軸承壽命與轉速成1∶1反比關系，但與受力成10倍關系，即軸承受力增大一倍，軸承壽命會降低10倍。對于一些重載及轉速較低的應用，理論軸承壽命結果通常無法真實反映軸承性能，通常主要考慮軸承額定當量與軸承受力比值是否大于安全系數，更精確的方法是通過分析軟件計算軸承滾子的最大接觸應力。
軸承公差配合
冶金齒輪箱軸承通常處于重負載、沖擊載荷、高轉速或低轉速等苛刻的運行環境中，正確地選取軸承公差配合不僅利于軸承的安裝，同時可確保重載和沖擊載荷條件下軸承不會出現跑圈情況。一般來說，軸承旋轉部件采用過盈配合，靜止不動的部件采用間隙配合。軸承實際過盈配合范圍不僅根據軸承大小變化，而且在重載和高轉速應用條件下應采用比常規應用條件更大的過盈配合。在選用英制圓錐滾子軸承時，應注意英制軸承與公制軸承自身公差帶的差異而相應調整配合軸及軸承座公差尺寸的范圍。英制軸承內外圈直徑公差范圍均為“加公差”，與公制軸承正好相反。若軸與軸承座公差范圍依然按照公制軸承選取，英制軸承內外圈均會出現過渡配合情況，導致軸承外圈安裝困難而內圈易跑圈，影響軸承使用壽命。英制軸承具體公差配合尺寸應參照軸承供應商推薦尺寸。與英制軸承相比，公制大尺寸軸承公差配合選取較為簡單，對于重載、軸承內圈旋轉外圈靜止的應用條件，內徑尺寸范圍320~500mm的大尺寸調心或圓柱滾子軸承，軸可采用r6公差范圍。對于內徑尺寸超過500mm的調心或圓柱滾子軸承，軸可采用r7公差范圍。調心或圓柱滾子軸承座公差范圍均可選用H7或G7。
軸承初始游隙
圓錐滾子軸承初始游隙與球軸承、調心和圓柱滾子軸承定義不同，是指軸向游隙(BEP)，其他軸承均為徑向游隙(RIC)。軸承的初始游隙決定了軸承安裝及運轉后的工作游隙。軸承的游隙決定了軸承工作承載區的大小，軸承初始游隙選擇太大會導致軸承工作承載區偏小，即承受力的滾子數量較少，導致軸承壽命降低。
圓錐滾子軸承游隙選擇太大還可能出現滾子磨損或撞擊保持架，導致保持架斷裂的情況發生。軸承初始游隙選擇太小會導致軸承發熱嚴重，出現軸承抱死和燒毀等情況。
冶金齒輪箱軸承初始游隙應根據軸的過盈配合量及軸承最高旋轉速度推算得出。當齒輪箱軸承內圈與軸過盈配合時，軸承內圈外徑會膨脹并吃掉部分初始游隙，初始游隙減掉過盈配合損失的游隙即為軸承的安裝游隙(MEP)。一般對于內徑尺寸不超過400mm的英制雙列圓錐滾子軸承，安裝后的游隙范圍應不大于0.5mm。對于內徑超過400mm的大尺寸軸承，安裝后的最大游隙范圍可放大到0.6mm左右。
冶金齒輪箱軸承初始游隙選擇一般不考慮環境溫度，而只考慮軸承內外圈差值溫度，因為環境溫度會導致軸熱膨脹，但軸承座環境溫度的影響也會導致熱膨脹。軸承安裝后的游隙(MEP)減掉軸承內外圈差值溫升吃掉的游隙，得到最終軸承運行游隙(OPE)。冶金齒輪箱大圓錐滾子軸承出于安全考慮，最終運行游隙一般不允許出現負游隙。公制圓柱與調心滾子軸承初始游隙的選取方法與圓錐滾子軸承類似但更簡單，通常對于大尺寸、軸承內圈過盈配合、外圈間隙配合和重載應用條件，軸承初始游隙可采用標準C3游隙范圍。
軸承安裝尺寸
軸承的安裝尺寸主要包括軸肩與軸承座擋肩直徑尺寸，以及軸與軸承座最大倒角半徑。對于圓錐滾子軸承，安裝尺寸還包括保持架安全間隙尺寸。軸肩與軸承座擋肩直徑尺寸應嚴格按照軸承要求選取，適當的尺寸可確保軸承端面有足夠的接觸面積，該尺寸太大或太小都會影響軸承使用。齒輪軸與軸承座最大倒角半徑應小于軸承自身內外圈倒角半徑，軸與軸承座倒角半徑過大會導致軸承無法安裝到位，造成內外圈歪斜，影響軸承的正常使用。總之，在設計冶金齒輪箱時，應重視軸承的安裝尺寸，不應隨意增加或減少規定尺寸。
冶金齒輪箱苛刻的運行環境對配用的軸承提出了更為嚴格的要求，采用高性能的軸承并正確使用軸承是確保齒輪箱連續可靠工作的前提條件。本文通過對冶金齒輪箱軸承選型、公差配合、初始游隙及安裝尺寸等要點作簡單介紹，可供冶金齒輪箱設計人員及設備維護人員參考。