高頻破碎器調(diào)心滾子軸承失效分析

蔡家斌，劉 文，丁成波，韋昌輝

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州弘灃眾志工程機(jī)械有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

1 引言

高頻破碎器是一種由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)偏心塊從而產(chǎn)生偏心力的礦山機(jī)械設(shè)備，其多運(yùn)用于礦山的巖石破碎、公路路面破碎重建以及混泥土構(gòu)建的房子拆毀工況下[1]。軸承作為高頻破碎器里面的關(guān)鍵部件，其壽命的長(zhǎng)短直接影響高頻破碎器的工作效率。某廠高頻破碎器的液壓馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速約為1200r/min，所用的軸承為調(diào)心滾子軸承，型號(hào)為22322CA，在使用了兩個(gè)月左右之后，高頻破碎器的調(diào)心滾子軸承發(fā)生失效，其軸承座孔出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，保持架出現(xiàn)了磨損、斷裂現(xiàn)象，滾子發(fā)生了間斷性凹坑，嚴(yán)重影響了該廠的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品信譽(yù)。文章主要從軸承外觀的粗視檢查、微觀變形測(cè)量以及有限元仿真驗(yàn)證等方面對(duì)軸承失效作分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 軸承失效分析

2.1 軸承的安裝

調(diào)心滾子軸承的安裝，如圖1所示。軸的兩端分別由一個(gè)調(diào)心滾子軸承支撐，由軸承座緊固，整個(gè)齒輪箱里面注滿飛濺式潤(rùn)滑油，軸承座上開有小孔。當(dāng)齒輪和與之相連的偏心塊高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)攪動(dòng)潤(rùn)滑油，使之飛濺進(jìn)入軸承座小孔，最終潤(rùn)滑軸承。整個(gè)油腔是密閉的，排除了異物進(jìn)入油腔最終導(dǎo)致軸承損壞失效的可能。

圖1 軸承安裝示意圖Fig.1 Bearing Installation Diagram

2.2 軸承的粗視分析

調(diào)心滾子軸承的外圈軌道面與滾子相接觸，外圈軌道面及放大圖，如圖2（a）所示。外圈軌道面呈現(xiàn)間斷沖擊傷痕，軌道面凹凸不平，且出現(xiàn)了咬粘變色。軸承滾子凸面，如圖2（b）所示。出現(xiàn)了間斷性凹坑，這是由于在高速?zèng)_擊載荷下，滾子受力過(guò)大導(dǎo)致變形，且滾子兩端面磨損變色嚴(yán)重，說(shuō)明由于潤(rùn)滑不足出現(xiàn)咬粘現(xiàn)象。調(diào)心滾子軸承的保持架，如圖2（c）所示。保持架完全斷裂，兜孔磨損變形嚴(yán)重，兜孔倒角應(yīng)力集中處也產(chǎn)生裂紋。這是由于軸承在滾子變形，受力不均的情況下，發(fā)生了偏載，加上液壓馬達(dá)的大扭矩作用，保持架不能承受力的作用而發(fā)生斷裂失效。通過(guò)粗視分析，可以初步推斷軸承的失效是由于大沖擊載荷造成的。一是大沖擊載荷造成了軸承的滾子、內(nèi)外圈變形，加上軸向載荷，使其受力不均，發(fā)生偏載而導(dǎo)致保持架斷裂。二是變形的滾子擠壓油膜使其破裂，造成潤(rùn)滑不良，摩擦形成高溫而使軸承發(fā)生咬粘。

圖2 軸承外觀粗視圖Fig．2 Sketchy View of Bearing Appearance

2.3 軸承的微觀變形測(cè)量

2.3.1 內(nèi)外徑檢測(cè)

假設(shè)軸承的內(nèi)外圈兩側(cè)分別為M側(cè)和N側(cè)，每側(cè)分為四個(gè)點(diǎn)檢測(cè)其變形后的實(shí)際直徑與未變形前的直徑偏差，其結(jié)果，如表1所示。從表1可以看出，調(diào)心滾子軸承的內(nèi)外圈都已變形和超差，尤其軸承的內(nèi)圈，N側(cè)與規(guī)格值相比變形了2倍多，說(shuō)明軸承在大沖擊載荷下出現(xiàn)了變形。

表1 軸承內(nèi)外徑測(cè)量結(jié)果Tab.1 The Bearing Inner Diameter Measurement Results

2.3.2 母線測(cè)量

母線即為調(diào)心滾子軸承的外圈軌道面、內(nèi)圈軌道面以及滾子的素線，測(cè)量其形狀，可以了解到調(diào)心滾子軸承內(nèi)部接觸區(qū)域的變形情況。從圖3（a）可以看出，外圈軌道面M側(cè)磨損嚴(yán)重，深度約為40μm，N側(cè)軌道面磨損較輕，深度約為10μm。從圖3（b）可以看出，內(nèi)圈軌道面M側(cè)靠近中央位置磨損嚴(yán)重，深度約為30μm，N側(cè)也是靠近中央位置磨損嚴(yán)重，深度約為20μm。由圖3（c）可以看出，滾子靠近中央地區(qū)變形比較嚴(yán)重，且出現(xiàn)規(guī)律性凹坑，其中一個(gè)凹坑深度約為30μm。通過(guò)微觀變形測(cè)量，可以判斷出軸承所承受的沖擊載荷過(guò)大，從而導(dǎo)致了內(nèi)外圈和滾子不同程度的變形；同時(shí)，從內(nèi)外圈、滾子的溝槽深度和母線形狀可以推斷出軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于潤(rùn)滑不良，致使各零部件之間產(chǎn)生了不同程度的摩擦磨損。

圖3 軸承母線測(cè)量圖Fig．3 Bearing Bus Measurement

2.4 軸承有限元分析

軸承的有限元分析是從數(shù)值分析的角度，剝離軸承失效的各種影響因素，單純查看大沖擊載荷對(duì)軸承變形的影響，從而將模擬得出的數(shù)值與實(shí)際測(cè)量的數(shù)值比較，來(lái)驗(yàn)證推論的正確性。調(diào)心滾子軸承的具體參數(shù)，如表2所示。

表2 調(diào)心滾子軸承相關(guān)參數(shù)Tab.2 Spherical Roller Bearings Related Parameters

2.4.1 建立有限元模型

由于調(diào)心滾子軸承的圓角和倒角等結(jié)構(gòu)對(duì)接觸應(yīng)力分布的影響小，建模時(shí)可以將其忽略[2]；為了降低有限元分析時(shí)的收斂難度，此分析不考慮保持架的影響[3]。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。若網(wǎng)格質(zhì)量好，可以將誤差降低到最小[4]，采用自動(dòng)網(wǎng)格化分，內(nèi)外圈的網(wǎng)格尺寸為4mm，滾子的尺寸為2mm，其質(zhì)量檢查結(jié)果為：網(wǎng)格單元值0．88占主要比例，縱橫比接近于1，雅克比率接近2。選取滾動(dòng)體表面作為接觸面，滾道面作為目標(biāo)面[5]。根據(jù)軸承的實(shí)際工作情況，選擇接觸類型為摩擦非對(duì)稱接觸，摩擦系數(shù)為0．002，法相接觸剛度因子取1，接觸算法為增廣拉格朗日算法[4]。調(diào)心滾子軸承實(shí)際工作中是外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)軸承外圈外圓面施加固定約束；為模擬滾動(dòng)軸承在軸上的裝配情況，分別約束外環(huán)與內(nèi)環(huán)側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)軸向的平動(dòng)自由度；為模擬保持架對(duì)滾珠的限制作用，在柱坐標(biāo)系下約束每個(gè)滾子與內(nèi)、外滾道接觸點(diǎn)連線上所有節(jié)點(diǎn)的軸向與周向自由度[6]；與此同時(shí)，在軸承內(nèi)徑面上施加沖擊載荷和旋轉(zhuǎn)速度，為模擬重力作用，對(duì)軸承施加Z負(fù)方向的重力加速度。

2.4.2 有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果，如圖4所示。從圖可看出，軸承的最大變形量出現(xiàn)在軸承內(nèi)圈，變形量為43.24μm，與測(cè)量的內(nèi)圈偏差值48μm相比，誤差為11%，由探針可以測(cè)量到受到最大接觸力的滾子最大變形量為27.6μm，與測(cè)量的值30μm相差4.6μm，誤差為8%，軸承的最大等效應(yīng)力與等效變形均出現(xiàn)在滾子上，分別為695MPa和0.00362，因此可以看出，滾子是最容易出現(xiàn)塑性變形而失效的部件。通過(guò)有限元仿真，得到了軸承的內(nèi)外圈、滾子的變形量以及接觸應(yīng)力，驗(yàn)證了前文提到的沖擊載荷過(guò)大造成了軸承失效的推斷，但有限元仿真和實(shí)際測(cè)量還存在產(chǎn)生誤差，這是因?yàn)?，有限元仿真只考慮單純的受力變形，不考慮變形后各零部件之間的摩擦磨損的影響，與實(shí)際中由于潤(rùn)滑不良而產(chǎn)生軸承零部件磨損還是有區(qū)別的。

圖4 有限元分析云圖Fig.4 Finite Element Analysis Cloud Chart

2.5 軸承的失效分析

在高頻破碎器運(yùn)行之初，其工作是正常的，說(shuō)明安裝過(guò)程是正確的，沒有對(duì)其產(chǎn)生影響[7]；在工作兩個(gè)月左右就出現(xiàn)了保持架斷裂、滾子變形等失效情況，這說(shuō)明故障是在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生并迅速加劇的。從軸承的安裝、粗視分析、微觀變形測(cè)量以及有限元仿真來(lái)看，調(diào)心滾子軸承的失效主要是由于沖擊載荷過(guò)大導(dǎo)致滾子變形發(fā)生偏載以及油膜破裂摩擦形成高溫等因素綜合造成。一方面，高頻破碎器由于處在重載、大沖擊載荷等惡劣工況下，其內(nèi)外圈、滾子等都出現(xiàn)了不同程度的塑性變形，再加上斜齒輪傳遞過(guò)來(lái)的軸向力作用，致使軸承軌道區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力，高表面摩擦切應(yīng)力和大量的摩擦熱量[8]。塑性變形以及熱膨脹導(dǎo)致軸承的受力不均勻，致使軸承在1200r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下形成偏載，偏載不但造成各列滾子間的載荷分配不均，還會(huì)引起單列滾子歪斜及打滑，造成局部應(yīng)力集中，使?jié)L子及相應(yīng)內(nèi)、外滾道部分區(qū)域疲勞，同時(shí)，滾子將與保持架、內(nèi)圈、外圈產(chǎn)生干涉[7]，在液壓馬達(dá)扭矩作用下，造成保持架斷裂，軸承卡死。另一方面，沖擊載荷下軸承內(nèi)部油膜很容易破裂，油膜破裂情況下滾子和滾道之間擠壓摩擦產(chǎn)生大量的摩擦熱，潤(rùn)滑油無(wú)法帶走更多的熱量，致使?jié)L子和內(nèi)、外圈溫度升高。軸承溫升反過(guò)來(lái)破壞已形成的潤(rùn)滑油膜，會(huì)出現(xiàn)滾子與套圈的干擦產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多，內(nèi)、外圈與滾子溫度急劇升高，高溫致使軸承材料的組織和強(qiáng)度發(fā)生變化，所以出現(xiàn)了內(nèi)圈與外圈軌道的咬粘、蠕變等現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)調(diào)心滾子軸承的失效分析，發(fā)現(xiàn)軸承主要是因?yàn)榇鬀_擊載荷而產(chǎn)生了失效，因此從提高軸承承載能力和加強(qiáng)軸承潤(rùn)滑兩方面提出改進(jìn)措施：一方面，提高當(dāng)前破碎器軸承的潤(rùn)滑能力，增加油膜厚度是一種可行的辦法。前文已提到過(guò)軸承的潤(rùn)滑是飛濺式潤(rùn)滑，由于軸承座孔太小，飛濺式進(jìn)油時(shí)油量太小，無(wú)法適應(yīng)高速高重載下油量的需求，因此在保證軸承座承載能力的范圍內(nèi)，改變軸承座孔的結(jié)構(gòu)，將原來(lái)的四個(gè)開孔如圖5（a）改為六個(gè)如圖5（b），孔前增加三角形開口，用來(lái)收集更多的潤(rùn)滑油。另一方面，選取承載能力更強(qiáng)的大型號(hào)軸承，由于高頻破碎器結(jié)構(gòu)的限制，加上兩齒輪軸相隔太近，不能無(wú)限制增大軸承尺寸，查軸承樣本，可以選擇22324CA軸承，其內(nèi)徑為120mm，外徑為260 mm，寬度為86mm，但受載能力比22322CA提高了18%。

圖5 軸承座改進(jìn)圖Fig.5 Bearing Pedestal Change Figure

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)失效的調(diào)心滾子軸承外觀作粗視分析，對(duì)內(nèi)外圈變形量以及滾子母線精密測(cè)量，再和有限元仿真結(jié)果對(duì)比論證，最終確定軸承失效的主要原因是由于沖擊載荷過(guò)大造成的。（2）針對(duì)失效原因，從承受大沖擊載荷和增加油膜厚度兩方面提出了相應(yīng)的改善措施，一是增加軸承座進(jìn)油孔數(shù)量，二是更換為22324CA調(diào)心滾子軸承。

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