基于軸系尺寸鏈設置缺陷導致機械系統失效后的改進分析

佐景濤 ， 趙 燕 ， 劉紅莉 ， 劉雨健

（中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000）

0 引言

機械系統中軸系的支承均由滾動軸承來完成，軸系的支承結構設計對于保證軸的運轉精度、發(fā)揮軸承的工作能力至關重要。支承結構的設計需要綜合考慮軸承的位置、軸向位置的限定與調整、軸的熱膨脹補償、軸承游隙調整、軸承的緊固、軸承的潤滑和密封等問題，而根據工況設計的旋轉機械系統支承類型以及軸系尺寸鏈配置合理與否都將直接影響系統的可靠運轉。

軸承失效的原因復雜，機理多變，但是隨著失效的發(fā)展，其真實原因往往會被掩蓋，因此，軸承失效診斷技術研究近年來發(fā)展較快，診斷方法基本上以滾動軸承的失效模式分類為目標，針對振動信號的非平穩(wěn)性特點進行信號分析以確定失效模式[1-8]，但存在失效識別率不高的問題。目前，軸承失效分析還不能做到事前預防和診斷，僅能做到事中監(jiān)控、事后分析。隨著摩擦學研究的發(fā)展，在描述軸承失效機理和失效模式方面的新知識顯著增長，滾動軸承失效模式分類日趨完善，一般可以分為6大類，即疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂和開裂[9]。而軸承失效的原因是多方面的，比如軸承設計和選材不當、機械系統設計存在缺陷、軸承過載、潤滑不足、軸承銹蝕、電流泄漏、軸承安裝使用不當、外來異質顆粒等。軸承失效分析的源頭首先應從其機械系統合理性入手，然后以軸承失效形貌、理化分析為切入點開展全過程的逐一排查分析，最終找出失效原因，確定改進措施和建議，避免問題重復發(fā)生。

1 油霧分離器結構及工況條件

本裝置屬于機械傳動式離心油霧分離器，由高速旋轉的轉子和殼體組成，結構如圖1所示。油霧混合物由入口進入轉子后，在離心力的作用下，滑油沿著殼體上的螺旋槽流回附件傳動機匣內，實現滑油的重復再利用，同時減少滑油消耗量，分離出的空氣由軸上的孔進入氣腔，由通氣系統排出。

圖 1 油霧分離器Fig.1 Oil mist separator

機械系統的工作溫度為150 ℃，轉速為11 300 r/min，上端軸承僅承受軸系不平衡產生的徑向旋轉載荷，下端軸承承受軸系自重產生的軸向力以及軸系不平衡產生的徑向旋轉載荷。本機械系統僅由下端軸承承受較小的軸向載荷，支承結構采用雙軸承組成（圖2），軸的徑向位置由2個支承共同限定，軸向位置采用兩端固定支承，其中一端軸承外圈端面與外殼孔之間預留適當的軸向間隙δ，以適應軸的熱伸長。

圖 2 兩端固定支承Fig.2 Fixed support at both ends

2 油霧分離器失效分析定位

油霧分離器安裝于主機跑和跑用試車2 h后發(fā)現滑油光譜中金屬含量超標，理化分析后確認金屬屑中含有軸承材料，分解后發(fā)現上端軸承旋轉卡滯。

2.1 失效件形貌

軸承外圈滾道接觸軌跡略偏向非打字面，外圈滾道靠近非打字面一側存在局部金屬膠合現象，該側滾道邊緣有碾擴堆邊現象（圖3），滾道表面未見剝落。外圈其他表面外觀正常。

圖 3 外圈滾道膠合Fig.3 Outer raceway agglutination

軸承內圈滾道靠近打字面一側圓周遍布金屬膠合，形成了明顯的套圈滾道表面爬坡現象，與外圈滾道表面高溫膠合位置相對，該側滾道邊緣有碾擴堆邊現象，同時內圈外徑圓周表面存在寬約2 mm的高溫變色（圖4）。鋼球已產生嚴重的高溫碾壓變形（圖5）。

2.2 組織檢測

失效軸承套圈、滾動體材料均為電渣重溶冶煉的甲組軸承鋼（ZGCr15–軍甲61）制造。套圈加工工藝路線為車加工成型→熱處理→磨加工→酸洗→除氫→磁粉檢測→精研滾道→提交，熱處理采用850 ℃淬火+250 ℃回火，硬度要求為HRC 58～62，組織要求為1～4級；滾動體加工路線為冷沖壓成型→去應力退火→軟磨→熱處理→硬磨→酸洗→除氫→精研→渦流檢測→超精研→提交，熱處理采用850 ℃淬火+150 ℃回火，硬度要求為HRC 62～66，組織要求為1～4級。鑒于軸承高溫失效必將使軸承套圈、滾動體相關理化指標被破壞，為進一步查明失效原因，對套圈和滾動體開展組織檢測。

外圈：觀察軸向試樣截面組織，滾道表面淺表層存在白亮層組織，深約0.03 mm，總體位置略偏向非打字面一側，屬于高溫二次淬火組織轉變，與其毗鄰的黑色區(qū)域為二次回火區(qū)域（圖6a）。

內圈：觀察軸向試樣截面組織，偏離溝底一側的滾道表面存在明顯的月牙形白亮層二次淬火組織，位置明顯偏向打字面一側，與外圈滾道白亮層相對，最深處約為0.57 mm，白亮層表面存在裂紋（圖 6b）。

鋼球：觀察鋼球截面組織，鋼球表面存在明顯的月牙形白亮層二次淬火組織，最深處約為0.90 mm，白亮層表面存在裂紋（圖6c）。

圖 4 內圈滾道膠合Fig.4 Inner raceway agglutination

圖 5 鋼球碾壓變形Fig.5 Ball rolling compaction

圖 6 外圈滾道、內圈滾道及鋼球截面組織Fig.6 Section metallurgical structure of outer raceway, inner raceway and ball

2.3 失效定位

通過外觀形貌檢查發(fā)現，失效軸承外圈滾道膠合位置與內圈滾道膠合位置相對，且對應位置的滾道邊緣有碾擴堆邊現象，組織檢測發(fā)現外圈和內圈滾道表面白亮層相對位置與外觀形貌檢查結果一致，以上跡象表明軸承在運轉過程中產生了爬坡。軸承外圈、內圈、鋼球組織已經明顯轉變，在套圈滾道截面可見偏溝月牙形白亮層二次淬火組織，與其相鄰的高溫回火組織硬度明顯降低，屬軸承零件在高溫作用下的組織轉變。綜上所述，該失效是由于軸承在過大軸向附加載荷作用下產生爬坡，使軸承內部磨損加劇，進而導致軸承高溫失效。

該型軸承屬深溝球軸承，在工作過程中主要承受徑向載荷，正常情況下鋼球與滾道的接觸軌跡應居于滾道底部（即溝底）。失效軸承在工作過程中承受過大附加軸向載荷，鋼球與滾道接觸位置異常，類似于角接觸球軸承工作狀態(tài)，使軸承摩擦磨損加劇，軸承內部溫度急劇升高，軸承零件在運轉過程中相互碾壓、變形，形成了失效模式中常見的典型爬坡形貌，進而導致軸承工作表面產生高溫失效。

3 油霧分離器軸系尺寸鏈設置分析

機械系統是由零部件組成，只有零部件之間保持正確的尺寸和位置關系，才能保證機械系統順利進行裝配，并能滿足預設的功能要求。從機械系統裝配考慮，可以運用尺寸鏈理論來協調各個零部件的有關尺寸和位置關系，合理地確定有關零部件的尺寸精度和形位精度[10]。

失效軸承的軸向附加載荷來源有可能與油霧分離器軸系尺寸鏈設置直接相關，因此，需對油霧分離器裝配尺寸鏈進行核算，進而查明問題。為驗證裝配尺寸鏈設置的正確性，根據完全互換原則，采用正計算法，以各組成環(huán)Li（零件）不需選配為前提，即各零件裝入后滿足封閉環(huán)的精度要求[11]。

油霧分離器裝配尺寸鏈中的增環(huán)由上下殼體軸向尺寸、石棉墊寬度尺寸組成，分別為L1=16+0.1mm、L2=0.5±0.1 mm（石棉墊寬度尺寸）、L3=73+0.2mm。減環(huán)由軸系配置尺寸組成，分別為L4=12?0.12mm、L5=4.5±0.04 mm、L6=1.8±0.04 mm、L7=3.5±0.04 mm、 L8=58.5?0.2mm、 L9=9?0.12mm。兩者間接保證的尺寸為上端軸承外圈端面與殼體孔之間的間隙δ，該尺寸即為封閉環(huán)，見圖7。

圖 7 油霧分離器裝配尺寸鏈Fig.7 Dimension chain of oil mist separator assembly

分別進行計算：

由此可知，上端軸承外圈端面與殼體孔之間的間隙δ為?0.02～1.16 mm，由計算結果可以看出，在極限公差條件下，上端軸承外圈端面與殼體孔之間存在0.02 mm的干涉。

本核算的前提條件設定如下：1）上下殼體裝配后，石棉墊尺寸壓縮量b設定為0.1 mm；2）由于機械系統裝配后上下支點軸承軸向游隙可以相互補償，因此本核算忽略上下支點軸承軸向游隙對封閉環(huán)尺寸影響；3）考慮軸的熱伸長影響，計算軸在工作溫度下的整體伸長量。

針對軸的熱伸長量進行核算，軸的材料為12CrNi3A，該材料在20～150 ℃線膨脹系數a可取 13.0×10?6℃?1，軸的尺寸 L 為 110 mm，軸的熱伸長量 ΔL=a×Δt×L=13.0×10?6×（150?20）×110=0.185 9 mm。

考慮相關影響因素后，上端軸承外圈端面與殼體孔之間的間隙 δ=(?0.02～1.16)?b?ΔL=(?0.02～1.16)?0.1?0.185 9=?0.31～0.87 mm。

通過尺寸鏈核算可確認，失效軸承所受過大軸向載荷應與軸系軸向尺寸鏈設置不合理有關，將石棉墊尺寸壓縮量和軸的熱伸長量納入考慮后，上端軸承外圈端面與殼體孔之間最大干涉可達0.31 mm。

4 油霧分離器改進措施及建議

鑒于機械系統軸系尺寸鏈設置不合理，使兩端固定支承結構中的上端軸承外圈端面與殼體孔之間產生干涉，進而使軸承承受過大軸向載荷導致軸承高溫失效的問題，可從如下幾個方面進行改進：

1）機械系統裝配前對零件進行選配；

2）調整并壓縮相關零件公差；

3）在不壓縮各相關零件公差的前提下，調增石棉墊厚度尺寸，實現零件裝配的完全互換。建議：應針對機械系統裝配后的軸承外圈端面與殼體孔之間的間隙進行檢測，確保其數值大于軸的熱伸長量與石棉墊壓縮量之和。

5 結論

1）機械系統中軸承機構設計應選取合理的安裝配合、軸承配置方案、軸系尺寸鏈、軸向串動間隙等。

2）多方位驗證合理性，開展邊界尺寸和極限工況核算，消除由原始設計缺陷導致機械系統失效的風險。