圓柱滾子軸承故障分析與改進(jìn)

范國星，于慶杰，公 平，劉新宇，閆國斌

（1.空裝駐哈爾濱地區(qū)第一軍事代表室，哈爾濱 150066；2.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025）

0 引言

航空軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)節(jié)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起關(guān)鍵作用。軸承在工作中將面臨超高轉(zhuǎn)速、超高溫、超寬載荷變動(dòng)范圍的嚴(yán)苛條件，所以對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度、安裝使用等要求極高[1-2]。在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中，受加工與安裝精度、工作溫度分布、受載變形等因素影響[3-4]，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲與傾斜，軸承內(nèi)圈與外圈會(huì)產(chǎn)生傾斜角，不對(duì)中運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其對(duì)于圓柱滾子軸承，在較大的傾斜狀態(tài)下工作，會(huì)發(fā)生邊緣接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致早期失效。失效磨損主要表現(xiàn)為疲勞剝落、磨損等[5-7]。文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)滾子軸承傾斜狀態(tài)說明了數(shù)值計(jì)算理論，沒有考慮滾道長度影響；文獻(xiàn)[10]對(duì)滾子軸承不同滾子修形方式下的軸承受載狀態(tài)進(jìn)行研究，也沒有考慮滾道長度影響。本研究主要針對(duì)失效軸承開展失效因素分析，考慮滾道長度的影響，提出軸承抗傾斜角計(jì)算方法，分析傾斜狀態(tài)下接觸應(yīng)力，確定增加滾道長度及滾子凸度量的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過程

主軸軸承在使用過程中發(fā)生失效，軸承分解后發(fā)現(xiàn)所有滾子均在同一側(cè)發(fā)生剝落，剝落坑最大尺寸約2.1 mm（周向）×1.3 mm（軸向），剝落位置距滾子倒角邊緣約1 mm，滾子剝落形貌如圖1 所示，與滾子剝落側(cè)同側(cè)的軸承內(nèi)圈滾道邊緣存在擠壓磨損現(xiàn)象（圖2）。外圈滾道有偏一側(cè)的接觸印記，保持架整體完好。

圖2 內(nèi)圈滾道邊緣擠壓磨損形貌Fig.2 Extrusion wear morphology of inner raceway edge

圖1 滾子剝落形貌Fig.1 Roller spalling morphology

1.1 宏觀觀察

采用體式顯微鏡進(jìn)行觀察，滾子剝落區(qū)形貌見圖3a，內(nèi)圈滾道磨損邊緣形貌見圖3b，可見輕微剝落。

圖3 失效軸承宏觀形貌Fig.3 Morphology of failure bearing

根據(jù)軸承內(nèi)滾道磨損位置、滾子剝落位置及外滾道接觸印記判斷，軸承在工作中存在一定偏載，導(dǎo)致滾子工作面與滾道邊緣接觸，引起軸承失效。軸承結(jié)構(gòu)及失效位置見圖4。

圖4 軸承結(jié)構(gòu)及失效位置Fig.4 Bearing structure and failure location

1.2 復(fù)查情況

針對(duì)故障軸承從原材料、設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量等多方面進(jìn)行復(fù)查，軸承零件組織、硬度合格，符合熱處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，軸承加工、檢測(cè)符合圖紙要求。對(duì)于軸承安裝使用及軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下2 點(diǎn)因素?zé)o法排除：1）軸承在安裝使用過程中軸承內(nèi)圈與外圈軸線不對(duì)中，即有較大傾斜角；2）軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗傾斜能力的裕度不足。

2 測(cè)量與計(jì)算分析

2.1 內(nèi)圈與外圈傾斜角測(cè)量

通過對(duì)故障軸承外徑及內(nèi)徑的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)尺寸重復(fù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，外圈測(cè)量點(diǎn)1 尺寸小于測(cè)量點(diǎn)2 的尺寸，內(nèi)圈測(cè)量點(diǎn)3 的尺寸大于測(cè)量點(diǎn)4 的尺寸，即軸承內(nèi)圈與外圈均產(chǎn)生了錐度變形，通過計(jì)算，外圈傾斜角最大為4′，內(nèi)圈傾斜角最大為1.5′，即軸承內(nèi)圈與外圈的傾斜角度為5.5′。軸承傾斜示意圖見圖5。

圖5 軸承傾斜示意圖Fig.5 Schematic diagram of bearing tilt

2.2 軸承抗偏斜角計(jì)算

該主軸軸承滾子采用平直?圓弧修形，滾子輪廓示意圖如圖6 所示。滾子凸度量δ與凸度半徑R換算公式為：

圖6 滾子輪廓示意圖Fig.6 Schematic diagram of roller profile

式中：L為滾子總長度，Lw為 滾子平直段長度，r為滾子倒角。

從圖4 的軸承結(jié)構(gòu)圖可以看出，軸承內(nèi)圈滾道長度小于滾子長度，外圈滾道長度大于滾子長度。當(dāng)內(nèi)圈與外圈產(chǎn)生傾斜角θ時(shí)，假定2 種極限情況：1）滾子與外滾道平行接觸，與內(nèi)滾道形成最大允許傾斜角θi；2）滾子與內(nèi)滾道平行接觸，與外滾道形成最大允許傾斜角 θ0。

1）與內(nèi)滾道形成最大允許傾斜角θi。

滾子與內(nèi)滾道極限接觸示意圖如圖7 所示，由于內(nèi)滾道長度小于滾子長度，產(chǎn)生最大傾斜角時(shí)，內(nèi)滾道邊緣將與滾子圓弧段相切接觸于C點(diǎn)，A點(diǎn)為滾子平直段與圓弧段的交點(diǎn)，A點(diǎn)到D點(diǎn)的長度等于C點(diǎn)到D點(diǎn)的長度，均為滾子凸度半徑R，作直線AB垂直與CD，直線AB的長度為：

圖7 滾子與內(nèi)滾道極限接觸示意圖Fig.7 Schematic diagram of the extreme contact between roller and inner raceway

與內(nèi)滾道形成最大傾斜角為：

式中，Li為內(nèi)滾道有效長度，Lw為滾子平直段長度。

2）與內(nèi)滾道形成最大允許傾斜角θ0。

滾子與外滾道極限接觸示意圖如圖8 所示，由于外滾道長度大于滾子長度，產(chǎn)生最大傾斜角時(shí)，滾子圓弧段與倒角的交點(diǎn)將與外滾道相切接觸于E點(diǎn)，A點(diǎn)為滾子平直段與圓弧段的交點(diǎn)，A點(diǎn)到H點(diǎn)的長度等于E點(diǎn)到H點(diǎn)的長度，均為滾子凸度半徑R，作直線EF垂直與AH，直線EF的長度為：

圖8 滾子與外滾道極限接觸示意圖Fig.8 Schematic diagram of the extreme contact between roller and outer raceway

與外滾道形成最大傾斜角為

式中：L為滾子總長度，Lw為 滾子平直段長度，r為滾子倒角。

以上分析推導(dǎo)為不考慮彈性變形情況下的幾何關(guān)系計(jì)算，軸承最大允許傾斜角為θi與θ0取小值。

該主軸軸承參數(shù)如表1 所示。

表1 軸承參數(shù)Table 1 Bearing parameter

根據(jù)式（3）、式（5）計(jì)算，軸承允許傾斜角見表2。

根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果可知，軸承設(shè)計(jì)允許傾斜角小于故障軸承的工作傾斜角5.5′。將產(chǎn)生滾子圓弧段與內(nèi)滾道邊緣接觸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

表2 軸承允許傾斜角Table 2 Allowable tilt angle of bearing

2.3 軸承接觸應(yīng)力計(jì)算

軸承工作最大徑向載荷為13 kN，根據(jù)Romax Designer 軟件計(jì)算滾動(dòng)體最大接觸載荷為2.419 kN，采用有限元軟件建立內(nèi)圈與外圈形成5.5′傾斜角的分析模型并對(duì)接觸區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化[11]，軸承簡(jiǎn)化模型及網(wǎng)格細(xì)化見圖9。

圖9 軸承簡(jiǎn)化模型及網(wǎng)格細(xì)化Fig.9 Simplified bearing model and mesh refinement

各接觸對(duì)設(shè)定摩擦接觸，對(duì)軸承外圈設(shè)置固定約束，在內(nèi)圈內(nèi)徑面施加載荷，并進(jìn)行分析求解[12-13]，得到傾斜狀態(tài)下的接觸應(yīng)力分布如圖10所示，從圖中可以看出，最大接觸應(yīng)力為2225.7 MPa，位置出現(xiàn)在滾道邊緣，應(yīng)力值超過2000 MPa，不滿足材料長時(shí)間工作要求。

圖10 傾斜狀態(tài)下的接觸應(yīng)力分布Fig.10 Contact stress distribution in tilted state

根據(jù)上述分析可知，軸承設(shè)計(jì)允許傾斜角小于軸承實(shí)際工作傾斜角，產(chǎn)生滾子圓弧段與內(nèi)滾道邊緣接觸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子剝落與內(nèi)圈滾道擠壓磨損。

3 軸承改進(jìn)措施

針對(duì)軸承設(shè)計(jì)抗傾斜裕度不足的問題，提出以下改進(jìn)措施：

1）軸承內(nèi)圈滾道長度調(diào)整為12 mm；

2）滾子凸度量設(shè)計(jì)為0.015～0.025 mm。

改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)抗傾斜裕度為9.7′～16.2′，計(jì)算傾斜狀態(tài)下的改進(jìn)結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分布見圖11，滾子未與內(nèi)滾道邊緣接觸，計(jì)算接觸應(yīng)力為1693.6 MPa，接觸應(yīng)力降低23.9%。

圖11 傾斜狀態(tài)下的改進(jìn)結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分布Fig.11 Improved structural contact stress distribution in tilted state

4 結(jié)論

1）軸承設(shè)計(jì)允許傾斜角小于軸承實(shí)際工作傾斜角，產(chǎn)生滾子圓弧段與內(nèi)滾道邊緣接觸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子剝落與內(nèi)圈滾道擠壓磨損。

2）采取增加內(nèi)圈滾道長度及滾子凸度量的方式，可以避免滾子圓弧段與內(nèi)滾道邊緣接觸。