圓柱滾子軸承故障分析與改進

趙銘

摘要：目前，我國的經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進步，圓柱滾子軸承在使用過程中發(fā)生故障，滾子一側發(fā)生剝落，內圈滾道發(fā)生擠壓磨損。對故障件進行形貌分析、軸承復查、內圈與外圈傾斜角測量、軸承抗傾斜角及接觸應力計算。結果表明：軸承在工作過程中產(chǎn)生較大傾斜角，滾子輪廓與內圈滾道邊緣接觸，產(chǎn)生應力集中，導致滾子剝落與內圈滾道擠壓磨損。通過增加滾道長度及滾子凸度量的改進措施，防止邊緣接觸，降低接觸應力，可預防此類故障。

關鍵詞：剝落;傾斜角;應力集中;滾道長度;滾子凸度量;接觸應力

引言

裝配是發(fā)動機軸承應用過程中的重要環(huán)節(jié)，如裝配時滾動體承受沖擊載荷，可能造成滾動體或套圈表面損傷，導致軸承早期失效。一旦失效，會導致發(fā)動機轉子失穩(wěn)，后果不堪設想。因此裝配質量的好壞對軸承的安全可靠運行具有重要作用。某型發(fā)動機在試驗臺試驗后分解，發(fā)現(xiàn)支承燃氣發(fā)生器的圓柱滾子軸承保持架側梁處可見一處貫穿性裂紋，兩顆滾子脫出。經(jīng)故障分析，保持架斷裂主要原因是裝配不當導致軸承預損傷。通過分析原裝配工藝軸承預損傷的形成原因，本文設計了一套工裝并改進裝配工藝，后續(xù)軸承裝配后再出現(xiàn)類似故障。

1仿真分析

根據(jù)高速列車軸箱軸承工作特點，尤其是滾動體與保持架之間復雜的受力及運動關系，仿真時需要進行如下假設：1）忽略軸承兩端的端蓋、油擋環(huán)等密封裝置的影響。2）忽略軸向、徑向間隙對油膜的影響，因為該高速列車軸箱軸承采用酯潤滑，出廠時軸承的徑向及軸向游隙均已經(jīng)調好。3）設零件各部件為剛體，忽略軸承的柔性變形，若零件接觸產(chǎn)生局部形變時，視為彈性形變。4）在軸承外圈外表面施加固定約束，限制其自由度，以模擬外圈與軸箱裝配狀態(tài);軸承外圈側表面施加固定約束，以模擬軸承箱體約束;軸承內圈內表面施加軸向約束，以模擬內圈與軸的連接狀態(tài)。

2圓柱滾子軸承故障分析與改進

2.1軸承接觸應力計算

軸承工作最大徑向載荷為13?kN，根據(jù)RomaxDesigner軟件計算滾動體最大接觸載荷為2.419?kN，采用有限元軟件建立內圈與外圈形成5.5′傾斜角的分析模型并對接觸區(qū)網(wǎng)格進行細化。各接觸對設定摩擦接觸，對軸承外圈設置固定約束，在內圈內徑面施加載荷，并進行分析求解，最大接觸應力為2?225.7?MPa，位置出現(xiàn)在滾道邊緣，應力值超過2000?MPa，不滿足材料長時間工作要求。根據(jù)上述分析可知，軸承設計允許傾斜角小于軸承實際工作傾斜角，產(chǎn)生滾子圓弧段與內滾道邊緣接觸，產(chǎn)生較大的應力集中，導致滾子剝落與內圈滾道擠壓磨損。

2.2工裝組成及裝配工藝改進

新設計的工裝主要包括大螺母、拉桿、壓塊、液壓缸等。壓塊設計成工字形，與拉桿大間隙配合，方便拉桿在壓塊內孔中上下移動，工字形大端面直徑比接觸的渦輪軸端面直徑稍大些，方便液壓力的傳遞。壓塊上端依次放置液壓缸、大螺母。大螺母與拉桿上端通過螺紋連接成整體。工作原理如下：液壓缸產(chǎn)生液壓力對渦輪軸進行裝配，使得滾子平緩經(jīng)過內圈引導面，減少沖擊和振動。通過多次工藝試驗發(fā)現(xiàn)液壓力5MPa時，渦輪軸可克服與轉子連接軸處兩處過盈在常溫下裝配到位。基于新工裝改進裝配工藝，將原裝配工藝工序3修改成以下操作，其余不變。（1）穿過中心拉桿將拉桿裝入引導套內螺紋，手旋轉拉桿使其裝配到底后再擰松1/4圈（拉桿裝配、分解過程應注意不碰傷渦輪軸端齒）。（2）穿過拉桿在渦輪軸去材料臺階上安裝壓塊、液壓缸、墊塊及大螺母。（3）擰緊大螺母至液壓缸伸長量置零后擰松1/4圈螺紋，對渦輪軸打壓，壓力不大于5MPa，卸除液壓缸壓力，擰松大螺母（每次打壓中液壓缸伸長量應不大于1mm，目的在于盡可能減少滾子損傷）。（4）按步驟2反復打壓4～5次至渦輪軸裝配到位。

2.3圓柱滾子軸承內圈脫出問題原因確認

根據(jù)上述的分析可知，在鋼帶拉力作用下，輪軸與圓柱滾子軸承之間不會完全不存在軸向力的產(chǎn)生，再加上產(chǎn)品制造及裝配的誤差，軸向力會加大。當輪軸受力運轉及制造誤差造成的軸向力總和大過軸承的結合緊固力時，軸承就會在輪軸上的原始位置發(fā)生滑移。輪軸變形產(chǎn)生的軸向力的數(shù)值計算比較復雜，此處就不作具體推導計算。從CAE分析的結果——主動輪軸的錐面法蘭軸承位處有0.084mm變形可知軸向力不會太小，軸承與軸的最小過盈量結合緊固力23.73N與其相比肯定微乎其微。由此，可以確認，此CVT產(chǎn)品在臺架試驗出現(xiàn)的主動輪軸的圓柱滾子軸承內圈脫出的故障原因，是零件設計給定的軸承與輪軸的配合過盈量不足，同時結構設計上沒有軸承在輪軸上的限位防脫結構。

結語

1）考慮滾子凸度結構，以半正弦函數(shù)和固定值描述滾子故障與內、外滾道的接觸變形激勵，獲得滾子與滾道之間的作用力和力矩，引入Newton-Euler動力學系統(tǒng)方程，從而構建了滾子局部故障軸承動力學分析模型。2）滾子故障與滾道作用使外圈加速度響應上產(chǎn)生周期性沖擊，滾子故障與內滾道間的沖擊載荷使?jié)L子運動加速，而與外滾道間的沖擊載荷則使?jié)L子減速;在承載區(qū)內，軸承振動幅值較大，滾子故障與內、外滾道均發(fā)生碰撞，主要頻率為滾子故障頻率的半頻;非承載區(qū)內，滾子僅與外圈滾道發(fā)生碰撞，主要頻率為滾子故障頻率;相鄰承載區(qū)內，峰峰值之間的時間間隔與保持架頻率對應，代表滾子的公轉運動周期。

參考文獻：

[1]東亞斌，廖明夫.具有局部故障的滾動軸承的動力學分析（II）內圈具有單一局部故障[J].機械科學與技術，2012，31（5）：599-693.

[2]東亞斌，廖明夫，張小龍.具有局部故障滾動軸承的振動分析（I）外圈具有單一局部故障[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2012，44（1）：147-152.

[3]關貞珍，鄭海起，王彥剛，等.滾動軸承局部故障動力學建模與仿真[J].振動、測試與診斷，2012，32（6）：950-955.

[4]劉靜，邵毅敏，秦曉猛，等.基于非理想Hertz線接觸特性的圓柱滾子軸承局部故障動力學建模[J].機械工程學報，2014，50（1）：91-97.

[5]任帥，徐可君，秦海勤，等.具有外圈單一點蝕故障的滾動軸承動力學建模及仿真[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2014，28（1）：85-90.