某柴油機飛輪軸承卡滯故障分析及可靠性提升

0 引言

滾動軸承具有結(jié)構(gòu)緊密、轉(zhuǎn)動力矩小、易啟動、使用壽命長、性能穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點，因此在整個經(jīng)濟的幾乎每個行業(yè)里都有著非常普遍的使用。滾動軸承在機械運轉(zhuǎn)件中的主要作用是傳遞動力和支撐運動，是發(fā)動機飛輪組件的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)支撐部件，因此其性能的好壞直接關(guān)系著整個機械部分的運行精度、穩(wěn)定性、可靠性、壽命等，軸承損壞直接導(dǎo)致發(fā)動機后端可靠性，從而導(dǎo)致整車的故障。總之，滾動軸承產(chǎn)品的質(zhì)量水平，對機械設(shè)備的質(zhì)量有直接影響，甚至毫無夸張的講，滾動軸承可靠性對制造業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展都有著相當(dāng)重要的作用和意義。由于軸承其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、不可分離，適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)速運行，并且非常耐用，內(nèi)部深溝形的滾道加上滾道與鋼球之間有極好的密合度，使得深溝球軸承即使在高轉(zhuǎn)速條件下除了承受徑向負(fù)荷外，還可以承受雙向的軸向負(fù)荷，軸承內(nèi)外圈的良好運行與轉(zhuǎn)速，鋼球和保持架作用力，溫度、潤滑以及保持架材料幾何尺寸等均有關(guān)系

。目前，其廣泛應(yīng)用在發(fā)動機后端飛輪中，與整車變速箱進行匹配。精密軸承的卡滯情況時有發(fā)生，成為限制整機長壽命、高可靠性發(fā)展的重要因素，因此，需要對飛輪軸承進行計算仿真評估，找到影響其運行的規(guī)律特征，為其更可靠的應(yīng)用提供重要的理論支撐。

深溝球軸承的基本結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四大部分(如圖 1)，為了減小軸承的運轉(zhuǎn)力矩和啟動摩擦力矩，其中一版在內(nèi)圈填充潤滑脂，從而防止局部高溫產(chǎn)生極大的熱量造成油膜破壞，局部燒傷導(dǎo)致壽命縮短

。部分軸承帶有防塵蓋防護，可有效保護內(nèi)部清潔，防止過早失效，實物圖見2。

以某飛輪軸承為研究對象，通過分析軸承組件的發(fā)熱機理及溫度分布，利用有限元分析軟件，得到了在不同轉(zhuǎn)速、軸向載荷、徑向載荷、環(huán)境溫度和發(fā)動機功率下軸承組件內(nèi)各部位的溫度分布，為分析軸承組件的熱應(yīng)力、熱變形提供可靠的溫度場依據(jù)，同時，可以對飛輪的故障、失效分析及延長壽命提供依據(jù)。以下為某發(fā)動機配套過程中，因主機廠選用錯誤型號深溝球軸承的案例，進一步詳細(xì)分析軸承卡滯故障，以及設(shè)計中如何全面考慮設(shè)計細(xì)節(jié)，通過仿真手段提前預(yù)防軸承卡滯的故障。

1 故障簡介

飛輪軸承為滿足中高轉(zhuǎn)速的要求，其潤滑機理是，保持架采用了浸油處理的多孔高分子材料，當(dāng)軸承運轉(zhuǎn)是由于內(nèi)外循環(huán)動力的作用潤滑油在保持架、鋼球和溝道之間循環(huán)流動，維持完整潤滑油膜，軸承的失效最終表現(xiàn)為軸承內(nèi)溝道鋼球因受異常力破環(huán)潤滑導(dǎo)致軸承失效

。

某機型柴油機在主機廠配套過程中多次出現(xiàn)軸承卡滯的故障。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤拆檢，鎖定為軸承內(nèi)圈卡滯導(dǎo)致的軸承無法正常運轉(zhuǎn)(見圖3、圖4)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞。多臺機器出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及模式均一致、規(guī)律性強，所以需要進一步確定軸承內(nèi)部失效的最終原因。

2 原因初判：

由于飛輪軸承失效模式多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，匯總故障樹分析如下(圖5)。由于現(xiàn)場確認(rèn)測量飛輪軸承安裝孔內(nèi)徑相對較小，軸承安裝較為困難，需要施加較大外力操作，故分析重點考慮飛輪本體變形后，導(dǎo)致軸承安裝孔的縮小，或本身加工不合格，外力安裝軸承導(dǎo)致內(nèi)部游隙過小卡滯的可能性最大，需進一步從仿真計算的角度出發(fā)進行最終原因的確認(rèn)。

本次圓桌會議圍繞圍術(shù)期規(guī)范化鎮(zhèn)痛展開，生理上的無痛依賴于麻醉專業(yè)提供的良好的圍術(shù)期鎮(zhèn)痛。心理上的無痛依靠醫(yī)護人員的良好態(tài)度，即醫(yī)護人員對患者的人文關(guān)懷；那我們應(yīng)該如何將人文關(guān)懷融入到圍術(shù)期鎮(zhèn)痛管理方面呢？筆者認(rèn)為主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3 故障分析排查

軸承游隙是很重要的使用特性，游隙的大小，對軸承自身疲勞壽命、振動、噪音、頻率、溫升和機械運轉(zhuǎn)精度等影響很大，故軸承的選擇，既要決定軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，又要選擇軸承的游隙，軸承內(nèi)部游隙(圖6)的定義為其中一個軸承套圈相對于另一個軸承套圈在徑向(徑向游隙)或軸向(軸向游隙)可移動的總距離。更為細(xì)致的講，滾動軸承的游隙是指當(dāng)軸承一個套圈固定并且另一個套圈不受載荷時，可移動套圈沿徑向或軸向從一個極限位置到另一個極限位置的移動量，其中軸承套圈沿徑向的移動量稱為徑向游隙。對球軸承而言，徑向游隙的理論值是外滾道直徑減去內(nèi)滾道直徑與兩倍滾動體直徑，即徑向游隙是滾動軸承應(yīng)用中的一個重要參數(shù)，不同的徑向游隙所對應(yīng)的軸承振動特性也不相同。在不同應(yīng)用工況，不同應(yīng)用場景中，軸承游隙設(shè)計是不同的，若設(shè)計過小，容易導(dǎo)致軸承卡滯情況，游隙過大，影響配合精度，間隙過大更容易導(dǎo)致噪聲振動問題

。

由于軸承所處的狀態(tài)不同，游隙分為原始游隙，配合游隙、工作游隙。原始游隙是軸承在安裝前的游隙值，是無載荷時的游隙值，這是軸承制造廠的原始設(shè)計值。當(dāng)軸承內(nèi)圈安裝在軸上或者外圈安裝于安裝孔內(nèi)后，軸承外圈的徑向尺寸會發(fā)生變化，一般軸承因為過盈裝配而發(fā)生外圈的收縮，導(dǎo)致軸承內(nèi)部的游隙減小。此安裝游隙叫做配合游隙，此間隙受軸承結(jié)構(gòu)，尺寸、軸和殼體形狀不同而不同。軸承在實際運行過程中，軸承套圈因為溫升及內(nèi)外圈溫差的影響，收到工作載荷的作用，軸承滾動體和滾道接觸會發(fā)生彈性變形，軸承間隙會有所變化，此成為工作游隙。

軸承與飛輪采用過盈配合；

但這些職稱系列與科普輔導(dǎo)員本質(zhì)工作并不契合，以群文館員系列為例，評職稱的要求主要以群眾文化實踐經(jīng)驗、展覽演出、獲獎成果、文學(xué)創(chuàng)作、課題研究等方面展開。其評價指標(biāo)和科普輔導(dǎo)員在展廳工作內(nèi)容關(guān)聯(lián)度不大，兩者無法有效結(jié)合，職稱評定時存在較大難度。同時，作為科技館工作者，參與群文系列與文化館、群藝館的文藝工作者共同參與評比或者是參與文博系列館員的評定，與文物、博物館系統(tǒng)人員競爭，在提交的資料和業(yè)績上處于不利地位，通過率較低，打擊科技館從業(yè)人員參評積極性。

根據(jù)陳國權(quán)《2017中國報業(yè)發(fā)展報告》，專業(yè)報紙因致力于細(xì)分市場，讀者對象更明確，總印數(shù)降幅較小，市場前景良好。但面對“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的沖擊，專業(yè)報也融入新媒體中，深挖讀者需求，謀求進一步發(fā)展。根據(jù)中山大學(xué)張志安教授團隊完成的《2017年中國新聞業(yè)年度發(fā)展報告》顯示，2017年傳統(tǒng)紙媒發(fā)展和轉(zhuǎn)型形勢依然嚴(yán)峻。相比于黨報、專業(yè)報，綜合商業(yè)報由于缺乏政策紅利、盈利模式相對單一、新型收入探索艱難、服務(wù)功能更易被網(wǎng)絡(luò)所替代等原因，轉(zhuǎn)型面臨諸多困難，相繼?？Ｒ虼?，綜合商業(yè)報必須攻難克堅，在2017年繼續(xù)與新媒體融合，尋找生存和發(fā)展的出路。從整體上看，黨報在2017年與新媒體融合方面成效顯著。

3.1 計算邊界確認(rèn)

隨仿真軟件的日趨完善，軟件開發(fā)及力學(xué)分析已趨于成熟，有限元計算可以有效解決工程學(xué)研究遇到的問題和難點，以故障柴油機的飛輪總成及裝配組件為例進行計算模型搭建，模型元件包括飛輪、飛輪齒圈、軸承單元、飛輪螺栓組成。由于裝配組件的實際結(jié)構(gòu)變形是十分復(fù)雜的，要建立一個完整的，包含所有結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)分析模型是不現(xiàn)實的，考慮到飛輪的實際工作情況，具有載荷小、精度要求高，長壽命和低摩擦的特點，故在不影響分析的情況下對模型搭建進行了部分簡化。

施加載荷步：

2)飛輪軸承具有對稱結(jié)構(gòu)，忽略人為裝配產(chǎn)生的不均勻變形；

3)忽略軸承各零件材料的各向異性；

根據(jù)仿真計算及試驗件拆檢測量的結(jié)果，重點從降低變形、增加游隙兩方面入手，有針對性的提供解決措施。實際測量零件尺寸，無螺栓把緊狀態(tài)下，軸承安裝孔實際尺寸已超出設(shè)計下限值。把緊螺栓后安裝孔的內(nèi)徑進一步的縮小。與仿真計算趨勢相符，故提出以下解決措施：

1、飛輪軸承孔加工尺寸必須滿足設(shè)計要求；

確認(rèn)飛輪螺栓M14×1.5,10.9級，轉(zhuǎn)角法屈服擰緊，螺栓力103kN-129kN；軸承外圈與飛輪過盈量半徑0.0195mm；飛輪材料HT250，飛輪軸承按照主機廠的選擇為C0游隙(通過軸承規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)查詢游隙范圍為0.005mm至0.02mm)，其余部件為鋼，搭建模型見圖7。

1)忽略軸承內(nèi)外圈因為制造工藝產(chǎn)生的應(yīng)力不均勻分布；

第一步：飛輪螺栓按照最小預(yù)緊；

表盤正中心一顆玫瑰金太陽在表盤中央熠熠生輝，鍍銠金流星、粉紅珍珠母貝水星、綠色琺瑯金星、綠松石地球及鉆石月球分布在四周，每顆星體均按照其在自然界中實際圍繞太陽公轉(zhuǎn)速度而運行。梵克雅寶將神秘的宇宙栩栩如生地呈現(xiàn)于眼前，驚人贊嘆。

第二部，飛輪螺栓最大預(yù)緊；

本文在分析本地和遠(yuǎn)程生物信息系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，提出了一個基于數(shù)據(jù)倉庫的架構(gòu)思想的、適用于病毒序列數(shù)據(jù)庫的集成系統(tǒng)架構(gòu)。其目的是實現(xiàn)對病毒序列數(shù)據(jù)的分類提煉、整理和系統(tǒng)化，并提供相應(yīng)的集成分析服務(wù)。同時以流感病毒序列為例，建立了一個流感病毒序列集成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為相關(guān)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建積累了一定的經(jīng)驗。下一步將對更多病毒類別（如腸道病毒、腺病毒等）的數(shù)據(jù)進行集成，進一步擴充和完善現(xiàn)有的病毒序列集成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

對于軸承的游隙，必須區(qū)分在安裝之前的游隙，與安裝后并達到其工作溫度的游隙(工作游隙)。軸承的初始游隙(安裝前)一般比工作游隙大，是由于不同過盈量的公差配合，以及軸承套圈與鄰接部件不同程度的熱膨脹，導(dǎo)致套圈膨脹或壓縮

。

3.2 有限元計算

2、可減小配合的最大過盈量，由于軸承一般為標(biāo)準(zhǔn)件，可適當(dāng)增加下軸承安裝孔的直徑；

1)飛輪螺栓最大預(yù)緊力下，提取飛輪內(nèi)徑變化量：內(nèi)徑最大變化量0.0096mm，可見圖8，

2)飛輪螺栓最大預(yù)緊力下，再考慮最大過盈下，提取飛輪內(nèi)徑變化量，內(nèi)徑最大變化量0.018mm，可見圖9。

3)飛輪螺栓最大預(yù)緊力下，考慮最大過盈下，提取飛輪軸承外圈外徑變化量，外徑最大變化量-0.021mm(max)，此值已經(jīng)大于軸承游隙C0級(0.005mm-0.020mm)，存在卡滯風(fēng)險，見圖10。

3.3 計算結(jié)果分析

通過以上計算可以得出結(jié)論，在飛輪螺栓把緊狀態(tài)下，飛輪局部在軸力作用下會發(fā)生變形(圖11)，飛輪軸承安裝后，考慮最大過盈量下，螺栓軸力把緊變形后，由于螺栓力的作用飛輪的安裝孔發(fā)生變形，再考慮過盈裝配的影響，以及溫度的影響，軸承外圈最大變形量提取值達到0.021mm超過了此規(guī)格軸承游隙C0范圍(0.005mm-0.020mm)，會出現(xiàn)軸承內(nèi)部鋼球和溝道干涉卡滯、運行不暢問題。

4 優(yōu)化措施及效果

4)忽略軸承內(nèi)部鋼珠、離心力對軸承徑向、軸向載荷的影響

。

為了全面掌握我國基層水利發(fā)展基本情況，課題組采用點面結(jié)合的方法，對全國31個省（自治區(qū)、直轄市）（不含臺灣省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)）開展了問卷調(diào)研。截至2008年9月，除北京、黑龍江、湖南、廣東、新疆之外，共有26個省份反饋了信息。

四是注重心理素質(zhì)健康教育培訓(xùn)。針對監(jiān)獄戒毒警察工作生活中面臨的監(jiān)管安全壓力、執(zhí)法安全壓力等導(dǎo)致的心理問題，河南省司法廳聯(lián)合高校舉辦由政工干部和基層業(yè)務(wù)骨干參加的心理健康教育能力素質(zhì)提升培訓(xùn)班，引導(dǎo)政工干部把心理矯治的手段運用到干部思想政治工作中，引導(dǎo)基層一線警察掌握釋放自我、緩解壓力的手段和方法。各直屬單位也把隊伍心理健康教育作為教育培訓(xùn)的重要內(nèi)容，定期邀請社會心理咨詢專家或利用單位內(nèi)部心理咨詢師對警察開展心理輔導(dǎo)、心理知識講座、心理咨詢、心理拓展、心理矯治等心理素質(zhì)培訓(xùn)，使隊伍掌握應(yīng)對壓力和解決心理問題的方法技巧，有效緩解工作生活壓力，提升心理健康水平。

蘋果樹“巧施肥”，要突出一個“巧”字，要巧在時間點上，巧在施肥量上，巧在配方上。下面，筆者結(jié)合對陜西彬州市南北兩塬果園施肥情況實地調(diào)查，談?wù)勌O果園如何巧施肥。

按照以上要求完成模型搭建后，通過有限元計算手段詳細(xì)對比分析，只考慮裝配力矩、溫度的影響：

3、在軸承安裝孔與軸承外殼配合尺寸不變的前提下，可考慮適當(dāng)增加軸承的游隙C0級(0.005mm-0.0020mm)增加至C3級(0.013mm-0.028mm)，即考慮各種變形因素后，軸承外殼變形量也小于軸承內(nèi)游隙設(shè)計，防止卡滯情況。

5 驗證效果

在此故障機器中，由于飛輪結(jié)構(gòu)均為常年配套成熟機型，結(jié)構(gòu)尺寸未做變更，軸承為主機廠配套單獨采購，由此判斷為軸承選配不當(dāng)導(dǎo)致。故采用游隙更大的飛輪軸承可解決，新軸承現(xiàn)場試裝驗證，實際測量軸承的運轉(zhuǎn)情況良好，均未出現(xiàn)卡滯情況，達到理想效果，可見圖(12)，性能及可靠性指標(biāo)均滿足要求。

6 經(jīng)驗總結(jié)及固化

通過仿真計算與實際案例對比分析相結(jié)合的方式，深究原因，考慮飛輪結(jié)構(gòu)壁厚，螺栓軸力，溫度、配合過盈量的綜合影響，從仿真角度得出與實際測量相一致的結(jié)論，從而實現(xiàn)軸承配套的正向設(shè)計。有效進行風(fēng)險預(yù)測，可避免因設(shè)計選配不當(dāng)導(dǎo)致軸承卡滯故障的發(fā)生。

飛輪軸承的設(shè)計原則可歸納總結(jié)如下：

a、保證最大過盈量下的變形量小于軸承游隙，防止卡滯；

可見，生產(chǎn)力、生產(chǎn)方式、經(jīng)濟基礎(chǔ)的決定作用是“歸根到底”意義上的，在實際的歷史行程中，上層建筑包括政治體制、法律制度、意識形態(tài)，當(dāng)然也包括領(lǐng)袖人物的活動，都會對經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)生這樣那樣的反作用，而且往往決定著歷史運動的“斗爭形式”。歷史上的成功的變法、革命、改革，都是例證。這些變法、革命、改革，推動了國家經(jīng)濟、政治、文化、教育、交通、軍事、財政等領(lǐng)域的迅速進步，都會對時代產(chǎn)生重要影響，其中成果卓著者則會開創(chuàng)新時代。

b、保證最大間隙下的變形后存在過盈量，軸承無法脫出；

c、建議軸承/底孔安裝配合采用過渡配合，可適當(dāng)降低最大過盈量；

d、根據(jù)不同結(jié)構(gòu)仿真計算，適當(dāng)選擇大游隙C3/C4級軸承。

[1]劉良勇;李建華;鄧四二;楊海生;閆亞超，《飛輪軸承許用磨損壽命估算算法》.工程科技Ⅱ輯2011.09.05.

[2]宋楊法;黃志輝;雷亞南，《基于有限元方法的內(nèi)圈裝反軸承受力分析與壽命評估》.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2021.09.25.

[3] 張振潮，《飛輪軸承打滑特性研究》(工程科技Ⅱ輯).2019年第10期，2019.05.01.

[4]姚文強，《深溝球軸承徑向游隙動態(tài)檢測技術(shù)研究》.機械工業(yè)、工程科技Ⅱ輯.2017年第05期.

[5]陳建平;李迎春;聶周，《機動工況下飛輪軸承的動力學(xué)特性分析》.機械制造. 工程科技Ⅱ輯.2021.09.25.

[6]卿濤;周剛;周寧寧，《一種預(yù)估反作用飛輪過零壽命的計算方法》.空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2013.02.15.