某傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)軸承跑圈故障分析及處理

季 杰，張?jiān)俜澹Z新旺，商顯耀

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703所 無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151)

滾動(dòng)軸承在工業(yè)生產(chǎn)制造中扮演著至關(guān)重要的角色，同時(shí)也是最易損壞的部件之一。研究表明，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中由于軸承問(wèn)題導(dǎo)致的故障占總故障的70%，齒輪箱中軸承的故障率為19%，僅次于齒輪[1]。一旦軸承損壞輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，重則導(dǎo)致其他零部件損壞，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)軸承問(wèn)題的預(yù)防和及時(shí)處理是十分重要的。導(dǎo)致軸承故障的原因主要有：配合公差選取不當(dāng)、加工和安裝精度不當(dāng)、潤(rùn)滑不當(dāng)、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承質(zhì)量不良等[2]。戚遠(yuǎn)大研究認(rèn)為，高速主軸性能的好壞與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，但在很大程度上取決于裝配方法的合理性與規(guī)范性，并介紹了安裝過(guò)程中軸承清洗、潤(rùn)滑脂填充、軸和軸承及軸承座加工精度檢查、軸承安裝與定位、軸承安裝精度檢查和注意方法等[3]。軸承運(yùn)行時(shí)有異響、振動(dòng)超標(biāo)和溫度過(guò)高等可作為判斷軸承故障的依據(jù)[4]。

本文以某傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)發(fā)生軸承跑圈故障為例，通過(guò)分析軸承跑圈故障原因，并提出多種處理方案，旨在為相似設(shè)計(jì)及故障分析處理提供借鑒。

1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，傳動(dòng)箱輸入軸轉(zhuǎn)速最高約8 000 r/min，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)箱內(nèi)齒輪傳動(dòng)，左、右側(cè)最高輸出轉(zhuǎn)速分別為4 000 r/min和2 000 r/min。各軸承座與輸出軸均通過(guò)膜片聯(lián)軸器連接，軸承座內(nèi)裝有2個(gè)深溝球軸承，軸承型號(hào)為6207，軸承內(nèi)徑D35，外徑D72，脂潤(rùn)滑時(shí)極限轉(zhuǎn)速為8 500 r/min，油潤(rùn)滑時(shí)極限轉(zhuǎn)速為11 000 r/min。輸入軸布置1個(gè)轉(zhuǎn)矩傳感器，傳動(dòng)箱四周布置4個(gè)振動(dòng)傳感器。

圖1 傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象及判斷

試驗(yàn)臺(tái)在 5#工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)人員巡檢發(fā)現(xiàn)右側(cè)軸承座溫度明顯異常，隨即暫停后續(xù)試驗(yàn)，將前期運(yùn)行數(shù)據(jù)等分為3個(gè)階段進(jìn)行分析研判，圖2～圖4分別為3個(gè)階段在1#～5#工況運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、右側(cè)軸承座溫度對(duì)比圖。由圖2～圖4可知，隨試驗(yàn)進(jìn)行，轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、軸承座溫度均有不同程度的增加。其中第三階段的轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)值以及軸承座溫度均較第一階段明顯提升，尤其是5#工況點(diǎn)處，轉(zhuǎn)矩增加了約25%，軸承座溫度增加約50%。經(jīng)對(duì)3個(gè)參數(shù)增幅分析，初步判斷右側(cè)輸出軸系或安裝座有異常。

圖2 轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖3 振動(dòng)對(duì)比圖

圖4 右側(cè)軸承座溫度對(duì)比圖

2.2 對(duì)中驗(yàn)證

為了排除軸系對(duì)中問(wèn)題引起的異常，在右側(cè)軸承座上安裝百分表進(jìn)行軸系復(fù)測(cè)。經(jīng)測(cè)量，軸向偏差滿(mǎn)足不大于0.05 mm的要求；徑向偏差為0.06 mm，略大于要求值0.05 mm。對(duì)中安裝示意圖如圖5所示，按工藝規(guī)范，重新對(duì)軸系進(jìn)行對(duì)中。軸系故障修復(fù)前后對(duì)中值見(jiàn)表1。

圖5 對(duì)中安裝示意圖

表1 軸系故障修復(fù)前后對(duì)中值

圖6為重新對(duì)中后不同工況點(diǎn)振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩變化圖，對(duì)比圖6和圖3可知，重新對(duì)中后，各工況點(diǎn)轉(zhuǎn)矩與異常時(shí)基本一致，而振動(dòng)變化較為明顯。3#工況振動(dòng)值由3.0 mm/s降低到2.5 mm/s，但5#工況振動(dòng)值由3.0 mm/s增加到7.5 mm/s，且軸承座溫升較快，有異響。經(jīng)聽(tīng)棒判斷，異響從右側(cè)軸承座內(nèi)發(fā)出，因此初步排除軸系對(duì)中是引起本異常現(xiàn)象的原因。

圖6 重新對(duì)中后不同工況點(diǎn)振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩變化圖

2.3 軸承座拆解

根據(jù)上述軸系對(duì)中試驗(yàn)驗(yàn)證及試驗(yàn)過(guò)程中異響位置判斷，試驗(yàn)人員對(duì)右側(cè)軸承座進(jìn)行拆解，以進(jìn)一步確定異?，F(xiàn)象原因，軸承座拆解圖如圖7所示。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)以下情況。

圖7 軸承座拆解圖

1)脫開(kāi)聯(lián)軸器螺栓后，手動(dòng)推動(dòng)半聯(lián)軸節(jié)發(fā)現(xiàn)存在軸向竄動(dòng)現(xiàn)象。

2)拆開(kāi)軸承座端蓋，發(fā)現(xiàn)軸承滾珠保持架斷裂，軸承損壞。經(jīng)查，設(shè)計(jì)時(shí)軸承與軸承座之間采用過(guò)渡配合，測(cè)量樣本軸承外圈尺寸公差為D72(-0.030，0)，軸承座內(nèi)徑尺寸公差為D72(-0.012，0.018)，軸與座形成的配合尺寸為(-0.012， 0.048)，即最大存在0.048 mm的游隙。經(jīng)對(duì)已損軸承與軸承座測(cè)量，測(cè)得軸承外徑為71.90 mm，軸承座內(nèi)徑為72.04 mm，兩者之間游隙為0.14 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)時(shí)的最大游隙。

3)目視軸、軸承色澤略黑，可能發(fā)生燒軸現(xiàn)象，且在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行以及高溫的作用下，潤(rùn)滑脂變質(zhì)，由黃色變?yōu)楹谏?/p>

4)軸與軸承內(nèi)圈緊配合，未發(fā)現(xiàn)跑圈問(wèn)題。

5)軸承外圈和軸承座內(nèi)壁存在磨痕。

綜上所述，軸承跑外圈是導(dǎo)致試驗(yàn)振動(dòng)超標(biāo)、溫度高、軸承損壞故障的原因。

3 故障處理方法

3.1 方法一：常規(guī)修復(fù)技術(shù)

軸承跑外圈加劇了軸承座內(nèi)壁的磨損，僅更換新軸承，軸承與軸承座之間仍存在較大間隙，無(wú)法應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期、高強(qiáng)度的試驗(yàn)需求。因此，采用更換金屬蓋軸承、打樣沖、增加隔套、粘螺紋膠黏接劑等多種方式相結(jié)合的修復(fù)方法。

1)考慮到軸承滾珠保持架斷裂故障原因是由于軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，填充的潤(rùn)滑脂可能被甩出軸承，導(dǎo)致軸承滾道和滾珠之間油膜厚度不足，無(wú)法達(dá)到潤(rùn)滑效果。修復(fù)方法為更換金屬蓋軸承，金屬蓋軸承雙側(cè)有密封蓋，其具有易于密封、使用周期長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

2)軸承座內(nèi)壁磨損，導(dǎo)致軸承座內(nèi)壁與軸承之間的游隙增加，為避免新軸承在軸承座內(nèi)發(fā)生跑圈故障，通過(guò)在軸承外圈均勻打樣沖眼，用突起的部分補(bǔ)償游隙的增加。并在軸承外圈均勻涂抹螺紋膠黏結(jié)劑，凝固后填充軸承與軸承座之間的間隙。

3)原設(shè)計(jì)時(shí)采用軸肩和端蓋腳軸向固定軸承，但因前期試驗(yàn)運(yùn)行發(fā)生竄動(dòng)磨損，現(xiàn)軸向固定可能存在間隙，因此在軸承與端蓋間增加隔套，以消除間隙。為消除軸向竄動(dòng)，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在軸承與端蓋之間增加外隔套，軸承座隔套裝配示意圖如圖8所示。

圖8 軸承座隔套裝配示意圖

修復(fù)后轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)曲線(xiàn)圖如圖9所示，圖9反映了上述修復(fù)技術(shù)組合應(yīng)用后的各試驗(yàn)參數(shù)情況。與圖6對(duì)比后可知，修復(fù)后轉(zhuǎn)矩變化較小，而振動(dòng)存在不同程度的增加，尤其是2#工況振動(dòng)則由原來(lái)的2.5 mm/s增加到7.0 mm/s。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)至1 500 s時(shí)，右側(cè)軸承座最高溫度(Tmax)為70 ℃，超出軸承使用環(huán)境要求，可能是軸承外圈與洋沖眼加劇摩擦，因此判斷仍然存在跑圈故障。

圖9 修復(fù)后轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)曲線(xiàn)圖

3.2 方法二：調(diào)整配合公差

軸承座內(nèi)壁磨損，游隙增大，常規(guī)修復(fù)技術(shù)已無(wú)法從根本上解決高轉(zhuǎn)速軸承跑圈故障。為此重新設(shè)計(jì)軸承座，調(diào)整配合公差為過(guò)渡配合或小過(guò)盈配合。改進(jìn)方案是，采用金屬蓋軸承，并調(diào)整軸承座內(nèi)徑公差為D72(-0.021，0.009)，軸承與軸承座的配合尺寸為(-0.021，0.039)，即最大過(guò)盈0.021 mm，最大游隙0.039 mm。在裝配前分別對(duì)軸承座、軸承加工精度檢查，測(cè)得軸承外徑為71.98 mm，軸承座內(nèi)徑為72.00 mm，游隙為0.02 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10和圖11分別為調(diào)整前后轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)對(duì)比圖。由圖10、圖11可以看出，在各個(gè)工況下轉(zhuǎn)矩均大幅降低，振動(dòng)值最高出現(xiàn)在0.4 N工況，約3.5 mm/s。各工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，軸承座溫度最高為40 ℃，滿(mǎn)足軸承使用要求。因此認(rèn)為，合適的公差配合和加工、安裝精度是預(yù)防軸承跑圈故障的關(guān)鍵。

圖10 調(diào)整前后轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖11 調(diào)整前后振動(dòng)對(duì)比圖

3.3 舉一反三：調(diào)整輸入軸軸承座

為避免轉(zhuǎn)速更高的輸入軸發(fā)生相同的故障，試驗(yàn)人員對(duì)輸入軸承座進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)尚未發(fā)生軸承跑圈現(xiàn)象。

為適應(yīng)長(zhǎng)周期、高強(qiáng)度的試驗(yàn)要求，對(duì)該部位從公差配合精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式方面進(jìn)行舉一反三。

1)參照右側(cè)軸承座，選用合適的公差配合精度。

2)潤(rùn)滑方式由原脂潤(rùn)滑改為油潤(rùn)滑，油潤(rùn)滑的方式除了能夠及時(shí)在滾子和滾珠之間形成保護(hù)油膜，還能帶走熱量和磨損顆粒，延長(zhǎng)試驗(yàn)臺(tái)的使用壽命。

3)為適應(yīng)潤(rùn)滑方式改變，相應(yīng)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，輸入軸油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。輸入軸軸承座內(nèi)僅裝有一個(gè)深溝球軸承，軸向固定一側(cè)采用軸承座凸肩，另一側(cè)采用彈性擋圈。在軸承上方和下方分別均勻開(kāi)進(jìn)油口和出油口各4個(gè)，潤(rùn)滑油從進(jìn)油口噴向軸承滾子和滾道，覆蓋表面形成一層油膜，然后在重力的作用下從出油口排入滑油箱。為防止?jié)櫥蛷妮S和端蓋之間的間隙泄漏，采用皮碗式密封，兩側(cè)端蓋內(nèi)設(shè)有皮碗密封圈。

圖12 輸入軸油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

某傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)、溫度高、轉(zhuǎn)矩大等現(xiàn)象，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)驗(yàn)證排除軸系對(duì)中問(wèn)題，初判定為軸承跑圈。后經(jīng)多種常規(guī)修復(fù)技術(shù)組合應(yīng)用、驗(yàn)證，未能根本解決問(wèn)題。為此從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行改進(jìn)，選取合適的配合精度，嚴(yán)格控制加工和安裝精度，并對(duì)高速軸系舉一反三，改進(jìn)潤(rùn)滑方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)，經(jīng)應(yīng)用、驗(yàn)證，改進(jìn)后的試驗(yàn)臺(tái)位已累計(jì)運(yùn)行約1 000 h，未再發(fā)生相似故障。進(jìn)一步說(shuō)明配合精度、潤(rùn)滑方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)防高速軸軸承跑圈的重要性，同時(shí)為相似故障排除提供借鑒參考。