主燃油泵軸承剝落故障探究

劉軍濤　趙子寧　李文

摘 要：【目的】查明某型發(fā)動機配套主燃油泵所用滾子軸承內(nèi)外滾道剝落的原因，可以提高主燃油泵壽命和可靠性。【方法】本文對主燃油泵所用滾子軸承的結(jié)構(gòu)組成、配合間隙、滾道受力等進行仿真分析?！窘Y(jié)果】導(dǎo)致滾道剝落的原因為偏載引起的局部應(yīng)力超出材料的許用范圍。本研究還查出了軸承偏載的原因。針對偏載原因制定了控制間隙和滾子修形的措施。經(jīng)仿真分析和試驗驗證，證明了措施的可行性?！窘Y(jié)論】該問題的解決提高了主燃油泵的壽命和可靠性，同時為同類滾動軸承的設(shè)計和剝落故障分析提供了依據(jù)和參考方案。

關(guān)鍵詞：滾動軸承；偏載；應(yīng)力；可靠性

中圖分類號：TG333? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2024）03-0027-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.006

Research on Spalling Fault of Main Fuel Pump Bearing

LIU Juntao1 ZHAO Zining2 LI Wen1

（1.Xinxiang Aviation Industry Group Co.， Ltd.， Xinxiang 453003，China; 2.Air Force Armaments Department in Xinxiang Area Military Representative Office，Xinxiang 453003，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to find out the reasons for the spalling of the inner and outer raceway of the rod bearing used in the main fuel pump of a certain engine and improve the life and reliability of the main fuel pump.[Methods] This paper makes simulation analysis on the structural composition， matching clearance and raceway force of the rod bearing used in the main fuel pump.[Findings] The reason for the raceway spalling is that the local stress caused by partial load exceeds the allowable range of the material. This study further found out the reason of bearing off-load.Aiming at the cause of off-load， the measures to control the clearance and roll rod modification are developed. The feasibility of the measures is proved by simulation analysis and test.[Conclusions] The solution of this problem improves the life and reliability of the main fuel pump， and provides a design basis and reference scheme for the design and spalling fault analysis of similar rolling bearings.

Keywords： rolling bearing; unbalance loading; stress; reliability

0 引言

某主燃油泵因所配裝發(fā)動機在外場檢查到燃調(diào)油濾多余物而返廠檢查。分解發(fā)現(xiàn)該主燃油泵所用滾子軸承出現(xiàn)滾道剝落現(xiàn)象，截至故障發(fā)生時主燃油泵已累計工作約2 000 h。圖1為該主燃油泵軸承滾道剝落位置及形貌。復(fù)算軸承計算壽命為5 000 h，復(fù)查該主燃油泵歷史故障信息，軸承滾道剝落占比不高，但不是偶發(fā)故障，已影響到主燃油泵的壽命和可靠性。

雖然該軸承滾道剝落故障占比不高，但滾道剝落卻常常因內(nèi)在或外在因素的影響而成為軸承早期的損傷現(xiàn)象之一。本文在以往研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對滾道的剝落原因進行分析，提出相應(yīng)的改進措施。

1 滾子軸承結(jié)構(gòu)組成

主燃油泵為滾子軸承支撐齒輪運轉(zhuǎn)的高壓齒輪泵結(jié)構(gòu)。軸承支撐齒輪的高速運轉(zhuǎn)，完成對介質(zhì)的做功，實現(xiàn)向發(fā)動機輸送高壓燃油的功能［1］。滾子軸承支撐齒輪示意如圖2所示。

滾子軸承為外圈異形結(jié)構(gòu)帶單擋邊、無內(nèi)圈的直母線圓柱滾子軸承。該型軸承內(nèi)滾道為齒輪軸頸，結(jié)構(gòu)上主要由保持架、外圈、滾子組成。軸承結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

2 圓柱滾子軸承剝落常見原因

圓柱滾子軸承的受力特點是只有幾個滾子承擔(dān)所有載荷，其余滾子空載。圓柱滾子軸承的滾子與滾道通過互接觸傳遞載荷，徑向承載能力強、剛度高，但存在傳動精度不高、高速或重載下易損壞等缺點。圓柱滾子軸承剝落主要原因有以下五個。

2.1 接觸應(yīng)力

在載荷的作用下，滾子與滾道的接觸區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力與微小變形。隨著載荷增大，滾子與套圈滾道之間由線接觸逐漸變寬為一狹長的近似矩形的面接觸。但接觸區(qū)域仍較小，即使有限的載荷，接觸應(yīng)力也相當(dāng)高。

2.2 邊緣效應(yīng)

對于傳統(tǒng)直母線圓柱滾動體的滾子軸承，直母線滾動體與滾道接觸時，在靠近端面的柱面上出現(xiàn)應(yīng)力集中，即圓柱滾子軸承的“邊緣效應(yīng)”，如圖4所示?！斑吘壭?yīng)”導(dǎo)致滾動體邊緣過早疲勞破壞，降低軸承的使用壽命和承載能力，為圓柱滾子軸承疲勞剝落的主要原因。

《滾動軸承設(shè)計原理》指出，“邊緣效應(yīng)”引起的應(yīng)力一般比計算應(yīng)力（滾動體中部應(yīng)力）高3～7倍［2］。

2.3 摩擦磨損

軸承在潤滑狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，滾動體與滾道之間因摩擦而磨損，過度磨損使得軸承游隙加大，降低旋轉(zhuǎn)精度。滾動體與滾道之間因瞬間滑動而磨損，使得滾動體的圓度誤差加大，影響軸承的載荷分布，降低軸承的壽命。

2.4 滾動體離心力問題

軸承高速運轉(zhuǎn)時由于滾動體離心力過大而使得滾動體與外圈在接觸線處的法向壓力大大增加，加劇了摩擦磨損，滾動體與內(nèi)圈間因壓力過小而產(chǎn)生相對滑動，導(dǎo)致過度磨損。

2.5 不對中和傾覆力矩

對圓柱滾子軸承，裝配精度是影響著軸承軸線對中和所受傾覆力矩的主要參數(shù)，影響滾道與滾子之間的接觸特性、最大應(yīng)力、載荷分布情況。不對中和傾覆力矩會導(dǎo)致軸承工作于偏載工況下，內(nèi)外圈運行存在一定夾角，滾子產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力和載荷分布不均勻，滾子重載端過度磨損，出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象。

3 主燃油泵軸承剝落原因分析

本軸承故障占比不高，由計算壽命可以判定軸承設(shè)計滿足工況要求，對故障件各零組件尺寸進行計量及對軸承各組成零件材料成分進行理化分析，均符合設(shè)計要求。前文所述，本軸承為直母線滾子軸承，自身存在“邊緣效應(yīng)”，如果再疊加外力，超出材料許用接觸疲勞強度，則會在圖4所示的滾子邊緣位置產(chǎn)生疲勞損傷，出現(xiàn)圖1所示剝落。由此需查找軸承所受力的來源。

3.1 初步受力分析

從圖1可以看出，剝落位置偏向滾子的一側(cè)，和圖4所示“邊緣效應(yīng)”吻合，由計算壽命可知理想狀態(tài)下，即使存在“邊緣效應(yīng)”也不會出現(xiàn)剝落問題，結(jié)合前文所述滾子軸承剝落常見問題分析，初步判定軸承工作中存在偏載。當(dāng)軸承在偏載作用下工作，會加劇“邊緣效應(yīng)”，導(dǎo)致滾子與滾道的接觸面呈現(xiàn)非對稱形狀，接觸力增大。滾子重載端應(yīng)力高于中心應(yīng)力，中心應(yīng)力高于輕載端應(yīng)力，應(yīng)力分布不均勻，因此滾道磨損痕跡不均勻。工作過程中，重載端應(yīng)力可能超出材料的接觸疲勞強度，長時間工作會造成重載一側(cè)裂紋，甚至剝落。

3.2 偏載原因分析

偏載的原因為不對中和傾覆力矩。根據(jù)故障件主要尺寸計量結(jié)果，軸承與軸承座孔的間隙值如下：主動齒輪軸兩端的軸承與軸承座孔的間隙分別為0.011 mm和0.023 mm，間隙相互差達到0.012 mm；從動齒輪軸兩端的軸承與軸承座孔的間隙分別為0.010 mm和0.008 mm，間隙相互差為0.002 mm。主動齒輪兩端的軸承與軸承座孔的間隙相互差明顯偏大，不對中明顯。

3.3 仿真分析

由于滾道接觸力模型非常復(fù)雜，無法利用公式計算不對中導(dǎo)致的接觸應(yīng)力變化，因此利用仿真軟件，按照互差值為0.012 mm的狀態(tài)建立模型，開展?jié)L子接觸力的仿真。

3.3.1 接觸力模型。采用切片技術(shù)計算滾子接觸力：沿著滾子軸線方向平均劃分為k個切片，每個切片的寬度為w=L/k，用Palmgren公式計算接觸力。內(nèi)圈趨近量如圖5所示。內(nèi)圈相對于外圈的轉(zhuǎn)角為θ，內(nèi)滾道上存在一點B，使內(nèi)外圈傾斜前后維持相同的距離，由此計算出滾子與內(nèi)滾道接觸的變形量。

3.3.2 軸承應(yīng)力分析。以齒輪兩端軸承為分析對象，安裝間隙相互差為0.012 mm。根據(jù)運轉(zhuǎn)工況和實際配合方式，考慮重力及離心效應(yīng)的情況下，對軸承進行擬靜力學(xué)仿真分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

3.3.3 仿真結(jié)論。由仿真結(jié)果可知，滾子與滾道接觸過程中存在邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象，接觸應(yīng)力結(jié)果最大為4 018 MPa，位于靠近齒輪側(cè)端面處，接近材料滾動軸承鋼GCr15的接觸疲勞強度4 000 MPa。應(yīng)力最大處與故障件剝落位置吻合。

3.4 剝落原因

由上述分析可以確定，軸承與軸承座孔間隙相互差較大引起的偏載是造成軸承疲勞剝落的原因。

4 解決措施

4.1 解決措施一

壓縮軸承與殼體間隙以減小間隙相互差。按照上述仿真計算方法，對不同相互差狀態(tài)下軸承的受力進行計算，得出滾子與內(nèi)外滾道接觸應(yīng)力，見表1。由仿真結(jié)果可知，相互差為0.009 mm時，軸承的受力即能滿足要求。

4.2 解決措施二

對滾子母線進行修形，如圖8所示。修形能夠有效避免或者降低“邊緣效應(yīng)”，改善邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)滾子修形經(jīng)驗，確定滾子修形方式：修形半徑R為2 792 mm，凸度為5 μm［3］。

按照上述仿真計算方法對修形措施進行受力計算，得出滾子與內(nèi)外滾道接觸應(yīng)力，見表2。

由仿真結(jié)果可知，修形狀態(tài)在較大的相互差（0.015 mm）的條件下，滾子和滾道的接觸應(yīng)力仍滿足要求。

上述兩措施均進行了實物驗證，未再出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，措施有效。

5 結(jié)論

本文通過對影響軸承可靠性的剝落問題進行原因分析、對滾子和滾道接觸應(yīng)力進行仿真計算，找出了軸承滾道剝落的原因為主動齒輪兩端軸承與軸承座孔相互差較大導(dǎo)致軸承受力偏載，進而造成滾子和滾道接觸應(yīng)力超出材料許用值。制定的壓縮同一根軸兩端軸承與軸承座孔相互差范圍和滾子修形兩措施均驗證有效，解決了軸承滾道剝落問題，提高了該主燃油泵的可靠性。

本文通過原因分析和措施驗證，為軸承剝落問題的分析和解決提供了思路和方法，對提高軸承的可靠性具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

［1］何存興.液壓元件［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［2］鄧四二，賈群義.滾動軸承設(shè)計原理［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］袁茹，王三民.滾子修形對軸承性能影響的研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，1997（1）：61-64.