某型直流发电机密封轴承故障分析及结构改进设计

温丽超， 刘英华， 张振宇

某型直流发电机密封轴承故障分析及结构改进设计

温丽超1， 刘英华2， 张振宇1

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150025；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 质量保证部，黑龙江 哈尔滨 150025）

近年来，某型直流发电机密封轴承在外场使用中多次发生故障，造成系统不发电。根据存在的问题，对轴承结构进行了改进。改进后的轴承经过多次考核，运转正常，未出现故障，满足了直流发电机的使用要求。

直流发电机；密封轴承；故障分析；结构改进设计

1 前言

近年来，某型直流发电机密封轴承在外场使用中多次发生故障。根据掌握的故障信息统计来看，从1999年研制至2010年3月，该轴承累计共发生故障13起，主要表现为轴承抱轴损坏、卡滞、转动不灵活、保持架损坏等现象，造成系统不发电。这些故障直接影响了直流发电机的正常交付，也给设备的使用安全带来隐患。通过故障形貌分析故障原因，同时搜集了国内外的相关文献资料及国外样件的测绘分析的结果表明，应该从优化密封结构和设计参数等方面入手来提高密封轴承性能的可靠性，彻底解决了该密封轴承在使用过程中出现的故障问题。

2 密封轴承技术参数和结构

2.1密封轴承技术参数

轴承结构：两面带密封圈的深沟球轴承。

外形尺寸：φ25mm×φ52mm×18mm。

安装方式：水平安装，传动端轴承的内圈轴向固定，外圈可轴向移动；非传动端轴承的内圈、外圈轴向固定，无轴向移动。

工作载荷：径向：63kg；轴向：70kg。

负荷性质：冲击最大7.33g（g─重力加速度）。

工作温度：-60～200℃，瞬时300℃。

旋转方式：内圈旋转。

转 速：5 000～8 000 r/min。

2.2密封轴承结构

密封轴承结构见图 1，采用的是接触式密封结构（垫圈+橡胶密封圈+弹簧圈）的形式。套圈和钢球材料为轴承钢(GCr15)，套圈进行250℃高温回火，保持架材料为铝青铜(QAl10-3-1.5），额定寿命为1 254 h。

3 密封轴承故障原因分析

图1 密封轴承结构简图

根据轴承出现的故障情况，从轴承质量、轴承使用、配合件精度和选配四方面进行事故排查，排查结果如下：

（1）轴承保持架采用铝青铜材料，耐磨性较差，工作中易与套圈及钢球间摩擦产生磨屑，磨屑进入轴承内部混合在润滑脂中，造成润滑脂的污染，影响润滑效果，同时增大轴承工作表面的摩擦磨损，对轴承使用影响较大，易加速轴承失效。

（2）该轴承采用的密封结构为弹簧圈夹密封圈的结构，密封唇贴在内圈的牙口上，由于外圈牙口与内圈的牙口产生的错位可能会影响到密封唇对内圈牙口的密合紧度，如紧度过小，会影响油脂的溢出，造成轴承润滑不良，产生轴承卡涩；同时，密封槽的粗糙度低会增加与密封圈的摩擦 ，摩擦力增加会影响密封圈的工作性能，会产生密封失效等效果。

（3）大多数故障中，保持架均存在外引导面磨损的现象，轴承内部附有金属铜屑，钢球表面在运转过程中产生压痕和压坑。经分析，保持架有效引导面宽度较窄，在使用过程中，易产生旋转不稳定，造成保持架挡边与套圈外内径异常磨损。

（4）有部分轴承使用时间超过了轴承寿命要求，未经验证继续使用，轴承的剩余油脂无法保证轴承的有效运转。

（5）故障轴承存在旋转不灵活现象，轴承各零件之间存在较大的摩擦力或者轴承存在变形、破坏等因素。

4 密封轴承结构改进

根据密封轴承的技术要求及以上故障原因分析轴承结构，对该轴承采取了以下改进措施。

（1）保持架材料由铝青铜变为酚醛胶布管

酚醛胶布管保持架具有较高的耐磨损性能和自润滑性能，有一定的弹性、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等，适用于高速油、脂润滑。为了更好表现其力学性能，在保持架两端面粘接铝片进行强化，有效提高了轴承的自润滑性和抗冲击性，满足轴承的技术参数。

（2）密封结构由L型改为U型

该轴承原采用L型密封结构（见图 2），密封圈贴在内圈缺口处，靠密封圈与内圈的接触来阻止润滑脂流失。轴承在运转过程中，密封圈可能受内部润滑脂搅拌产生的压力，使密封圈变形，润滑脂流失，而U型结构的密封圈完全与内圈的牙口结合在一起，牙口限制密封圈的变形，能有效阻止润滑脂的溢出（见图 3）。

图2 改进前密封示意图（L型）

图3 更改后密封示意图（U型）

（3）提高保持架的有效引导宽度

为提高轴承保持架的有效引导宽度，将球径由7.938mm更改为7.144mm，保持架有效引导宽度由2.1mm增大到2.9mm。为保证轴承承载能力，钢球数量由9个调整到10个，并通过寿命计算，改进后轴承的额定寿命为1 646 h，仍远远大于寿命600 h的要求。

（4）精度等级由P6级提高到P5级

为提高轴承的可靠运转，将轴承的精度等级由P6级提高到P5级，使轴承的配合、旋转稳定性及润滑等性能得到提高。P6级和P5级轴承的尺寸精度见表 1。

表1 P6级和P5级轴承的尺寸精度、旋转精度值 /mm

通过表 2 可以看出，P5级轴承比P6级轴承的尺寸精度、旋转精度及沟道粗糙度值高。

（5）为保证密封轴承的匀脂和漏脂要求，增加了产品的匀脂漏脂试验要求，经试验，匀脂和漏脂满足该技术规范。

5 密封轴承结构试验

为验证改进后的轴承密封质量稳定性，选用8套合格的轴承进行1 800 h寿命试验。经验证，未发生故障，保证了产品的可靠性。

试验结论为：试验后，8套轴承均转动灵活，无失效零件，外观无变化，通过了1 800 h寿命试验，试验前后的检测数据如表 2。

表2 8套轴承试验前后的检测结果/μm

6 结束语

根据外场存在的轴承故障问题，提出了针对性的解决措施，对轴承进行了改进，改进轴承完成了1800 h寿命试验考核，在考核中运转正常，未出现故障，满足直流发电机的使用要求，并解决了前期轴承出现的故障问题。

（编辑：王立新）

Failure analysis of a sealed bearing of direct-current generator and structure improvement design

Wen Lichao1,Liu Yinghua2,Zhang Zhenyu1
(1. Bearing R&D Center,AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China;2. Department of Quality Assurance,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd, Harbin 150025,China)

In the recent years, a sealed bearing of direct-current generator broken down many times during operation, and it caused the system power off. According to these failure, the bearing structure was improved. After many examination, the improved bearing is well running,and no failure to satisfy using requirement.

direct-current generator;sealed bearing; failure analysis;structure improvement design

TH 133.33+1

A

1672-4852（2015）01-03-03

2014-12-31.

温丽超（1986-），女， 工程师.