基于Romax的双内圈双列角接触球轴承故障分析及设计改进

张磊，毕明龙，周丽丽

(中国航发哈尔滨轴承有限公司 研发中心，哈尔滨 150025)

随着航空发动机的发展，双内圈双列角接触球轴承的应用越来越广泛，其可以节省安装空间,且能承受径向和轴向载荷的联合作用，抗弯矩能力强。在试验过程中发现某航空发动机双内圈双列角接触球轴承发生故障，对故障原因进行分析并提出改进措施，以提高轴承的可靠性。

1 故障特征分析

1.1 运行工况

轴承外圈通过螺栓固定在前机匣上，内圈通过过盈配合安装在从动锥齿轮轴上，受力通过齿轮传递，受力点在轴承一侧，轴承还承受弯矩载荷。轴承转速为39 800 r/min，工作温度为100～150 ℃，有启动和工作2种状态。每个工作循环前30 s为启动状态，其余时间为工作状态,启动状态轴承承载较大，受力方向与工作状态相反。

1.2 故障特征

对某型发动机进行试验746 h后,发动机发生磁堵报警，拆卸后发现有近30片金属屑，通过检测发现金属屑材料为8Cr4Mo4V，与轴承内圈材料一致。拆机发现No.7支点轴承旋转灵活性差，存在卡滞现象，轴承整体形貌如图1所示，拆套后发现该轴承靠近外圈安装边一侧内圈沟道发生剥落(图2)。

图2 内沟道剥落形貌

故障轴承外观完整，无高温变色。靠近外圈安装边一侧内圈剥落区约占整个圆周的1/4，形貌为鳞片状剥落，轴向呈满沟状态，挡边未见挤压翻卷痕迹。另一列内圈沟道未剥落区沟道和挡边均未出现明显损伤痕迹。

用扫描电子显微镜观察内圈沟道剥落区域，其微观形貌如图3所示。在低倍显微镜下剥落区呈弧形的波纹形态，并沿周向扩展。在高倍显微镜下为间断型剥落和辗压混合形貌特征。剥落位置轴向两侧呈破碎状态，在高倍显微镜下可见细密的疲劳条带特征。此外，剥落区周向两侧还可看到即将剥落、呈裂纹式的碎片。

图3 内圈剥落区表面微观形貌

经失效分析，轴承内圈沟道剥落的失效模式为接触疲劳剥落。从故障轴承内圈磨损痕迹可以看出，由于轴承结构参数设计不合理，轴承靠近安装边一侧载荷较大，导致内圈沟道剥落。

2 故障原因分析

从动锥齿轮啮合位置如图4所示，故障轴承主要承受锥齿轮的径向力、轴向力和周向力，还承受联合载荷对轴承的弯矩载荷[1]。

图4 从动锥齿轮啮合位置

每列轴承的受力情况见表1，在启动和工作状态下，靠近外圈安装边侧轴承受载均大于远离安装侧轴承。

表1 改进前轴承的受力情况

双列角接触球轴承在预紧情况下，当锥齿轮轴受到轴向力作用时，载荷首先作用于靠近安装边侧轴承内圈，通过钢球传递到外圈，再通过外圈和另一列钢球传递到另一列轴承内圈。2列轴承同时承载的关键因素是：在工作时剩余一定的径向游隙，消除轴向游隙；轴向游隙为适宜的负游隙，从而形成轴向预紧。若轴承在工作中不能完全消除轴向游隙，2列轴承不能形成有效预紧，远离安装边侧轴承会出现卸载，靠近安装边侧轴承所承受的载荷会变大，从而产生疲劳剥落。

3 改进措施

3.1 增大径向游隙

轴承安装在轴承座上，由于过盈配合，内圈膨胀，外圈收缩，径向游隙减小，形成安装游隙。在工作状态下，内圈温度高于外圈，内圈膨胀使径向游隙减小，当内圈转速较高时，内圈因离心力作用膨胀也会使径向游隙减小，形成工作游隙。

改进前轴承初始径向游隙为0.012～0.016 μm，通过计算，工作时径向游隙几乎为0，改进前轴承配套径向游隙偏小，经计算分析，将径向游隙增大到0.031～0.035 μm，可避免轴承在工作过程中因径向游隙过小增加摩擦热，造成温度升高，轴承早期失效。

3.2 减小轴向游隙

轴向游隙是双内圈双列角接触球轴承的一个重要参数，会影响2列轴承的载荷分布及轴承寿命。轴向游隙过大时无法形成有效预紧，导致单列轴承承载；轴向游隙过小会使预紧力过大，工作时所受载荷增加。适当的轴向游隙能确保轴承在工作过程中形成合适的轴向预紧力，将轴承的轴向游隙值由27～33 μm调整为8～12 μm。

3.3 增大接触角

径向游隙变化，接触角也相应变化。因轴承转速较高，为减少钢球旋滚比，将接触角由12°～18°调整为23°～28°，增大接触角，会提高轴承轴向承载能力及抗弯矩能力。

3.4 减小钢球直径，增加钢球数量

在满足承载能力的要求下，钢球直径由5 mm减小到4.763 mm，钢球个数由12增加到15，有利于提高轴承的高速性能。

对改进后的2列轴承进行分析，与改进前相比，轴承载荷分布有较大改善，工作状态下靠近安装边侧受力降低，因2列轴承支点位置不同，受力不可能均匀分配，改进后2列轴承受力情况见表2。

表2 改进后轴承的受力情况

4 仿真分析

基于Romax拟动力学软件模拟轴承工况条件，分别对改进前后的轴承寿命、套圈接触应力、钢球所受最大载荷进行分析[2]，分析结果如图5、图6所示,改进前后的寿命见表3。

表3 改进前、后寿命对比

由图5、图6可知：

图5 改进前分析结果

图6 改进后分析结果

1)改进后轴承钢球受载均匀，且全部承载。

2)改进后承载钢球个数多，在相同载荷条件下，套圈与钢球接触应力减小，寿命提高。

改进后轴承接触应力、计算寿命均优于改进前，改进设计后轴承满足应用要求。

5 结束语

通过对某型发动机用双列角接触球轴承故障原因进行分析，得出轴承结构参数设计不合理,造成轴承靠近安装边一侧承受的局部载荷偏大，导致内圈滚道剥落。基于Romax动力学软件分析，提出增大径向游隙、减小轴向游隙、增大接触角、减小钢球直径、增加钢球数量的改进措施，改进后的轴承进行1 000 h装车试验，试验后的轴承内、外沟道正常，两内圈沟道存在较均匀的接触痕迹，无异常磨损现象,满足了使用要求。