圆柱滚子轴承故障分析与改进

赵铭

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，圆柱滚子轴承在使用过程中发生故障，滚子一侧发生剥落，内圈滚道发生挤压磨损。对故障件进行形貌分析、轴承复查、内圈与外圈倾斜角测量、轴承抗倾斜角及接触应力计算。结果表明：轴承在工作过程中产生较大倾斜角，滚子轮廓与内圈滚道边缘接触，产生应力集中，导致滚子剥落与内圈滚道挤压磨损。通过增加滚道长度及滚子凸度量的改进措施，防止边缘接触，降低接触应力，可预防此类故障。

关键词：剥落;倾斜角;应力集中;滚道长度;滚子凸度量;接触应力

引言

装配是发动机轴承应用过程中的重要环节，如装配时滚动体承受冲击载荷，可能造成滚动体或套圈表面损伤，导致轴承早期失效。一旦失效，会导致发动机转子失稳，后果不堪设想。因此装配质量的好坏对轴承的安全可靠运行具有重要作用。某型发动机在试验台试验后分解，发现支承燃气发生器的圆柱滚子轴承保持架侧梁处可见一处贯穿性裂纹，两颗滚子脱出。经故障分析，保持架断裂主要原因是装配不当导致轴承预损伤。通过分析原装配工艺轴承预损伤的形成原因，本文设计了一套工装并改进装配工艺，后续轴承装配后再出现类似故障。

1仿真分析

根据高速列车轴箱轴承工作特点，尤其是滚动体与保持架之间复杂的受力及运动关系，仿真时需要进行如下假设：1）忽略轴承兩端的端盖、油挡环等密封装置的影响。2）忽略轴向、径向间隙对油膜的影响，因为该高速列车轴箱轴承采用酯润滑，出厂时轴承的径向及轴向游隙均已经调好。3）设零件各部件为刚体，忽略轴承的柔性变形，若零件接触产生局部形变时，视为弹性形变。4）在轴承外圈外表面施加固定约束，限制其自由度，以模拟外圈与轴箱装配状态;轴承外圈侧表面施加固定约束，以模拟轴承箱体约束;轴承内圈内表面施加轴向约束，以模拟内圈与轴的连接状态。

2圆柱滚子轴承故障分析与改进

2.1轴承接触应力计算

轴承工作最大径向载荷为13 kN，根据RomaxDesigner软件计算滚动体最大接触载荷为2.419 kN，采用有限元软件建立内圈与外圈形成5.5′倾斜角的分析模型并对接触区网格进行细化。各接触对设定摩擦接触，对轴承外圈设置固定约束，在内圈内径面施加载荷，并进行分析求解，最大接触应力为2 225.7 MPa，位置出现在滚道边缘，应力值超过2000 MPa，不满足材料长时间工作要求。根据上述分析可知，轴承设计允许倾斜角小于轴承实际工作倾斜角，产生滚子圆弧段与内滚道边缘接触，产生较大的应力集中，导致滚子剥落与内圈滚道挤压磨损。

2.2工装组成及装配工艺改进

新设计的工装主要包括大螺母、拉杆、压块、液压缸等。压块设计成工字形，与拉杆大间隙配合，方便拉杆在压块内孔中上下移动，工字形大端面直径比接触的涡轮轴端面直径稍大些，方便液压力的传递。压块上端依次放置液压缸、大螺母。大螺母与拉杆上端通过螺纹连接成整体。工作原理如下：液压缸产生液压力对涡轮轴进行装配，使得滚子平缓经过内圈引导面，减少冲击和振动。通过多次工艺试验发现液压力5MPa时，涡轮轴可克服与转子连接轴处两处过盈在常温下装配到位。基于新工装改进装配工艺，将原装配工艺工序3修改成以下操作，其余不变。（1）穿过中心拉杆将拉杆装入引导套内螺纹，手旋转拉杆使其装配到底后再拧松1/4圈（拉杆装配、分解过程应注意不碰伤涡轮轴端齿）。（2）穿过拉杆在涡轮轴去材料台阶上安装压块、液压缸、垫块及大螺母。（3）拧紧大螺母至液压缸伸长量置零后拧松1/4圈螺纹，对涡轮轴打压，压力不大于5MPa，卸除液压缸压力，拧松大螺母（每次打压中液压缸伸长量应不大于1mm，目的在于尽可能减少滚子损伤）。（4）按步骤2反复打压4～5次至涡轮轴装配到位。

2.3圆柱滚子轴承内圈脱出问题原因确认

根据上述的分析可知，在钢带拉力作用下，轮轴与圆柱滚子轴承之间不会完全不存在轴向力的产生，再加上产品制造及装配的误差，轴向力会加大。当轮轴受力运转及制造误差造成的轴向力总和大过轴承的结合紧固力时，轴承就会在轮轴上的原始位置发生滑移。轮轴变形产生的轴向力的数值计算比较复杂，此处就不作具体推导计算。从CAE分析的结果——主动轮轴的锥面法兰轴承位处有0.084mm变形可知轴向力不会太小，轴承与轴的最小过盈量结合紧固力23.73N与其相比肯定微乎其微。由此，可以确认，此CVT产品在台架试验出现的主动轮轴的圆柱滚子轴承内圈脱出的故障原因，是零件设计给定的轴承与轮轴的配合过盈量不足，同时结构设计上没有轴承在轮轴上的限位防脱结构。

结语

1）考虑滚子凸度结构，以半正弦函数和固定值描述滚子故障与内、外滚道的接触变形激励，获得滚子与滚道之间的作用力和力矩，引入Newton-Euler动力学系统方程，从而构建了滚子局部故障轴承动力学分析模型。2）滚子故障与滚道作用使外圈加速度响应上产生周期性冲击，滚子故障与内滚道间的冲击载荷使滚子运动加速，而与外滚道间的冲击载荷则使滚子减速;在承载区内，轴承振动幅值较大，滚子故障与内、外滚道均发生碰撞，主要频率为滚子故障频率的半频;非承载区内，滚子仅与外圈滚道发生碰撞，主要频率为滚子故障频率;相邻承载区内，峰峰值之间的时间间隔与保持架频率对应，代表滚子的公转运动周期。

参考文献：

[1]东亚斌，廖明夫.具有局部故障的滚动轴承的动力学分析（II）内圈具有单一局部故障[J].机械科学与技术，2012，31（5）：599-693.

[2]东亚斌，廖明夫，张小龙.具有局部故障滚动轴承的振动分析（I）外圈具有单一局部故障[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012，44（1）：147-152.

[3]关贞珍，郑海起，王彦刚，等.滚动轴承局部故障动力学建模与仿真[J].振动、测试与诊断，2012，32（6）：950-955.

[4]刘静，邵毅敏，秦晓猛，等.基于非理想Hertz线接触特性的圆柱滚子轴承局部故障动力学建模[J].机械工程学报，2014，50（1）：91-97.

[5]任帅，徐可君，秦海勤，等.具有外圈单一点蚀故障的滚动轴承动力学建模及仿真[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2014，28（1）：85-90.