某柴油机飞轮轴承卡滞故障分析及可靠性提升

0 引言

滚动轴承具有结构紧密、转动力矩小、易启动、使用寿命长、性能稳定，标准化程度高等特点，因此在整个经济的几乎每个行业里都有着非常普遍的使用。滚动轴承在机械运转件中的主要作用是传递动力和支撑运动，是发动机飞轮组件的关键旋转支撑部件，因此其性能的好坏直接关系着整个机械部分的运行精度、稳定性、可靠性、寿命等，轴承损坏直接导致发动机后端可靠性，从而导致整车的故障。总之，滚动轴承产品的质量水平，对机械设备的质量有直接影响，甚至毫无夸张的讲，滚动轴承可靠性对制造业经济的迅速发展都有着相当重要的作用和意义。由于轴承其内部结构紧凑、不可分离，适用于高转速甚至极高转速运行，并且非常耐用，内部深沟形的滚道加上滚道与钢球之间有极好的密合度，使得深沟球轴承即使在高转速条件下除了承受径向负荷外，还可以承受双向的轴向负荷，轴承内外圈的良好运行与转速，钢球和保持架作用力，温度、润滑以及保持架材料几何尺寸等均有关系

。目前，其广泛应用在发动机后端飞轮中，与整车变速箱进行匹配。精密轴承的卡滞情况时有发生，成为限制整机长寿命、高可靠性发展的重要因素，因此，需要对飞轮轴承进行计算仿真评估，找到影响其运行的规律特征，为其更可靠的应用提供重要的理论支撑。

深沟球轴承的基本结构包括内圈、外圈、滚动体和保持架四大部分(如图 1)，为了减小轴承的运转力矩和启动摩擦力矩，其中一版在内圈填充润滑脂，从而防止局部高温产生极大的热量造成油膜破坏，局部烧伤导致寿命缩短

。部分轴承带有防尘盖防护，可有效保护内部清洁，防止过早失效，实物图见2。

以某飞轮轴承为研究对象，通过分析轴承组件的发热机理及温度分布，利用有限元分析软件，得到了在不同转速、轴向载荷、径向载荷、环境温度和发动机功率下轴承组件内各部位的温度分布，为分析轴承组件的热应力、热变形提供可靠的温度场依据，同时，可以对飞轮的故障、失效分析及延长寿命提供依据。以下为某发动机配套过程中，因主机厂选用错误型号深沟球轴承的案例，进一步详细分析轴承卡滞故障，以及设计中如何全面考虑设计细节，通过仿真手段提前预防轴承卡滞的故障。

1 故障简介

飞轮轴承为满足中高转速的要求，其润滑机理是，保持架采用了浸油处理的多孔高分子材料，当轴承运转是由于内外循环动力的作用润滑油在保持架、钢球和沟道之间循环流动，维持完整润滑油膜，轴承的失效最终表现为轴承内沟道钢球因受异常力破环润滑导致轴承失效

。

某机型柴油机在主机厂配套过程中多次出现轴承卡滞的故障。经现场跟踪拆检，锁定为轴承内圈卡滞导致的轴承无法正常运转(见图3、图4)，内部结构严重损坏。多台机器出现的故障现象及模式均一致、规律性强，所以需要进一步确定轴承内部失效的最终原因。

2 原因初判：

由于飞轮轴承失效模式多样，内部结构相对比较复杂，汇总故障树分析如下(图5)。由于现场确认测量飞轮轴承安装孔内径相对较小，轴承安装较为困难，需要施加较大外力操作，故分析重点考虑飞轮本体变形后，导致轴承安装孔的缩小，或本身加工不合格，外力安装轴承导致内部游隙过小卡滞的可能性最大，需进一步从仿真计算的角度出发进行最终原因的确认。

本次圆桌会议围绕围术期规范化镇痛展开，生理上的无痛依赖于麻醉专业提供的良好的围术期镇痛。心理上的无痛依靠医护人员的良好态度，即医护人员对患者的人文关怀；那我们应该如何将人文关怀融入到围术期镇痛管理方面呢？笔者认为主要体现在以下几个方面。

3 故障分析排查

轴承游隙是很重要的使用特性，游隙的大小，对轴承自身疲劳寿命、振动、噪音、频率、温升和机械运转精度等影响很大，故轴承的选择，既要决定轴承的结构尺寸，又要选择轴承的游隙，轴承内部游隙(图6)的定义为其中一个轴承套圈相对于另一个轴承套圈在径向(径向游隙)或轴向(轴向游隙)可移动的总距离。更为细致的讲，滚动轴承的游隙是指当轴承一个套圈固定并且另一个套圈不受载荷时，可移动套圈沿径向或轴向从一个极限位置到另一个极限位置的移动量，其中轴承套圈沿径向的移动量称为径向游隙。对球轴承而言，径向游隙的理论值是外滚道直径减去内滚道直径与两倍滚动体直径，即径向游隙是滚动轴承应用中的一个重要参数，不同的径向游隙所对应的轴承振动特性也不相同。在不同应用工况，不同应用场景中，轴承游隙设计是不同的，若设计过小，容易导致轴承卡滞情况，游隙过大，影响配合精度，间隙过大更容易导致噪声振动问题

。

由于轴承所处的状态不同，游隙分为原始游隙，配合游隙、工作游隙。原始游隙是轴承在安装前的游隙值，是无载荷时的游隙值，这是轴承制造厂的原始设计值。当轴承内圈安装在轴上或者外圈安装于安装孔内后，轴承外圈的径向尺寸会发生变化，一般轴承因为过盈装配而发生外圈的收缩，导致轴承内部的游隙减小。此安装游隙叫做配合游隙，此间隙受轴承结构，尺寸、轴和壳体形状不同而不同。轴承在实际运行过程中，轴承套圈因为温升及内外圈温差的影响，收到工作载荷的作用，轴承滚动体和滚道接触会发生弹性变形，轴承间隙会有所变化，此成为工作游隙。

轴承与飞轮采用过盈配合；

但这些职称系列与科普辅导员本质工作并不契合，以群文馆员系列为例，评职称的要求主要以群众文化实践经验、展览演出、获奖成果、文学创作、课题研究等方面展开。其评价指标和科普辅导员在展厅工作内容关联度不大，两者无法有效结合，职称评定时存在较大难度。同时，作为科技馆工作者，参与群文系列与文化馆、群艺馆的文艺工作者共同参与评比或者是参与文博系列馆员的评定，与文物、博物馆系统人员竞争，在提交的资料和业绩上处于不利地位，通过率较低，打击科技馆从业人员参评积极性。

根据陈国权《2017中国报业发展报告》，专业报纸因致力于细分市场，读者对象更明确，总印数降幅较小，市场前景良好。但面对“互联网+”模式的冲击，专业报也融入新媒体中，深挖读者需求，谋求进一步发展。根据中山大学张志安教授团队完成的《2017年中国新闻业年度发展报告》显示，2017年传统纸媒发展和转型形势依然严峻。相比于党报、专业报，综合商业报由于缺乏政策红利、盈利模式相对单一、新型收入探索艰难、服务功能更易被网络所替代等原因，转型面临诸多困难，相继停刊。因此，综合商业报必须攻难克坚，在2017年继续与新媒体融合，寻找生存和发展的出路。从整体上看，党报在2017年与新媒体融合方面成效显著。

3.1 计算边界确认

随仿真软件的日趋完善，软件开发及力学分析已趋于成熟，有限元计算可以有效解决工程学研究遇到的问题和难点，以故障柴油机的飞轮总成及装配组件为例进行计算模型搭建，模型元件包括飞轮、飞轮齿圈、轴承单元、飞轮螺栓组成。由于装配组件的实际结构变形是十分复杂的，要建立一个完整的，包含所有结构的数学分析模型是不现实的，考虑到飞轮的实际工作情况，具有载荷小、精度要求高，长寿命和低摩擦的特点，故在不影响分析的情况下对模型搭建进行了部分简化。

施加载荷步：

2)飞轮轴承具有对称结构，忽略人为装配产生的不均匀变形；

3)忽略轴承各零件材料的各向异性；

根据仿真计算及试验件拆检测量的结果，重点从降低变形、增加游隙两方面入手，有针对性的提供解决措施。实际测量零件尺寸，无螺栓把紧状态下，轴承安装孔实际尺寸已超出设计下限值。把紧螺栓后安装孔的内径进一步的缩小。与仿真计算趋势相符，故提出以下解决措施：

1、飞轮轴承孔加工尺寸必须满足设计要求；

确认飞轮螺栓M14×1.5,10.9级，转角法屈服拧紧，螺栓力103kN-129kN；轴承外圈与飞轮过盈量半径0.0195mm；飞轮材料HT250，飞轮轴承按照主机厂的选择为C0游隙(通过轴承规格标准查询游隙范围为0.005mm至0.02mm)，其余部件为钢，搭建模型见图7。

1)忽略轴承内外圈因为制造工艺产生的应力不均匀分布；

第一步：飞轮螺栓按照最小预紧；

表盘正中心一颗玫瑰金太阳在表盘中央熠熠生辉，镀铑金流星、粉红珍珠母贝水星、绿色珐琅金星、绿松石地球及钻石月球分布在四周，每颗星体均按照其在自然界中实际围绕太阳公转速度而运行。梵克雅宝将神秘的宇宙栩栩如生地呈现于眼前，惊人赞叹。

第二部，飞轮螺栓最大预紧；

本文在分析本地和远程生物信息系统模型基础上，提出了一个基于数据仓库的架构思想的、适用于病毒序列数据库的集成系统架构。其目的是实现对病毒序列数据的分类提炼、整理和系统化，并提供相应的集成分析服务。同时以流感病毒序列为例，建立了一个流感病毒序列集成数据库系统，为相关数据库的构建积累了一定的经验。下一步将对更多病毒类别（如肠道病毒、腺病毒等）的数据进行集成，进一步扩充和完善现有的病毒序列集成数据库系统。

对于轴承的游隙，必须区分在安装之前的游隙，与安装后并达到其工作温度的游隙(工作游隙)。轴承的初始游隙(安装前)一般比工作游隙大，是由于不同过盈量的公差配合，以及轴承套圈与邻接部件不同程度的热膨胀，导致套圈膨胀或压缩

。

3.2 有限元计算

2、可减小配合的最大过盈量，由于轴承一般为标准件，可适当增加下轴承安装孔的直径；

1)飞轮螺栓最大预紧力下，提取飞轮内径变化量：内径最大变化量0.0096mm，可见图8，

2)飞轮螺栓最大预紧力下，再考虑最大过盈下，提取飞轮内径变化量，内径最大变化量0.018mm，可见图9。

3)飞轮螺栓最大预紧力下，考虑最大过盈下，提取飞轮轴承外圈外径变化量，外径最大变化量-0.021mm(max)，此值已经大于轴承游隙C0级(0.005mm-0.020mm)，存在卡滞风险，见图10。

3.3 计算结果分析

通过以上计算可以得出结论，在飞轮螺栓把紧状态下，飞轮局部在轴力作用下会发生变形(图11)，飞轮轴承安装后，考虑最大过盈量下，螺栓轴力把紧变形后，由于螺栓力的作用飞轮的安装孔发生变形，再考虑过盈装配的影响，以及温度的影响，轴承外圈最大变形量提取值达到0.021mm超过了此规格轴承游隙C0范围(0.005mm-0.020mm)，会出现轴承内部钢球和沟道干涉卡滞、运行不畅问题。

4 优化措施及效果

4)忽略轴承内部钢珠、离心力对轴承径向、轴向载荷的影响

。

为了全面掌握我国基层水利发展基本情况，课题组采用点面结合的方法，对全国31个省（自治区、直辖市）（不含台湾省、香港特别行政区、澳门特别行政区）开展了问卷调研。截至2008年9月，除北京、黑龙江、湖南、广东、新疆之外，共有26个省份反馈了信息。

四是注重心理素质健康教育培训。针对监狱戒毒警察工作生活中面临的监管安全压力、执法安全压力等导致的心理问题，河南省司法厅联合高校举办由政工干部和基层业务骨干参加的心理健康教育能力素质提升培训班，引导政工干部把心理矫治的手段运用到干部思想政治工作中，引导基层一线警察掌握释放自我、缓解压力的手段和方法。各直属单位也把队伍心理健康教育作为教育培训的重要内容，定期邀请社会心理咨询专家或利用单位内部心理咨询师对警察开展心理辅导、心理知识讲座、心理咨询、心理拓展、心理矫治等心理素质培训，使队伍掌握应对压力和解决心理问题的方法技巧，有效缓解工作生活压力，提升心理健康水平。

苹果树“巧施肥”，要突出一个“巧”字，要巧在时间点上，巧在施肥量上，巧在配方上。下面，笔者结合对陕西彬州市南北两塬果园施肥情况实地调查，谈谈苹果园如何巧施肥。

按照以上要求完成模型搭建后，通过有限元计算手段详细对比分析，只考虑装配力矩、温度的影响：

3、在轴承安装孔与轴承外壳配合尺寸不变的前提下，可考虑适当增加轴承的游隙C0级(0.005mm-0.0020mm)增加至C3级(0.013mm-0.028mm)，即考虑各种变形因素后，轴承外壳变形量也小于轴承内游隙设计，防止卡滞情况。

5 验证效果

在此故障机器中，由于飞轮结构均为常年配套成熟机型，结构尺寸未做变更，轴承为主机厂配套单独采购，由此判断为轴承选配不当导致。故采用游隙更大的飞轮轴承可解决，新轴承现场试装验证，实际测量轴承的运转情况良好，均未出现卡滞情况，达到理想效果，可见图(12)，性能及可靠性指标均满足要求。

6 经验总结及固化

通过仿真计算与实际案例对比分析相结合的方式，深究原因，考虑飞轮结构壁厚，螺栓轴力，温度、配合过盈量的综合影响，从仿真角度得出与实际测量相一致的结论，从而实现轴承配套的正向设计。有效进行风险预测，可避免因设计选配不当导致轴承卡滞故障的发生。

飞轮轴承的设计原则可归纳总结如下：

a、保证最大过盈量下的变形量小于轴承游隙，防止卡滞；

可见，生产力、生产方式、经济基础的决定作用是“归根到底”意义上的，在实际的历史行程中，上层建筑包括政治体制、法律制度、意识形态，当然也包括领袖人物的活动，都会对经济基础产生这样那样的反作用，而且往往决定着历史运动的“斗争形式”。历史上的成功的变法、革命、改革，都是例证。这些变法、革命、改革，推动了国家经济、政治、文化、教育、交通、军事、财政等领域的迅速进步，都会对时代产生重要影响，其中成果卓著者则会开创新时代。

b、保证最大间隙下的变形后存在过盈量，轴承无法脱出；

c、建议轴承/底孔安装配合采用过渡配合，可适当降低最大过盈量；

d、根据不同结构仿真计算，适当选择大游隙C3/C4级轴承。

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