两器生产线升降机直线轴承破损的分析及预防措施

王鹏鹏

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

直线轴承是一种精确的引导元件，具有优秀的交换性和小巧的尺寸，装配简便，造价便宜，维护简单等优势。由于其高效的性能，直线轴承已被应用于热交换器机械设备、纺纱设备、食品加工设备、钣金注塑设备等工业生产设备中。在两器生产线升降机的使用过程中，直线轴承出现了断裂问题。因此，本文通过材料、金相、装配及载荷等多方面的分析，肯定了失效机理，并给出了针对性的预防改进措施。

1 直线轴承的失效分析

1.1 破损情况观察

轴承表面明显破损，如图1 所示，密封圈处积累了大量杂物，白色圈出部分大块固体杂质，周边润滑油经纸巾擦拭发现其中含有大量金属杂质，清理掉表面油污、杂质可以清楚看到密封圈有明显破损的现象。

图1 直线轴承破损情况

拆开轴承密封圈取出内部保持架，可以观察到滚珠表面无明显磨损、划伤等现象，如图2 所示。从图中可以看到轨道内布满大量白色金属粉末，滚珠主要卡于轨道下方，所有断裂口都集中在保持架滚珠轨道最薄弱位置，每个滚珠轨道边缘都存在大小不一的块状固体。

图2 保持架破损情况

经过乙醇冲洗后，我们使用扫描图像对试样截面展开了详细观察，如图3 所示，可以清晰地看到内部有大量白色亮点，经过检测，这种白色金属材料的主要成分是AL 元素。

图3 样品断面

1.2 断口情况

从图2 可以看到断裂口主要集中在保持架滚珠轨道最薄弱处，断裂口有明显的塑性变形，裂纹从保持架表面向内延伸，断面垂直于滚珠轴向（主正应力方向），断裂模式为韧性断裂。

1.3 材料成分测试

采用红色光谱仪测试其材料成分，标准要求保持架材质为树脂，实测保持架材质为PA(聚酰胺)，密封圈材质为丁晴橡胶，实测为丁晴橡胶，符合产品手册材料要求，如图4 中（a）、（b）、（c）所示。现场使用在导向轴上涂抹的润滑油为喷雾黄油润滑脂，经查阅相关资料该黄油本身对丁晴橡胶并无腐蚀及促进老化的作用。

图4 红色光谱仪器测试结果

1.4 直线轴承装配及载荷情况

1.4.1 载荷情况

两器生产线升降机用于在垂直方向移送负载（平台与两器），如图5 所示，采用4 根导向轴，每根导向轴上等距离安装两个直线轴承，平台与两器的总质量为M=136 Kg，重力作用点位于工作台的中心，工作台每分钟往复运动次数n=3，行程长度S=500 mm，简化模型无贯性负载，环境温度为100 ℃以下，设计额定寿命为10 000 h。

图5 两器生产线升降机

1）选择轴承系列及安装方式

根据图5 所示的使用条件，选用标准型系列，带法兰盘直线轴承。

2）初选轴承公称直径

根据以往的经验，初步选用公称直径为30 mm，查阅米思米产品手册对应型号LHFC30，得额定静载荷=2 740 N，额定动载荷C=1 570 N，滚珠列数为6 列。

3）工作载荷计算

由于机构采用对称构造，重力作用点设在操作台的中央，4 个直线轴承分别承受平均工作载荷，以确保机台的稳定性和可靠性。

式中：

W—平台与两器总重量，N；

PC—平均工作载荷，N；

g—重力常数，9.8 N/kg。

4）静安全系数校核

因为机构在运行时没有惯性负载，所以直线轴承的最高承载力P 等于平均工作载荷。为了确保安装质量，应按规定滚珠列数，在直线轴承最大工作载荷方向上予以组装，以确保机构的正常运行。

查阅表1 的数据，得直线轴承最大承载能力方向上对应额定静载荷、额定动载荷修正系数分别为1.28、1.09，因此实际承载能力为：实际额定静载荷=2 740×1.28=3 507.2 N，实际额定动载荷C=1 570×1.09=1 711.3 N。

表1 直线轴承最大承载能力方向上承载能力修正系数

静安全系数计算结果大于表2 所示静安全系数的最小值（1 ～3），符合要求。

表2 静安全系数的最小值

5）额定寿命计算及校核

根据特定的使用要求，我们确定了以下参数：

计算用行走距离表示的额定寿命为：

计算用工作时间表示的额定寿命为:

所选型号寿命满足要求。

式中：

L—用行走距离表示的额定寿命，km；

Lh—用工作时间表示的额定寿命，h；

fH—轴承最低硬度为HRC60，取硬度系数fH=1；

fT—环境温度为100 ℃以下，取硬度系数fT=1；

fC—单根导向轴上安装的轴承数目为2 个，根据表3，取接触系数fC=0.81；

表3 接触系数的选取范围

fW—平台运动时无冲击振动情况，根据表4，取载荷系数fW=1；

表4 载荷系数ƒW 的选取范围

S—行程长度，mm；

n—每分钟往复运动次数。

1.4.2 直线轴承与导向轴的配合

由于直线轴承的内径dr不能调整改变，所以直线轴承与导向轴的配合是固定的，通常为间隙配合。本文章中直线轴承的内径制造公差产品手册为dr=φ300-0.01mm，如图6 所示。导向轴采用间隙配合（按g6 精度制造），在较高精度的情况下采用过渡配合（按h6 精度制造），本文章中直线轴承与导向轴间隙配合，理论配合最大间隙值为：0.02 mm，最小间隙值为：-0.003 mm，而设计图纸要求导向轴轴径尺寸为Φ30±0.2 mm（GB/T1804-2000 m 级公差），现场实测几根导向轴轴径为30.20 mm、30.18 mm、30.20 mm、30.16 mm 均走上偏差，现场测试轴承密封圈处内径为29.75 mm，导向轴与密封圈的最大配合过盈量为0.45 mm，已超出直线轴承产品手册给定的标准配合值。

图6 产品手册尺寸表

1.5 轴承使用情况

该直线轴承主要与导向轴相配合靠链条传动使升降机上下运动，该直线轴承并无任何防尘装置，从图2 中可以清楚看到大量粉尘、杂质聚集在直线轴承密封圈处，而该密封圈材质为丁晴橡胶，经与导向轴长期的过盈拉扯加上现场环境恶劣，导致密封圈破损。说明密封圈已不能有效阻止粘贴在导向杆上的粉尘及铝屑，随着两器生产线升降机的运作进入轴承内部。

2 总结

综上所述本次直线轴承损坏（密封圈破损、保持架断裂破损等），主要原因为导向轴设计公差选用不当，密封圈与导向轴经长期过盈加上现场环境恶劣粉尘、杂质过多，导致密封圈破损密封失效，使外部杂质进入轴承内部，随着运转过程堆积在保持架滚珠轨道位置，使滚珠运行不顺畅，直线轴承与导向轴的摩擦力骤大，进而引发保持架韧性也出现破损断裂问题。

整改措施在设计轴承导向装置时选用合适的公差等级，结合现场使用环境增加防尘装置。