孫東，趙燕，張靜靜，李正輝，林大鵬

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

軸承與軸之間以過盈配合為主，可有效防止內(nèi)圈與軸之間的相對滑動，避免非正常的磨損。軸承與軸配合時需對載荷類型、載荷大小、零件結(jié)構(gòu)等因素進行考慮，以確保軸承的正常使用。

普通工況下，軸承工作溫度不高于120 ℃，選取軸承時，材料熱膨脹系數(shù)的匹配性不會對使用性能產(chǎn)生影響，故往往予以忽略。而在航空主機、燃氣輪機、增壓器等工作溫度較高(150 ℃以上)的主機上應用時，軸承與軸材料熱膨脹系數(shù)的匹配性不可忽略，在考慮室溫配合關(guān)系的同時，也要對高溫尤其是工作溫度下的配合關(guān)系進行校驗，以確保配合的可靠性。

某型國產(chǎn)主機在軸承與軸配合選用過程中，參照《機械設計手冊》及國外同類型主機(溫度、載荷、轉(zhuǎn)速等工況條件一致)的要求，設定過盈量為-0.019～-0.008 mm。國產(chǎn)主機采用軸材料熱膨脹系數(shù)小于軸承材料的設計，而國外主機采用了軸材料熱膨脹系數(shù)大于軸承材料的設計。因軸承與軸材料匹配性的差異，導致主機在使用過程中出現(xiàn)異常磨損故障?，F(xiàn)對因熱膨脹系數(shù)匹配性差異而導致的配合使用問題進行分析。

1 磨損情況

對到壽的主機主軸承進行分解時發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)徑面有明顯相對轉(zhuǎn)動的周向磨損痕跡，每條周向磨損條紋呈均勻分布(圖1)；軸承內(nèi)圈端面也有明顯相對轉(zhuǎn)動的周向磨損痕跡(圖2)；軸的磨損形貌(圖3)與軸承內(nèi)徑面相似，但其磨損程度輕于軸承內(nèi)徑面。

對磨損的軸承和軸進行測量，并與使用前數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表1。

從表中可以看出，軸承的內(nèi)徑因磨損變大，而軸徑減小，配合關(guān)系從使用前的過盈配合變?yōu)殚g隙配合。

圖3 軸磨損形貌(6×)

表1 軸承和軸的尺寸變化情況

2 故障機理分析

根據(jù)故障形貌，從設計、制造、工況3個方面對可能導致故障的原因進行分析，并建立了如圖4所示的故障樹。

圖4 故障樹

設計方面，軸承和軸結(jié)構(gòu)參數(shù)參照國外樣件進行設計，圖紙參數(shù)與測繪報告數(shù)值一致；初始配合關(guān)系符合《機械設計手冊》要求，但在工況條件下，因其熱膨脹系數(shù)匹配性發(fā)生改變，配合關(guān)系與樣機相比存在一定差異；材料選取時，對軸材料進行了更換，材料綜合性能差異不大，能夠滿足主機工況要求。

制造方面，加工過程符合工藝路線及尺寸要求，無讓步放行；熱處理后軸承和軸的硬度、組織均符合要求；軸承和軸加工過程中均有針對殘余奧氏體控制的工藝步驟，且檢測結(jié)果顯示殘余奧氏體水平較低，對尺寸的影響小。

工況方面，經(jīng)對主機工作過程監(jiān)控數(shù)據(jù)分析認為，主機工作穩(wěn)定，沒有發(fā)生超轉(zhuǎn)、超載情況，滑油溫度沒有異常波動。

綜上，故障發(fā)生的原因可能與軸承和軸熱膨脹系數(shù)匹配性有關(guān)。

該軸承工作溫度為180 ℃，屬于高溫工況，溫度增加，材料會產(chǎn)生熱膨脹[1]，尺寸變化量為

u=ΓL(T-Ta),

(1)

式中：ΓL為熱膨脹系數(shù)。

設軸徑為DS；軸承內(nèi)徑為d；軸、軸承的熱膨脹系數(shù)分別為ΓS,ΓB;工作溫度為T；初始環(huán)境溫度為Ta;軸徑增加量為

us=ΓSDS(T-Ta)，

(2)

軸承內(nèi)徑增加量為

uB=ΓBd(T-Ta)，

(3)

則配合后直徑方向的凈過盈量為

Δu=uB-us=(ΓBd-ΓSDS)(T-Ta) 。

(4)

配合關(guān)系中，d與DS相同，可均用D表示，故(4)式可改為

Δu=(ΓB-ΓS)D(T-Ta)。

(5)

國產(chǎn)主機及國外主機軸承、軸材料牌號和熱膨脹系數(shù)見表2(熱膨脹系數(shù)為材料在200 ℃以下的數(shù)值，下同)。

表2 軸承、軸材料與過盈關(guān)系[2]

國產(chǎn)主機軸承和軸的熱膨脹系數(shù)匹配關(guān)系與國外主機相比有較大差異。國外主機采用了軸熱膨脹系數(shù)大于軸承熱膨脹系數(shù)的設計，因此，同等溫度升高情況下，軸的尺寸增加量大于軸承尺寸增加量，故隨工作溫度的升高，軸承和軸過盈量將呈增加趨勢，溫度升高越多，過盈量越大；國產(chǎn)主機采用了軸熱膨脹系數(shù)小于軸承熱膨脹系數(shù)的設計，相同溫升情況下，軸的尺寸增加量小于軸承尺寸增加量，軸承和軸過盈量將呈減小趨勢，在特定溫度下軸承和軸配合關(guān)系將由過盈配合變?yōu)殚g隙配合。

對120，150，180 ℃時的配合關(guān)系進行計算，具體變化趨勢如圖5所示。由圖可知,過盈量變化趨勢與上述分析一致。

圖5 過盈量隨溫度變化趨勢圖

對已安裝的國產(chǎn)軸承和軸組件進行溫升試驗，以驗證上述理論計算結(jié)果。初始過盈量為0.017 mm，升溫至105 ℃并恒溫2 h軸承未發(fā)生松動，升溫至200 ℃時軸承發(fā)生松動。這也證明了溫度升高時，由于膨脹量的不同，導致軸承與軸之間的初始過盈量被軸承和軸膨脹產(chǎn)生的間隙消除，使配合關(guān)系從過盈變成了間隙。

3 改進措施

為增強主機軸承與軸配合的可靠性能，減小熱膨脹系數(shù)對配合關(guān)系的影響，結(jié)合主機延壽500 h的使用要求，提出了以下改進措施：

1)將配合過盈量按照上限進行選配；

2)對故障部位的軸承材料進行更換，軸承材料選用與軸熱膨脹系數(shù)相近且壽命修正系數(shù)高的Cr4Mo4V材料,其熱膨脹系數(shù)為11.2×10-6mm·mm-1·℃-1,壽命修正系數(shù)可達到12[3]。

經(jīng)試用表明，國產(chǎn)改進型主機因軸承和軸熱膨脹系數(shù)相同，過盈量不會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，該位置沒有出現(xiàn)軸承和軸頸異常磨損情況。

4 結(jié)束語

分析表明，故障原因是在高溫工況下，軸承與軸材料熱膨脹系數(shù)不匹配導致二者的過盈量減小并出現(xiàn)相對滑動，最終形成異常磨損。為此，在保證主機整體工況參數(shù)不變的情況下，結(jié)合主機延壽要求，將軸承材料更換為熱膨脹系數(shù)匹配性更好、壽命修正系數(shù)更高的Cr4Mo4V材料。改進后的軸承已隨多臺主機完成全壽命周期使用，分解復檢，軸承和軸均沒有出現(xiàn)異常磨損形貌。