趙銘

摘要：目前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，圓柱滾子軸承在使用過(guò)程中發(fā)生故障，滾子一側(cè)發(fā)生剝落，內(nèi)圈滾道發(fā)生擠壓磨損。對(duì)故障件進(jìn)行形貌分析、軸承復(fù)查、內(nèi)圈與外圈傾斜角測(cè)量、軸承抗傾斜角及接觸應(yīng)力計(jì)算。結(jié)果表明：軸承在工作過(guò)程中產(chǎn)生較大傾斜角，滾子輪廓與內(nèi)圈滾道邊緣接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子剝落與內(nèi)圈滾道擠壓磨損。通過(guò)增加滾道長(zhǎng)度及滾子凸度量的改進(jìn)措施，防止邊緣接觸，降低接觸應(yīng)力，可預(yù)防此類故障。

關(guān)鍵詞：剝落;傾斜角;應(yīng)力集中;滾道長(zhǎng)度;滾子凸度量;接觸應(yīng)力

引言

裝配是發(fā)動(dòng)機(jī)軸承應(yīng)用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，如裝配時(shí)滾動(dòng)體承受沖擊載荷，可能造成滾動(dòng)體或套圈表面損傷，導(dǎo)致軸承早期失效。一旦失效，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，后果不堪設(shè)想。因此裝配質(zhì)量的好壞對(duì)軸承的安全可靠運(yùn)行具有重要作用。某型發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)后分解，發(fā)現(xiàn)支承燃?xì)獍l(fā)生器的圓柱滾子軸承保持架側(cè)梁處可見(jiàn)一處貫穿性裂紋，兩顆滾子脫出。經(jīng)故障分析，保持架斷裂主要原因是裝配不當(dāng)導(dǎo)致軸承預(yù)損傷。通過(guò)分析原裝配工藝軸承預(yù)損傷的形成原因，本文設(shè)計(jì)了一套工裝并改進(jìn)裝配工藝，后續(xù)軸承裝配后再出現(xiàn)類似故障。

1仿真分析

根據(jù)高速列車(chē)軸箱軸承工作特點(diǎn)，尤其是滾動(dòng)體與保持架之間復(fù)雜的受力及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，仿真時(shí)需要進(jìn)行如下假設(shè)：1）忽略軸承兩端的端蓋、油擋環(huán)等密封裝置的影響。2）忽略軸向、徑向間隙對(duì)油膜的影響，因?yàn)樵摳咚倭熊?chē)軸箱軸承采用酯潤(rùn)滑，出廠時(shí)軸承的徑向及軸向游隙均已經(jīng)調(diào)好。3）設(shè)零件各部件為剛體，忽略軸承的柔性變形，若零件接觸產(chǎn)生局部形變時(shí)，視為彈性形變。4）在軸承外圈外表面施加固定約束，限制其自由度，以模擬外圈與軸箱裝配狀態(tài);軸承外圈側(cè)表面施加固定約束，以模擬軸承箱體約束;軸承內(nèi)圈內(nèi)表面施加軸向約束，以模擬內(nèi)圈與軸的連接狀態(tài)。

2圓柱滾子軸承故障分析與改進(jìn)

2.1軸承接觸應(yīng)力計(jì)算

軸承工作最大徑向載荷為13?kN，根據(jù)RomaxDesigner軟件計(jì)算滾動(dòng)體最大接觸載荷為2.419?kN，采用有限元軟件建立內(nèi)圈與外圈形成5.5′傾斜角的分析模型并對(duì)接觸區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。各接觸對(duì)設(shè)定摩擦接觸，對(duì)軸承外圈設(shè)置固定約束，在內(nèi)圈內(nèi)徑面施加載荷，并進(jìn)行分析求解，最大接觸應(yīng)力為2?225.7?MPa，位置出現(xiàn)在滾道邊緣，應(yīng)力值超過(guò)2000?MPa，不滿足材料長(zhǎng)時(shí)間工作要求。根據(jù)上述分析可知，軸承設(shè)計(jì)允許傾斜角小于軸承實(shí)際工作傾斜角，產(chǎn)生滾子圓弧段與內(nèi)滾道邊緣接觸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子剝落與內(nèi)圈滾道擠壓磨損。

2.2工裝組成及裝配工藝改進(jìn)

新設(shè)計(jì)的工裝主要包括大螺母、拉桿、壓塊、液壓缸等。壓塊設(shè)計(jì)成工字形，與拉桿大間隙配合，方便拉桿在壓塊內(nèi)孔中上下移動(dòng)，工字形大端面直徑比接觸的渦輪軸端面直徑稍大些，方便液壓力的傳遞。壓塊上端依次放置液壓缸、大螺母。大螺母與拉桿上端通過(guò)螺紋連接成整體。工作原理如下：液壓缸產(chǎn)生液壓力對(duì)渦輪軸進(jìn)行裝配，使得滾子平緩經(jīng)過(guò)內(nèi)圈引導(dǎo)面，減少?zèng)_擊和振動(dòng)。通過(guò)多次工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液壓力5MPa時(shí)，渦輪軸可克服與轉(zhuǎn)子連接軸處兩處過(guò)盈在常溫下裝配到位。基于新工裝改進(jìn)裝配工藝，將原裝配工藝工序3修改成以下操作，其余不變。（1）穿過(guò)中心拉桿將拉桿裝入引導(dǎo)套內(nèi)螺紋，手旋轉(zhuǎn)拉桿使其裝配到底后再擰松1/4圈（拉桿裝配、分解過(guò)程應(yīng)注意不碰傷渦輪軸端齒）。（2）穿過(guò)拉桿在渦輪軸去材料臺(tái)階上安裝壓塊、液壓缸、墊塊及大螺母。（3）擰緊大螺母至液壓缸伸長(zhǎng)量置零后擰松1/4圈螺紋，對(duì)渦輪軸打壓，壓力不大于5MPa，卸除液壓缸壓力，擰松大螺母（每次打壓中液壓缸伸長(zhǎng)量應(yīng)不大于1mm，目的在于盡可能減少滾子損傷）。（4）按步驟2反復(fù)打壓4～5次至渦輪軸裝配到位。

2.3圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出問(wèn)題原因確認(rèn)

根據(jù)上述的分析可知，在鋼帶拉力作用下，輪軸與圓柱滾子軸承之間不會(huì)完全不存在軸向力的產(chǎn)生，再加上產(chǎn)品制造及裝配的誤差，軸向力會(huì)加大。當(dāng)輪軸受力運(yùn)轉(zhuǎn)及制造誤差造成的軸向力總和大過(guò)軸承的結(jié)合緊固力時(shí)，軸承就會(huì)在輪軸上的原始位置發(fā)生滑移。輪軸變形產(chǎn)生的軸向力的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜，此處就不作具體推導(dǎo)計(jì)算。從CAE分析的結(jié)果——主動(dòng)輪軸的錐面法蘭軸承位處有0.084mm變形可知軸向力不會(huì)太小，軸承與軸的最小過(guò)盈量結(jié)合緊固力23.73N與其相比肯定微乎其微。由此，可以確認(rèn)，此CVT產(chǎn)品在臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)的主動(dòng)輪軸的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出的故障原因，是零件設(shè)計(jì)給定的軸承與輪軸的配合過(guò)盈量不足，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)有軸承在輪軸上的限位防脫結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

1）考慮滾子凸度結(jié)構(gòu)，以半正弦函數(shù)和固定值描述滾子故障與內(nèi)、外滾道的接觸變形激勵(lì)，獲得滾子與滾道之間的作用力和力矩，引入Newton-Euler動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方程，從而構(gòu)建了滾子局部故障軸承動(dòng)力學(xué)分析模型。2）滾子故障與滾道作用使外圈加速度響應(yīng)上產(chǎn)生周期性沖擊，滾子故障與內(nèi)滾道間的沖擊載荷使?jié)L子運(yùn)動(dòng)加速，而與外滾道間的沖擊載荷則使?jié)L子減速;在承載區(qū)內(nèi)，軸承振動(dòng)幅值較大，滾子故障與內(nèi)、外滾道均發(fā)生碰撞，主要頻率為滾子故障頻率的半頻;非承載區(qū)內(nèi)，滾子僅與外圈滾道發(fā)生碰撞，主要頻率為滾子故障頻率;相鄰承載區(qū)內(nèi)，峰峰值之間的時(shí)間間隔與保持架頻率對(duì)應(yīng)，代表滾子的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期。

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