王鵬鵬

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

直線軸承是一種精確的引導(dǎo)元件，具有優(yōu)秀的交換性和小巧的尺寸，裝配簡(jiǎn)便，造價(jià)便宜，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。由于其高效的性能，直線軸承已被應(yīng)用于熱交換器機(jī)械設(shè)備、紡紗設(shè)備、食品加工設(shè)備、鈑金注塑設(shè)備等工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中。在兩器生產(chǎn)線升降機(jī)的使用過(guò)程中，直線軸承出現(xiàn)了斷裂問(wèn)題。因此，本文通過(guò)材料、金相、裝配及載荷等多方面的分析，肯定了失效機(jī)理，并給出了針對(duì)性的預(yù)防改進(jìn)措施。

1 直線軸承的失效分析

1.1 破損情況觀察

軸承表面明顯破損，如圖1 所示，密封圈處積累了大量雜物，白色圈出部分大塊固體雜質(zhì)，周邊潤(rùn)滑油經(jīng)紙巾擦拭發(fā)現(xiàn)其中含有大量金屬雜質(zhì)，清理掉表面油污、雜質(zhì)可以清楚看到密封圈有明顯破損的現(xiàn)象。

圖1 直線軸承破損情況

拆開軸承密封圈取出內(nèi)部保持架，可以觀察到滾珠表面無(wú)明顯磨損、劃傷等現(xiàn)象，如圖2 所示。從圖中可以看到軌道內(nèi)布滿大量白色金屬粉末，滾珠主要卡于軌道下方，所有斷裂口都集中在保持架滾珠軌道最薄弱位置，每個(gè)滾珠軌道邊緣都存在大小不一的塊狀固體。

圖2 保持架破損情況

經(jīng)過(guò)乙醇沖洗后，我們使用掃描圖像對(duì)試樣截面展開了詳細(xì)觀察，如圖3 所示，可以清晰地看到內(nèi)部有大量白色亮點(diǎn)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，這種白色金屬材料的主要成分是AL 元素。

圖3 樣品斷面

1.2 斷口情況

從圖2 可以看到斷裂口主要集中在保持架滾珠軌道最薄弱處，斷裂口有明顯的塑性變形，裂紋從保持架表面向內(nèi)延伸，斷面垂直于滾珠軸向（主正應(yīng)力方向），斷裂模式為韌性斷裂。

1.3 材料成分測(cè)試

采用紅色光譜儀測(cè)試其材料成分，標(biāo)準(zhǔn)要求保持架材質(zhì)為樹脂，實(shí)測(cè)保持架材質(zhì)為PA(聚酰胺)，密封圈材質(zhì)為丁晴橡膠，實(shí)測(cè)為丁晴橡膠，符合產(chǎn)品手冊(cè)材料要求，如圖4 中（a）、（b）、（c）所示。現(xiàn)場(chǎng)使用在導(dǎo)向軸上涂抹的潤(rùn)滑油為噴霧黃油潤(rùn)滑脂，經(jīng)查閱相關(guān)資料該黃油本身對(duì)丁晴橡膠并無(wú)腐蝕及促進(jìn)老化的作用。

圖4 紅色光譜儀器測(cè)試結(jié)果

1.4 直線軸承裝配及載荷情況

1.4.1 載荷情況

兩器生產(chǎn)線升降機(jī)用于在垂直方向移送負(fù)載（平臺(tái)與兩器），如圖5 所示，采用4 根導(dǎo)向軸，每根導(dǎo)向軸上等距離安裝兩個(gè)直線軸承，平臺(tái)與兩器的總質(zhì)量為M=136 Kg，重力作用點(diǎn)位于工作臺(tái)的中心，工作臺(tái)每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)n=3，行程長(zhǎng)度S=500 mm，簡(jiǎn)化模型無(wú)貫性負(fù)載，環(huán)境溫度為100 ℃以下，設(shè)計(jì)額定壽命為10 000 h。

圖5 兩器生產(chǎn)線升降機(jī)

1）選擇軸承系列及安裝方式

根據(jù)圖5 所示的使用條件，選用標(biāo)準(zhǔn)型系列，帶法蘭盤直線軸承。

2）初選軸承公稱直徑

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，初步選用公稱直徑為30 mm，查閱米思米產(chǎn)品手冊(cè)對(duì)應(yīng)型號(hào)LHFC30，得額定靜載荷=2 740 N，額定動(dòng)載荷C=1 570 N，滾珠列數(shù)為6 列。

3）工作載荷計(jì)算

由于機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱構(gòu)造，重力作用點(diǎn)設(shè)在操作臺(tái)的中央，4 個(gè)直線軸承分別承受平均工作載荷，以確保機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。

式中：

W—平臺(tái)與兩器總重量，N；

PC—平均工作載荷，N；

g—重力常數(shù)，9.8 N/kg。

4）靜安全系數(shù)校核

因?yàn)闄C(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)沒有慣性負(fù)載，所以直線軸承的最高承載力P 等于平均工作載荷。為了確保安裝質(zhì)量，應(yīng)按規(guī)定滾珠列數(shù)，在直線軸承最大工作載荷方向上予以組裝，以確保機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。

查閱表1 的數(shù)據(jù)，得直線軸承最大承載能力方向上對(duì)應(yīng)額定靜載荷、額定動(dòng)載荷修正系數(shù)分別為1.28、1.09，因此實(shí)際承載能力為：實(shí)際額定靜載荷=2 740×1.28=3 507.2 N，實(shí)際額定動(dòng)載荷C=1 570×1.09=1 711.3 N。

表1 直線軸承最大承載能力方向上承載能力修正系數(shù)

靜安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果大于表2 所示靜安全系數(shù)的最小值（1 ～3），符合要求。

表2 靜安全系數(shù)的最小值

5）額定壽命計(jì)算及校核

根據(jù)特定的使用要求，我們確定了以下參數(shù)：

計(jì)算用行走距離表示的額定壽命為：

計(jì)算用工作時(shí)間表示的額定壽命為:

所選型號(hào)壽命滿足要求。

式中：

L—用行走距離表示的額定壽命，km；

Lh—用工作時(shí)間表示的額定壽命，h；

fH—軸承最低硬度為HRC60，取硬度系數(shù)fH=1；

fT—環(huán)境溫度為100 ℃以下，取硬度系數(shù)fT=1；

fC—單根導(dǎo)向軸上安裝的軸承數(shù)目為2 個(gè)，根據(jù)表3，取接觸系數(shù)fC=0.81；

表3 接觸系數(shù)的選取范圍

fW—平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊振動(dòng)情況，根據(jù)表4，取載荷系數(shù)fW=1；

表4 載荷系數(shù)?W 的選取范圍

S—行程長(zhǎng)度，mm；

n—每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

1.4.2 直線軸承與導(dǎo)向軸的配合

由于直線軸承的內(nèi)徑dr不能調(diào)整改變，所以直線軸承與導(dǎo)向軸的配合是固定的，通常為間隙配合。本文章中直線軸承的內(nèi)徑制造公差產(chǎn)品手冊(cè)為dr=φ300-0.01mm，如圖6 所示。導(dǎo)向軸采用間隙配合（按g6 精度制造），在較高精度的情況下采用過(guò)渡配合（按h6 精度制造），本文章中直線軸承與導(dǎo)向軸間隙配合，理論配合最大間隙值為：0.02 mm，最小間隙值為：-0.003 mm，而設(shè)計(jì)圖紙要求導(dǎo)向軸軸徑尺寸為Φ30±0.2 mm（GB/T1804-2000 m 級(jí)公差），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)幾根導(dǎo)向軸軸徑為30.20 mm、30.18 mm、30.20 mm、30.16 mm 均走上偏差，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軸承密封圈處內(nèi)徑為29.75 mm，導(dǎo)向軸與密封圈的最大配合過(guò)盈量為0.45 mm，已超出直線軸承產(chǎn)品手冊(cè)給定的標(biāo)準(zhǔn)配合值。

圖6 產(chǎn)品手冊(cè)尺寸表

1.5 軸承使用情況

該直線軸承主要與導(dǎo)向軸相配合靠鏈條傳動(dòng)使升降機(jī)上下運(yùn)動(dòng)，該直線軸承并無(wú)任何防塵裝置，從圖2 中可以清楚看到大量粉塵、雜質(zhì)聚集在直線軸承密封圈處，而該密封圈材質(zhì)為丁晴橡膠，經(jīng)與導(dǎo)向軸長(zhǎng)期的過(guò)盈拉扯加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致密封圈破損。說(shuō)明密封圈已不能有效阻止粘貼在導(dǎo)向桿上的粉塵及鋁屑，隨著兩器生產(chǎn)線升降機(jī)的運(yùn)作進(jìn)入軸承內(nèi)部。

2 總結(jié)

綜上所述本次直線軸承損壞（密封圈破損、保持架斷裂破損等），主要原因?yàn)閷?dǎo)向軸設(shè)計(jì)公差選用不當(dāng)，密封圈與導(dǎo)向軸經(jīng)長(zhǎng)期過(guò)盈加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣粉塵、雜質(zhì)過(guò)多，導(dǎo)致密封圈破損密封失效，使外部雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程堆積在保持架滾珠軌道位置，使?jié)L珠運(yùn)行不順暢，直線軸承與導(dǎo)向軸的摩擦力驟大，進(jìn)而引發(fā)保持架韌性也出現(xiàn)破損斷裂問(wèn)題。

整改措施在設(shè)計(jì)軸承導(dǎo)向裝置時(shí)選用合適的公差等級(jí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境增加防塵裝置。