于長(zhǎng)鑫

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧瓦房店 116300）

1 前言

6015NR軸承在試驗(yàn)后發(fā)生振動(dòng)和噪聲增大的現(xiàn)象，對(duì)軸承進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈偏向一側(cè)有圓周向的疲勞剝落的痕跡，對(duì)應(yīng)的外圈另一側(cè)也有疲勞痕跡，初步判斷軸承使用過(guò)程中存在越肩現(xiàn)象。

本文以該軸承為研究對(duì)象，利用MASTA軟件進(jìn)行仿真建模分析。通過(guò)對(duì)軸承內(nèi)部工作面的接觸應(yīng)力、軸承壽命、軸承越肩率等要素進(jìn)行參數(shù)化研究，最終實(shí)現(xiàn)該位置軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 失效特征分析

2.1 失效特征

失效軸承外觀無(wú)異常，包括內(nèi)外圈表面無(wú)損傷、保持架完整和鉚釘無(wú)松脫缺損，但是轉(zhuǎn)動(dòng)軸承時(shí)會(huì)有明顯的阻滯感。將軸承拆解后，發(fā)現(xiàn)鋼球表面無(wú)損壞，內(nèi)外圈滾道有明顯剝落痕跡（如圖1），內(nèi)圈滾道的工作印記嚴(yán)重偏向一側(cè)，滾道被過(guò)大的軸向力沿軸向方向向一側(cè)拉長(zhǎng)，工作軌跡示意圖見圖2。

圖1 內(nèi)外圈失效痕跡

圖2 工作軌跡示意圖

2.2 失效分析

根據(jù)失效現(xiàn)象初步推測(cè)，軸承受到較大的軸向力導(dǎo)致軸承產(chǎn)生較大偏載[1]，促使軸承提前失效。為了驗(yàn)證上述推論，下面將使用MASTA軟件進(jìn)行理論分析，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)符合使用要求的軸承。

2.3 理化檢測(cè)

初步的失效特征分析后，選取內(nèi)圈、外圈和1粒鋼球，檢測(cè)其硬度和顯微組織，檢測(cè)結(jié)果見表1、圖3、圖4和圖5。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，軸承的內(nèi)外圈和鋼球的硬度及顯微組織都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]。

表1 軸承顯微組織檢測(cè)結(jié)果

圖3 外圈顯微組織和網(wǎng)狀碳化物組織

圖4 內(nèi)圈顯微組織和網(wǎng)狀碳化物組織

圖5 鋼球顯微組織和網(wǎng)狀碳化物組織

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

如圖6所示，首先根據(jù)變速箱副箱軸承的實(shí)際使用工況條件進(jìn)行仿真建模，輸入相應(yīng)的參數(shù)，如軸承內(nèi)部的詳細(xì)參數(shù)、軸承的位置尺寸、變速箱試驗(yàn)載荷譜等。

圖6 軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

模型建立完成之后，計(jì)算軸承內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值，判斷最大應(yīng)力是在哪個(gè)工況下產(chǎn)生的，對(duì)比軸承計(jì)算壽命是否滿足試驗(yàn)要求壽命；然后計(jì)算各工況下軸承承受的軸向載荷；同時(shí)對(duì)軸承鋼球越肩率進(jìn)行分析，判斷越肩率是否滿足使用要求。

最后，結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果對(duì)軸承結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)選型具體過(guò)程

本文采用仿真計(jì)算軟件MASTA對(duì)變速箱主軸后端軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該軟件是一款針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)選配、設(shè)計(jì)和開發(fā)的專用軟件。針對(duì)軸承方面的仿真計(jì)算是基于ISO281、ISO/TS16281、ISO76等標(biāo)準(zhǔn)中的理論公式進(jìn)行的。其計(jì)算效率高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，在國(guó)內(nèi)外汽車、風(fēng)電、軌道交通等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。

4.1 仿真模型建立

如圖7所示，根據(jù)汽車變速箱副箱的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行建模。模型建立完成后輸入軸承的試驗(yàn)工況載荷譜，包括輸入軸的扭矩和轉(zhuǎn)速以及各工況時(shí)間占比，具體參數(shù)見表2。同時(shí)將軸承內(nèi)部詳細(xì)參數(shù)輸入軟件中[3]，參數(shù)詳見表3。

表2 軸承試驗(yàn)載荷譜

表3 軸承基本參數(shù)

圖7 MASTA 軟件建立仿真模型

4.2 軸承初步計(jì)算

仿真模型建好以后進(jìn)行初步仿真計(jì)算，考慮整個(gè)模型系統(tǒng)變形等因素，具體計(jì)算結(jié)果如表4、表5：

表4 軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力

表5 軸承壽命及越肩率

由以上計(jì)算結(jié)果可知：6015NR軸承在正、反向工況下所有鋼球都存在鋼球越肩率大于0的情況，最大越肩率更是超過(guò)了10%，（如圖8和圖9所示），這是因?yàn)檩S承承受了較大的軸向力。由于深溝球軸承主要承受徑向力，可承受較小的軸向力，所以此時(shí)在軸向力的作用下6015NR軸承鋼球越肩風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加，這就導(dǎo)致軸承的提前失效。計(jì)算與實(shí)際相吻合。由此，主軸后端軸承的類型就不應(yīng)該使用深溝球軸承，在保證外形尺寸相同的情況下，我們需要對(duì)該位置所使用的軸承進(jìn)行選型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 正向工況軸承鋼球越肩率

圖9 反向工況軸承鋼球越肩率

4.3 軸承結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，軸承選型需要滿足外形尺寸和6015NR相同，并且可承受較大軸向力。根據(jù)各類型軸承特點(diǎn)，選擇內(nèi)圈一體式四點(diǎn)接觸球軸承作為優(yōu)化軸承。此軸承在外部結(jié)構(gòu)尺寸上和深溝球軸承相同；內(nèi)部桃形溝的滾道設(shè)計(jì)保證軸承具有接觸角，可承受軸向力，且接觸角越大軸向承載能力越高。優(yōu)化設(shè)計(jì)的軸承參數(shù)如表6所示：

表6 一體式四點(diǎn)接觸球軸承基本參數(shù)

4.4 一體式四點(diǎn)接觸球軸承計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證一體式四點(diǎn)接觸球軸承方案的可行性，將MASTA模型中6015NR軸承替換為新方案的一體式四點(diǎn)接觸球軸承，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表7和表8：

表7 軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力

表8 軸承壽命及越肩率

由上述結(jié)果可知：相較于6015NR軸承，選擇一體式四點(diǎn)接觸球軸承QJB1015NR應(yīng)用于此位置時(shí)，受到的載荷雖然相同，但是后者接觸應(yīng)力要明顯小于前者；而又因其可同時(shí)承受徑向負(fù)荷與軸向負(fù)荷[5]，承載能力更強(qiáng)，理論壽命也有明顯提升。并且優(yōu)化方案中軸承鋼球越肩率為0（如圖10和圖11所示），體現(xiàn)出其優(yōu)秀的軸向承載能力。

圖10 正向工況軸承鋼球越肩率

圖11 反向工況軸承鋼球越肩率

5 結(jié)論

綜合以上分析：

（1）軸承失效原因是受到較大的軸向載荷，而使鋼球出現(xiàn)嚴(yán)重的越肩情況，導(dǎo)致軸承提前剝落失效；

（2）將此位置的軸承替換為軸向承載力更強(qiáng)的一體式四點(diǎn)接觸球軸承后，壽命、接觸應(yīng)力、鋼球越肩等都會(huì)有明顯改善，從而保證軸承正常的使用。

軸承選型的合理性會(huì)一定程度決定軸承工作的穩(wěn)定性，如果軸承選型不當(dāng)就可能導(dǎo)致其提前失效，甚至?xí)绊懻麄€(gè)工作系統(tǒng)。因此，在使用一款軸承或者其他零部件時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行必要的理論和實(shí)際相結(jié)合的多角度分析來(lái)判斷使用的合理性，從而提高整體系統(tǒng)的可靠性。