基于Romax的雙內(nèi)圈雙列角接觸球軸承故障分析及設(shè)計改進(jìn)

張磊，畢明龍，周麗麗

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，哈爾濱 150025)

隨著航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，雙內(nèi)圈雙列角接觸球軸承的應(yīng)用越來越廣泛，其可以節(jié)省安裝空間,且能承受徑向和軸向載荷的聯(lián)合作用，抗彎矩能力強。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)某航空發(fā)動機(jī)雙內(nèi)圈雙列角接觸球軸承發(fā)生故障，對故障原因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施，以提高軸承的可靠性。

1 故障特征分析

1.1 運行工況

軸承外圈通過螺栓固定在前機(jī)匣上，內(nèi)圈通過過盈配合安裝在從動錐齒輪軸上，受力通過齒輪傳遞，受力點在軸承一側(cè)，軸承還承受彎矩載荷。軸承轉(zhuǎn)速為39 800 r/min，工作溫度為100～150 ℃，有啟動和工作2種狀態(tài)。每個工作循環(huán)前30 s為啟動狀態(tài)，其余時間為工作狀態(tài),啟動狀態(tài)軸承承載較大，受力方向與工作狀態(tài)相反。

1.2 故障特征

對某型發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗746 h后,發(fā)動機(jī)發(fā)生磁堵報警，拆卸后發(fā)現(xiàn)有近30片金屬屑，通過檢測發(fā)現(xiàn)金屬屑材料為8Cr4Mo4V，與軸承內(nèi)圈材料一致。拆機(jī)發(fā)現(xiàn)No.7支點軸承旋轉(zhuǎn)靈活性差，存在卡滯現(xiàn)象，軸承整體形貌如圖1所示，拆套后發(fā)現(xiàn)該軸承靠近外圈安裝邊一側(cè)內(nèi)圈溝道發(fā)生剝落(圖2)。

圖2 內(nèi)溝道剝落形貌

故障軸承外觀完整，無高溫變色。靠近外圈安裝邊一側(cè)內(nèi)圈剝落區(qū)約占整個圓周的1/4，形貌為鱗片狀剝落，軸向呈滿溝狀態(tài)，擋邊未見擠壓翻卷痕跡。另一列內(nèi)圈溝道未剝落區(qū)溝道和擋邊均未出現(xiàn)明顯損傷痕跡。

用掃描電子顯微鏡觀察內(nèi)圈溝道剝落區(qū)域，其微觀形貌如圖3所示。在低倍顯微鏡下剝落區(qū)呈弧形的波紋形態(tài)，并沿周向擴(kuò)展。在高倍顯微鏡下為間斷型剝落和輾壓混合形貌特征。剝落位置軸向兩側(cè)呈破碎狀態(tài)，在高倍顯微鏡下可見細(xì)密的疲勞條帶特征。此外，剝落區(qū)周向兩側(cè)還可看到即將剝落、呈裂紋式的碎片。

圖3 內(nèi)圈剝落區(qū)表面微觀形貌

經(jīng)失效分析，軸承內(nèi)圈溝道剝落的失效模式為接觸疲勞剝落。從故障軸承內(nèi)圈磨損痕跡可以看出，由于軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理，軸承靠近安裝邊一側(cè)載荷較大，導(dǎo)致內(nèi)圈溝道剝落。

2 故障原因分析

從動錐齒輪嚙合位置如圖4所示，故障軸承主要承受錐齒輪的徑向力、軸向力和周向力，還承受聯(lián)合載荷對軸承的彎矩載荷[1]。

圖4 從動錐齒輪嚙合位置

每列軸承的受力情況見表1，在啟動和工作狀態(tài)下，靠近外圈安裝邊側(cè)軸承受載均大于遠(yuǎn)離安裝側(cè)軸承。

表1 改進(jìn)前軸承的受力情況

雙列角接觸球軸承在預(yù)緊情況下，當(dāng)錐齒輪軸受到軸向力作用時，載荷首先作用于靠近安裝邊側(cè)軸承內(nèi)圈，通過鋼球傳遞到外圈，再通過外圈和另一列鋼球傳遞到另一列軸承內(nèi)圈。2列軸承同時承載的關(guān)鍵因素是：在工作時剩余一定的徑向游隙，消除軸向游隙；軸向游隙為適宜的負(fù)游隙，從而形成軸向預(yù)緊。若軸承在工作中不能完全消除軸向游隙，2列軸承不能形成有效預(yù)緊，遠(yuǎn)離安裝邊側(cè)軸承會出現(xiàn)卸載，靠近安裝邊側(cè)軸承所承受的載荷會變大，從而產(chǎn)生疲勞剝落。

3 改進(jìn)措施

3.1 增大徑向游隙

軸承安裝在軸承座上，由于過盈配合，內(nèi)圈膨脹，外圈收縮，徑向游隙減小，形成安裝游隙。在工作狀態(tài)下，內(nèi)圈溫度高于外圈，內(nèi)圈膨脹使徑向游隙減小，當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速較高時，內(nèi)圈因離心力作用膨脹也會使徑向游隙減小，形成工作游隙。

改進(jìn)前軸承初始徑向游隙為0.012～0.016 μm，通過計算，工作時徑向游隙幾乎為0，改進(jìn)前軸承配套徑向游隙偏小，經(jīng)計算分析，將徑向游隙增大到0.031～0.035 μm，可避免軸承在工作過程中因徑向游隙過小增加摩擦熱，造成溫度升高，軸承早期失效。

3.2 減小軸向游隙

軸向游隙是雙內(nèi)圈雙列角接觸球軸承的一個重要參數(shù)，會影響2列軸承的載荷分布及軸承壽命。軸向游隙過大時無法形成有效預(yù)緊，導(dǎo)致單列軸承承載；軸向游隙過小會使預(yù)緊力過大，工作時所受載荷增加。適當(dāng)?shù)妮S向游隙能確保軸承在工作過程中形成合適的軸向預(yù)緊力，將軸承的軸向游隙值由27～33 μm調(diào)整為8～12 μm。

3.3 增大接觸角

徑向游隙變化，接觸角也相應(yīng)變化。因軸承轉(zhuǎn)速較高，為減少鋼球旋滾比，將接觸角由12°～18°調(diào)整為23°～28°，增大接觸角，會提高軸承軸向承載能力及抗彎矩能力。

3.4 減小鋼球直徑，增加鋼球數(shù)量

在滿足承載能力的要求下，鋼球直徑由5 mm減小到4.763 mm，鋼球個數(shù)由12增加到15，有利于提高軸承的高速性能。

對改進(jìn)后的2列軸承進(jìn)行分析，與改進(jìn)前相比，軸承載荷分布有較大改善，工作狀態(tài)下靠近安裝邊側(cè)受力降低，因2列軸承支點位置不同，受力不可能均勻分配，改進(jìn)后2列軸承受力情況見表2。

表2 改進(jìn)后軸承的受力情況

4 仿真分析

基于Romax擬動力學(xué)軟件模擬軸承工況條件，分別對改進(jìn)前后的軸承壽命、套圈接觸應(yīng)力、鋼球所受最大載荷進(jìn)行分析[2]，分析結(jié)果如圖5、圖6所示,改進(jìn)前后的壽命見表3。

表3 改進(jìn)前、后壽命對比

由圖5、圖6可知：

圖5 改進(jìn)前分析結(jié)果

圖6 改進(jìn)后分析結(jié)果

1)改進(jìn)后軸承鋼球受載均勻，且全部承載。

2)改進(jìn)后承載鋼球個數(shù)多，在相同載荷條件下，套圈與鋼球接觸應(yīng)力減小，壽命提高。

改進(jìn)后軸承接觸應(yīng)力、計算壽命均優(yōu)于改進(jìn)前，改進(jìn)設(shè)計后軸承滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

通過對某型發(fā)動機(jī)用雙列角接觸球軸承故障原因進(jìn)行分析，得出軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理,造成軸承靠近安裝邊一側(cè)承受的局部載荷偏大，導(dǎo)致內(nèi)圈滾道剝落。基于Romax動力學(xué)軟件分析，提出增大徑向游隙、減小軸向游隙、增大接觸角、減小鋼球直徑、增加鋼球數(shù)量的改進(jìn)措施，改進(jìn)后的軸承進(jìn)行1 000 h裝車試驗，試驗后的軸承內(nèi)、外溝道正常，兩內(nèi)圈溝道存在較均勻的接觸痕跡，無異常磨損現(xiàn)象,滿足了使用要求。