某型高DN發動機軸承試驗故障分析及改進

徐金超 劉公平 張言偉 黎建濤 李玉亭

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

0 引言

軸承試驗中時有故障發生，針對試驗中出現的故障，分析原因，對原試驗方案進行改進設計，試驗驗證改進后方案的可行性。

某航空發動機主軸軸承，DN值高，試驗時出現試驗故障，報警停機，經分析發生跑圈現象。軸承跑圈分為內圈跑圈與外圈跑圈，內圈跑圈為軸承的內圓與軸的接觸有了間隙，產生與軸不同步旋轉現象。外圈跑圈為產生外圈在軸承室內打滑，有跟隨軸旋轉的趨勢。以某型航空發動機主軸軸承試驗中出現的跑圈現象為例，研究分析跑圈問題。

1 試驗條件

試驗軸承為滾子軸承，軸承內徑為110mm，轉速為27 100r/min，DN值為298×104mm r/min，3個噴油嘴，供油溫度100℃，供油壓力0.5MPa，每個噴嘴的流量為2.8L/min，試驗時載荷1 300N～8 750N。

2 試驗設備

根據軸承的尺寸、轉速、載荷等特點，選擇ZYS-106型試驗器。ZYS-106型軸承試驗器可完成內徑尺寸在Φ40～Φ110mm范圍內的球和滾子軸承的試驗，最高轉速30 000r/min，最大軸向載荷20kN，最大徑向載荷15kN，滑油加熱最高溫度200℃，滑油最大供油壓力1MPa，試驗器主要技術指標和功能滿足項目要求。試驗前對試驗設備的加載系統、驅動系統、潤滑系統、電氣測控系統等進行準備狀態檢查，試驗設備狀態滿足軸承試驗條件要求。試驗監控參數：軸承外圈溫度、載荷、進油溫度、回油溫度、振動、轉速、滑油壓力等。

3 試驗方案

試驗軸系為簡支梁結構，試驗軸承位于軸系的中間，一次試驗兩套。電主軸通過柔性聯軸器與試驗主軸的軸伸端相連，提供轉速。試驗軸承的徑向載荷由徑向加載裝置施加于中間試驗軸承上，加載大小為試驗軸承徑向載荷的2倍。試驗方案如圖1所示。

圖1 改進前的試驗方案

4 試驗現象

工裝加工完畢后，進行裝配調試，調試時出現：（1）振動大，異常響聲；（2）隨轉速升高，振動異常增大，振動達到7.5g個，報警停機。現場檢查，手盤主軸，旋轉靈活，無卡滯。

5 故障分析

根據試驗中出現的故障，建立故障樹，查找原因，故障樹如圖2所示。（1）軸承質量方面，軸承的出廠檢驗記錄表明軸承各項參數均在設計范圍內；（2）試驗設備方面，試驗設備是經過檢驗合格的設備；（3）試驗潤滑方面，打開試驗設備的主體壓蓋，啟動潤滑系統檢查潤滑狀況，供油正常；（4）試驗工裝方面，對零件的尺寸公差，形位公差與設計要求相比，檢驗結果表明，零件的尺寸公差，形位公差均在設計要求范圍內，3個噴嘴的位置均正確，流量在要求的范圍內；（5）工裝裝配方面，裝配過程按照操作規范進行。

圖2 故障樹

軸承外觀檢測發現，外圈和保持架外觀正常，滾子外觀正常，軸承內圈端面有滑蹭痕跡，如圖3所示。軸系上與滾子軸承內圈接觸的隔圈端面有滑蹭痕跡，如圖4所示。試驗主軸上有磨損環帶，如圖5所示。

圖3 軸承內圈滾道

圖4 隔套內圈端面

圖5 軸承內圈滾道

經分析，試驗主軸上有磨損環帶，軸系振動大的主要原因是跑圈造成的。由于軸承內圈與軸熱膨脹量不同，軸承內圈與軸之間的過盈配合可能變成間隙配合，若此時壓緊力不足，端面摩擦力矩不足以克服軸承阻力距，軸承內圈與軸發生相對轉動，軸承內圈端面與套圈端面產生磨損，進而導致軸系運轉失穩，異常磨損，軸承溫度升高，設備振動增大，報警停機。

6 排故措施及試驗驗證

由于線膨脹量及壓緊力不足造成軸承跑圈，采取如下改進措施：

（1）采用機械限動措施，該措施能有效防止隔套在工作狀態下轉動。

（2）更換軸的材料，軸的材料改成線膨脹系數大的材料，避免軸承內圈與軸產生間隙配合。

（3）保證端面壓緊力，改變壓緊方式，由原來的端蓋壓緊改成螺釘壓緊。

（4）細化裝配工藝，裝配時，提高軸承內圈加熱溫度，確保軸承端面貼近軸端面，用塞尺檢查。

改進后的試驗方案如圖6所示，仍采用簡支梁結構，試驗軸承位于軸系的中間。左隔套與右隔套在軸向鉆4個孔，軸上相對應位置在軸向加工螺紋孔，隔套裝上后，裝上緊定螺釘，左端試驗軸承與左端陪試軸承用左端壓蓋壓緊，右端試驗軸承與右端陪試軸承用右端壓蓋壓緊。

圖6 改進前的試驗方案

方案改進后，進行工裝返修、加工，安裝、調試，對改進后的試驗方案進行驗證。為提高對比性，在同一臺試驗機安裝該型號軸承，在相同潤滑及相同載荷轉速下進行試驗。試驗過程中：（1）軸承溫度穩定，無異常聲音出現；（2）左試驗軸承溫度較原方案軸承溫度低了6℃左右，左試驗軸承溫度較原方案軸承溫度低了5℃左右；（3）主體振動較原方案低了2.5g左右。對比試驗數據曲線見圖7～9，停機后檢查軸承外觀，內圈端面外觀正常，無打滑蹭傷。可知，改進后方案的試驗軸承在溫升、振動均優于原方案，改進措施有效，改進方案合理可行，故障排除。

圖7 左試驗軸承溫度對比曲線

圖8 右試驗軸承溫度對比曲線

圖9 振動對比曲線

7 結語

根據軸承試驗中的跑圈的故障方式，對試驗方案進行改進，改進后，跑圈現象消失，主體振動及軸承溫度降低，軸承試驗順利進行。