某柴油機飛輪軸承卡滯故障分析及可靠性提升

0 引言

滾動軸承具有結構緊密、轉動力矩小、易啟動、使用壽命長、性能穩定，標準化程度高等特點，因此在整個經濟的幾乎每個行業里都有著非常普遍的使用。滾動軸承在機械運轉件中的主要作用是傳遞動力和支撐運動，是發動機飛輪組件的關鍵旋轉支撐部件，因此其性能的好壞直接關系著整個機械部分的運行精度、穩定性、可靠性、壽命等，軸承損壞直接導致發動機后端可靠性，從而導致整車的故障。總之，滾動軸承產品的質量水平，對機械設備的質量有直接影響，甚至毫無夸張的講，滾動軸承可靠性對制造業經濟的迅速發展都有著相當重要的作用和意義。由于軸承其內部結構緊湊、不可分離，適用于高轉速甚至極高轉速運行，并且非常耐用，內部深溝形的滾道加上滾道與鋼球之間有極好的密合度，使得深溝球軸承即使在高轉速條件下除了承受徑向負荷外，還可以承受雙向的軸向負荷，軸承內外圈的良好運行與轉速，鋼球和保持架作用力，溫度、潤滑以及保持架材料幾何尺寸等均有關系

。目前，其廣泛應用在發動機后端飛輪中，與整車變速箱進行匹配。精密軸承的卡滯情況時有發生，成為限制整機長壽命、高可靠性發展的重要因素，因此，需要對飛輪軸承進行計算仿真評估，找到影響其運行的規律特征，為其更可靠的應用提供重要的理論支撐。

深溝球軸承的基本結構包括內圈、外圈、滾動體和保持架四大部分(如圖 1)，為了減小軸承的運轉力矩和啟動摩擦力矩，其中一版在內圈填充潤滑脂，從而防止局部高溫產生極大的熱量造成油膜破壞，局部燒傷導致壽命縮短

。部分軸承帶有防塵蓋防護，可有效保護內部清潔，防止過早失效，實物圖見2。

以某飛輪軸承為研究對象，通過分析軸承組件的發熱機理及溫度分布，利用有限元分析軟件，得到了在不同轉速、軸向載荷、徑向載荷、環境溫度和發動機功率下軸承組件內各部位的溫度分布，為分析軸承組件的熱應力、熱變形提供可靠的溫度場依據，同時，可以對飛輪的故障、失效分析及延長壽命提供依據。以下為某發動機配套過程中，因主機廠選用錯誤型號深溝球軸承的案例，進一步詳細分析軸承卡滯故障，以及設計中如何全面考慮設計細節，通過仿真手段提前預防軸承卡滯的故障。

1 故障簡介

飛輪軸承為滿足中高轉速的要求，其潤滑機理是，保持架采用了浸油處理的多孔高分子材料，當軸承運轉是由于內外循環動力的作用潤滑油在保持架、鋼球和溝道之間循環流動，維持完整潤滑油膜，軸承的失效最終表現為軸承內溝道鋼球因受異常力破環潤滑導致軸承失效

。

某機型柴油機在主機廠配套過程中多次出現軸承卡滯的故障。經現場跟蹤拆檢，鎖定為軸承內圈卡滯導致的軸承無法正常運轉(見圖3、圖4)，內部結構嚴重損壞。多臺機器出現的故障現象及模式均一致、規律性強，所以需要進一步確定軸承內部失效的最終原因。

2 原因初判：

由于飛輪軸承失效模式多樣，內部結構相對比較復雜，匯總故障樹分析如下(圖5)。由于現場確認測量飛輪軸承安裝孔內徑相對較小，軸承安裝較為困難，需要施加較大外力操作，故分析重點考慮飛輪本體變形后，導致軸承安裝孔的縮小，或本身加工不合格，外力安裝軸承導致內部游隙過小卡滯的可能性最大，需進一步從仿真計算的角度出發進行最終原因的確認。

本次圓桌會議圍繞圍術期規范化鎮痛展開，生理上的無痛依賴于麻醉專業提供的良好的圍術期鎮痛。心理上的無痛依靠醫護人員的良好態度，即醫護人員對患者的人文關懷；那我們應該如何將人文關懷融入到圍術期鎮痛管理方面呢？筆者認為主要體現在以下幾個方面。

3 故障分析排查

軸承游隙是很重要的使用特性，游隙的大小，對軸承自身疲勞壽命、振動、噪音、頻率、溫升和機械運轉精度等影響很大，故軸承的選擇，既要決定軸承的結構尺寸，又要選擇軸承的游隙，軸承內部游隙(圖6)的定義為其中一個軸承套圈相對于另一個軸承套圈在徑向(徑向游隙)或軸向(軸向游隙)可移動的總距離。更為細致的講，滾動軸承的游隙是指當軸承一個套圈固定并且另一個套圈不受載荷時，可移動套圈沿徑向或軸向從一個極限位置到另一個極限位置的移動量，其中軸承套圈沿徑向的移動量稱為徑向游隙。對球軸承而言，徑向游隙的理論值是外滾道直徑減去內滾道直徑與兩倍滾動體直徑，即徑向游隙是滾動軸承應用中的一個重要參數，不同的徑向游隙所對應的軸承振動特性也不相同。在不同應用工況，不同應用場景中，軸承游隙設計是不同的，若設計過小，容易導致軸承卡滯情況，游隙過大，影響配合精度，間隙過大更容易導致噪聲振動問題

。

由于軸承所處的狀態不同，游隙分為原始游隙，配合游隙、工作游隙。原始游隙是軸承在安裝前的游隙值，是無載荷時的游隙值，這是軸承制造廠的原始設計值。當軸承內圈安裝在軸上或者外圈安裝于安裝孔內后，軸承外圈的徑向尺寸會發生變化，一般軸承因為過盈裝配而發生外圈的收縮，導致軸承內部的游隙減小。此安裝游隙叫做配合游隙，此間隙受軸承結構，尺寸、軸和殼體形狀不同而不同。軸承在實際運行過程中，軸承套圈因為溫升及內外圈溫差的影響，收到工作載荷的作用，軸承滾動體和滾道接觸會發生彈性變形，軸承間隙會有所變化，此成為工作游隙。

軸承與飛輪采用過盈配合；

但這些職稱系列與科普輔導員本質工作并不契合，以群文館員系列為例，評職稱的要求主要以群眾文化實踐經驗、展覽演出、獲獎成果、文學創作、課題研究等方面展開。其評價指標和科普輔導員在展廳工作內容關聯度不大，兩者無法有效結合，職稱評定時存在較大難度。同時，作為科技館工作者，參與群文系列與文化館、群藝館的文藝工作者共同參與評比或者是參與文博系列館員的評定，與文物、博物館系統人員競爭，在提交的資料和業績上處于不利地位，通過率較低，打擊科技館從業人員參評積極性。

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3.1 計算邊界確認

隨仿真軟件的日趨完善，軟件開發及力學分析已趨于成熟，有限元計算可以有效解決工程學研究遇到的問題和難點，以故障柴油機的飛輪總成及裝配組件為例進行計算模型搭建，模型元件包括飛輪、飛輪齒圈、軸承單元、飛輪螺栓組成。由于裝配組件的實際結構變形是十分復雜的，要建立一個完整的，包含所有結構的數學分析模型是不現實的，考慮到飛輪的實際工作情況，具有載荷小、精度要求高，長壽命和低摩擦的特點，故在不影響分析的情況下對模型搭建進行了部分簡化。

施加載荷步：

2)飛輪軸承具有對稱結構，忽略人為裝配產生的不均勻變形；

3)忽略軸承各零件材料的各向異性；

根據仿真計算及試驗件拆檢測量的結果，重點從降低變形、增加游隙兩方面入手，有針對性的提供解決措施。實際測量零件尺寸，無螺栓把緊狀態下，軸承安裝孔實際尺寸已超出設計下限值。把緊螺栓后安裝孔的內徑進一步的縮小。與仿真計算趨勢相符，故提出以下解決措施：

1、飛輪軸承孔加工尺寸必須滿足設計要求；

確認飛輪螺栓M14×1.5,10.9級，轉角法屈服擰緊，螺栓力103kN-129kN；軸承外圈與飛輪過盈量半徑0.0195mm；飛輪材料HT250，飛輪軸承按照主機廠的選擇為C0游隙(通過軸承規格標準查詢游隙范圍為0.005mm至0.02mm)，其余部件為鋼，搭建模型見圖7。

1)忽略軸承內外圈因為制造工藝產生的應力不均勻分布；

第一步：飛輪螺栓按照最小預緊；

表盤正中心一顆玫瑰金太陽在表盤中央熠熠生輝，鍍銠金流星、粉紅珍珠母貝水星、綠色琺瑯金星、綠松石地球及鉆石月球分布在四周，每顆星體均按照其在自然界中實際圍繞太陽公轉速度而運行。梵克雅寶將神秘的宇宙栩栩如生地呈現于眼前，驚人贊嘆。

第二部，飛輪螺栓最大預緊；

本文在分析本地和遠程生物信息系統模型基礎上，提出了一個基于數據倉庫的架構思想的、適用于病毒序列數據庫的集成系統架構。其目的是實現對病毒序列數據的分類提煉、整理和系統化，并提供相應的集成分析服務。同時以流感病毒序列為例，建立了一個流感病毒序列集成數據庫系統，為相關數據庫的構建積累了一定的經驗。下一步將對更多病毒類別（如腸道病毒、腺病毒等）的數據進行集成，進一步擴充和完善現有的病毒序列集成數據庫系統。

對于軸承的游隙，必須區分在安裝之前的游隙，與安裝后并達到其工作溫度的游隙(工作游隙)。軸承的初始游隙(安裝前)一般比工作游隙大，是由于不同過盈量的公差配合，以及軸承套圈與鄰接部件不同程度的熱膨脹，導致套圈膨脹或壓縮

。

3.2 有限元計算

2、可減小配合的最大過盈量，由于軸承一般為標準件，可適當增加下軸承安裝孔的直徑；

1)飛輪螺栓最大預緊力下，提取飛輪內徑變化量：內徑最大變化量0.0096mm，可見圖8，

2)飛輪螺栓最大預緊力下，再考慮最大過盈下，提取飛輪內徑變化量，內徑最大變化量0.018mm，可見圖9。

3)飛輪螺栓最大預緊力下，考慮最大過盈下，提取飛輪軸承外圈外徑變化量，外徑最大變化量-0.021mm(max)，此值已經大于軸承游隙C0級(0.005mm-0.020mm)，存在卡滯風險，見圖10。

3.3 計算結果分析

通過以上計算可以得出結論，在飛輪螺栓把緊狀態下，飛輪局部在軸力作用下會發生變形(圖11)，飛輪軸承安裝后，考慮最大過盈量下，螺栓軸力把緊變形后，由于螺栓力的作用飛輪的安裝孔發生變形，再考慮過盈裝配的影響，以及溫度的影響，軸承外圈最大變形量提取值達到0.021mm超過了此規格軸承游隙C0范圍(0.005mm-0.020mm)，會出現軸承內部鋼球和溝道干涉卡滯、運行不暢問題。

4 優化措施及效果

4)忽略軸承內部鋼珠、離心力對軸承徑向、軸向載荷的影響

。

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按照以上要求完成模型搭建后，通過有限元計算手段詳細對比分析，只考慮裝配力矩、溫度的影響：

3、在軸承安裝孔與軸承外殼配合尺寸不變的前提下，可考慮適當增加軸承的游隙C0級(0.005mm-0.0020mm)增加至C3級(0.013mm-0.028mm)，即考慮各種變形因素后，軸承外殼變形量也小于軸承內游隙設計，防止卡滯情況。

5 驗證效果

在此故障機器中，由于飛輪結構均為常年配套成熟機型，結構尺寸未做變更，軸承為主機廠配套單獨采購，由此判斷為軸承選配不當導致。故采用游隙更大的飛輪軸承可解決，新軸承現場試裝驗證，實際測量軸承的運轉情況良好，均未出現卡滯情況，達到理想效果，可見圖(12)，性能及可靠性指標均滿足要求。

6 經驗總結及固化

通過仿真計算與實際案例對比分析相結合的方式，深究原因，考慮飛輪結構壁厚，螺栓軸力，溫度、配合過盈量的綜合影響，從仿真角度得出與實際測量相一致的結論，從而實現軸承配套的正向設計。有效進行風險預測，可避免因設計選配不當導致軸承卡滯故障的發生。

飛輪軸承的設計原則可歸納總結如下：

a、保證最大過盈量下的變形量小于軸承游隙，防止卡滯；

可見，生產力、生產方式、經濟基礎的決定作用是“歸根到底”意義上的，在實際的歷史行程中，上層建筑包括政治體制、法律制度、意識形態，當然也包括領袖人物的活動，都會對經濟基礎產生這樣那樣的反作用，而且往往決定著歷史運動的“斗爭形式”。歷史上的成功的變法、革命、改革，都是例證。這些變法、革命、改革，推動了國家經濟、政治、文化、教育、交通、軍事、財政等領域的迅速進步，都會對時代產生重要影響，其中成果卓著者則會開創新時代。

b、保證最大間隙下的變形后存在過盈量，軸承無法脫出；

c、建議軸承/底孔安裝配合采用過渡配合，可適當降低最大過盈量；

d、根據不同結構仿真計算，適當選擇大游隙C3/C4級軸承。

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