某傳動箱試驗臺軸承跑圈故障分析及處理

季 杰，張再峰，賈新旺，商顯耀

(中國船舶重工集團公司第703所 無錫分部，江蘇 無錫 214151)

滾動軸承在工業生產制造中扮演著至關重要的角色，同時也是最易損壞的部件之一。研究表明，旋轉機械中由于軸承問題導致的故障占總故障的70%，齒輪箱中軸承的故障率為19%，僅次于齒輪[1]。一旦軸承損壞輕則影響生產進度，重則導致其他零部件損壞，帶來巨大經濟損失，因此對軸承問題的預防和及時處理是十分重要的。導致軸承故障的原因主要有：配合公差選取不當、加工和安裝精度不當、潤滑不當、轉子不平衡、軸承質量不良等[2]。戚遠大研究認為，高速主軸性能的好壞與結構設計密切相關，但在很大程度上取決于裝配方法的合理性與規范性，并介紹了安裝過程中軸承清洗、潤滑脂填充、軸和軸承及軸承座加工精度檢查、軸承安裝與定位、軸承安裝精度檢查和注意方法等[3]。軸承運行時有異響、振動超標和溫度過高等可作為判斷軸承故障的依據[4]。

本文以某傳動箱試驗臺發生軸承跑圈故障為例，通過分析軸承跑圈故障原因，并提出多種處理方案，旨在為相似設計及故障分析處理提供借鑒。

1 試驗臺簡介

傳動箱試驗臺結構示意圖如圖1所示，傳動箱輸入軸轉速最高約8 000 r/min，經過傳動箱內齒輪傳動，左、右側最高輸出轉速分別為4 000 r/min和2 000 r/min。各軸承座與輸出軸均通過膜片聯軸器連接，軸承座內裝有2個深溝球軸承，軸承型號為6207，軸承內徑D35，外徑D72，脂潤滑時極限轉速為8 500 r/min，油潤滑時極限轉速為11 000 r/min。輸入軸布置1個轉矩傳感器，傳動箱四周布置4個振動傳感器。

圖1 傳動箱試驗臺結構示意圖

2 故障現象及分析

2.1 故障現象及判斷

試驗臺在 5#工況點運行時，試驗人員巡檢發現右側軸承座溫度明顯異常，隨即暫停后續試驗，將前期運行數據等分為3個階段進行分析研判，圖2～圖4分別為3個階段在1#～5#工況運行時的轉矩、振動、右側軸承座溫度對比圖。由圖2～圖4可知，隨試驗進行，轉矩、振動、軸承座溫度均有不同程度的增加。其中第三階段的轉矩、振動值以及軸承座溫度均較第一階段明顯提升，尤其是5#工況點處，轉矩增加了約25%，軸承座溫度增加約50%。經對3個參數增幅分析，初步判斷右側輸出軸系或安裝座有異常。

圖2 轉矩對比圖

圖3 振動對比圖

圖4 右側軸承座溫度對比圖

2.2 對中驗證

為了排除軸系對中問題引起的異常，在右側軸承座上安裝百分表進行軸系復測。經測量，軸向偏差滿足不大于0.05 mm的要求；徑向偏差為0.06 mm，略大于要求值0.05 mm。對中安裝示意圖如圖5所示，按工藝規范，重新對軸系進行對中。軸系故障修復前后對中值見表1。

圖5 對中安裝示意圖

表1 軸系故障修復前后對中值

圖6為重新對中后不同工況點振動、轉矩變化圖，對比圖6和圖3可知，重新對中后，各工況點轉矩與異常時基本一致，而振動變化較為明顯。3#工況振動值由3.0 mm/s降低到2.5 mm/s，但5#工況振動值由3.0 mm/s增加到7.5 mm/s，且軸承座溫升較快，有異響。經聽棒判斷，異響從右側軸承座內發出，因此初步排除軸系對中是引起本異常現象的原因。

圖6 重新對中后不同工況點振動、轉矩變化圖

2.3 軸承座拆解

根據上述軸系對中試驗驗證及試驗過程中異響位置判斷，試驗人員對右側軸承座進行拆解，以進一步確定異常現象原因，軸承座拆解圖如圖7所示。經拆解發現以下情況。

圖7 軸承座拆解圖

1)脫開聯軸器螺栓后，手動推動半聯軸節發現存在軸向竄動現象。

2)拆開軸承座端蓋，發現軸承滾珠保持架斷裂，軸承損壞。經查，設計時軸承與軸承座之間采用過渡配合，測量樣本軸承外圈尺寸公差為D72(-0.030，0)，軸承座內徑尺寸公差為D72(-0.012，0.018)，軸與座形成的配合尺寸為(-0.012， 0.048)，即最大存在0.048 mm的游隙。經對已損軸承與軸承座測量，測得軸承外徑為71.90 mm，軸承座內徑為72.04 mm，兩者之間游隙為0.14 mm，遠遠高于設計時的最大游隙。

3)目視軸、軸承色澤略黑，可能發生燒軸現象，且在長時間的運行以及高溫的作用下，潤滑脂變質，由黃色變為黑色。

4)軸與軸承內圈緊配合，未發現跑圈問題。

5)軸承外圈和軸承座內壁存在磨痕。

綜上所述，軸承跑外圈是導致試驗振動超標、溫度高、軸承損壞故障的原因。

3 故障處理方法

3.1 方法一：常規修復技術

軸承跑外圈加劇了軸承座內壁的磨損，僅更換新軸承，軸承與軸承座之間仍存在較大間隙，無法應對長周期、高強度的試驗需求。因此，采用更換金屬蓋軸承、打樣沖、增加隔套、粘螺紋膠黏接劑等多種方式相結合的修復方法。

1)考慮到軸承滾珠保持架斷裂故障原因是由于軸承高速旋轉時，在離心力的作用下，填充的潤滑脂可能被甩出軸承，導致軸承滾道和滾珠之間油膜厚度不足，無法達到潤滑效果。修復方法為更換金屬蓋軸承，金屬蓋軸承雙側有密封蓋，其具有易于密封、使用周期長、維護簡單等優勢。

2)軸承座內壁磨損，導致軸承座內壁與軸承之間的游隙增加，為避免新軸承在軸承座內發生跑圈故障，通過在軸承外圈均勻打樣沖眼，用突起的部分補償游隙的增加。并在軸承外圈均勻涂抹螺紋膠黏結劑，凝固后填充軸承與軸承座之間的間隙。

3)原設計時采用軸肩和端蓋腳軸向固定軸承，但因前期試驗運行發生竄動磨損，現軸向固定可能存在間隙，因此在軸承與端蓋間增加隔套，以消除間隙。為消除軸向竄動，在原設計的基礎上，在軸承與端蓋之間增加外隔套，軸承座隔套裝配示意圖如圖8所示。

圖8 軸承座隔套裝配示意圖

修復后轉矩、振動曲線圖如圖9所示，圖9反映了上述修復技術組合應用后的各試驗參數情況。與圖6對比后可知，修復后轉矩變化較小，而振動存在不同程度的增加，尤其是2#工況振動則由原來的2.5 mm/s增加到7.0 mm/s。當試驗臺運轉至1 500 s時，右側軸承座最高溫度(Tmax)為70 ℃，超出軸承使用環境要求，可能是軸承外圈與洋沖眼加劇摩擦，因此判斷仍然存在跑圈故障。

圖9 修復后轉矩、振動曲線圖

3.2 方法二：調整配合公差

軸承座內壁磨損，游隙增大，常規修復技術已無法從根本上解決高轉速軸承跑圈故障。為此重新設計軸承座，調整配合公差為過渡配合或小過盈配合。改進方案是，采用金屬蓋軸承，并調整軸承座內徑公差為D72(-0.021，0.009)，軸承與軸承座的配合尺寸為(-0.021，0.039)，即最大過盈0.021 mm，最大游隙0.039 mm。在裝配前分別對軸承座、軸承加工精度檢查，測得軸承外徑為71.98 mm，軸承座內徑為72.00 mm，游隙為0.02 mm，滿足設計要求。

圖10和圖11分別為調整前后轉矩、振動對比圖。由圖10、圖11可以看出，在各個工況下轉矩均大幅降低，振動值最高出現在0.4 N工況，約3.5 mm/s。各工況點運行時，軸承座溫度最高為40 ℃，滿足軸承使用要求。因此認為，合適的公差配合和加工、安裝精度是預防軸承跑圈故障的關鍵。

圖10 調整前后轉矩對比圖

圖11 調整前后振動對比圖

3.3 舉一反三：調整輸入軸軸承座

為避免轉速更高的輸入軸發生相同的故障，試驗人員對輸入軸承座進行拆解，發現尚未發生軸承跑圈現象。

為適應長周期、高強度的試驗要求，對該部位從公差配合精度、機械結構、潤滑方式方面進行舉一反三。

1)參照右側軸承座，選用合適的公差配合精度。

2)潤滑方式由原脂潤滑改為油潤滑，油潤滑的方式除了能夠及時在滾子和滾珠之間形成保護油膜，還能帶走熱量和磨損顆粒，延長試驗臺的使用壽命。

3)為適應潤滑方式改變，相應改進機械結構，輸入軸油潤滑結構示意圖如圖12所示。輸入軸軸承座內僅裝有一個深溝球軸承，軸向固定一側采用軸承座凸肩，另一側采用彈性擋圈。在軸承上方和下方分別均勻開進油口和出油口各4個，潤滑油從進油口噴向軸承滾子和滾道，覆蓋表面形成一層油膜，然后在重力的作用下從出油口排入滑油箱。為防止潤滑油從軸和端蓋之間的間隙泄漏，采用皮碗式密封，兩側端蓋內設有皮碗密封圈。

圖12 輸入軸油潤滑結構示意圖

4 結束語

某傳動箱試驗臺運行過程中出現振動超標、溫度高、轉矩大等現象，經數據分析，試驗驗證排除軸系對中問題，初判定為軸承跑圈。后經多種常規修復技術組合應用、驗證，未能根本解決問題。為此從設計源頭進行改進，選取合適的配合精度，嚴格控制加工和安裝精度，并對高速軸系舉一反三，改進潤滑方式和機械結構，經應用、驗證，改進后的試驗臺位已累計運行約1 000 h，未再發生相似故障。進一步說明配合精度、潤滑方式、機械結構對預防高速軸軸承跑圈的重要性，同時為相似故障排除提供借鑒參考。