排除軸間軸承滾棒滑動(dòng)故障的方法研究

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

1 概述

安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的軸間軸承，在工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載不足滾棒滑動(dòng)的情況。此外，使用過(guò)程中的外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于離心力作用和滾棒相對(duì)于環(huán)的壓力作用下，軸承間隙增加，軸承工作條件變得惡化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化或飛機(jī)過(guò)載或機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，軸承負(fù)載會(huì)進(jìn)一步增加。在滾動(dòng)體與軸承兩個(gè)環(huán)接觸時(shí)，滾棒開(kāi)始以等于轉(zhuǎn)子總量一半頻率的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，滾棒轉(zhuǎn)速應(yīng)降低，此時(shí)保持架開(kāi)始拖動(dòng)滾棒，并在滾棒懸空時(shí)與滾棒一起得到很大的速度，進(jìn)而產(chǎn)生超出規(guī)定的動(dòng)力負(fù)載和相對(duì)于軸承環(huán)的滾棒滑動(dòng)。正是由于滾棒、環(huán)、保持架的磨損從而降低了滾棒的使用期，造成軸承失效。為此，制定了排除滾動(dòng)體滑動(dòng)方法并設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)滾棒軸承，從而保證在使用的所有狀態(tài)下滾棒部分與環(huán)的固定接觸，這樣可以避免滾棒相對(duì)于環(huán)的滑動(dòng)。

2 排故方法研究

2.1 排除低負(fù)載工況下軸承滾棒滑動(dòng)方法

其主導(dǎo)思想就是在使用中將外環(huán)橢圓化。橢圓化是在離心力作用下，使外環(huán)圓周方向上兩處單位長(zhǎng)度與原始狀態(tài)有所區(qū)別。該方法可以提高軸承使用期限和工作效率，特別對(duì)外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)或兩個(gè)環(huán)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承有效（例如軸間軸承），從而保證一定數(shù)量的滾棒與軸承環(huán)的接觸。

通過(guò)滾棒軸承上一個(gè)軸承環(huán)的徑向相對(duì)位置設(shè)計(jì)出與其他部位相比具有較大或較小質(zhì)量的部位，其中，具有較小質(zhì)量的部位可以通過(guò)去除環(huán)材料來(lái)保證，具有較大質(zhì)量的部位可以通過(guò)向環(huán)上添加配重來(lái)保證，在制造環(huán)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

該方法應(yīng)用在某發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)上的軸間軸承上，并模擬工作條件進(jìn)行了試驗(yàn)。在尺寸為95×130×18mm滾棒軸承外環(huán)上采用電腐蝕方法在兩個(gè)徑向部位上的相對(duì)端面處制造兩個(gè)槽。每個(gè)槽尺寸為6.1×4.2×2.2mm。每個(gè)槽質(zhì)量減少0.375克，而在兩個(gè)端面上為0.75克。在外環(huán)轉(zhuǎn)速13300轉(zhuǎn)/分時(shí)，由于環(huán)和滾棒離心力的作用，外環(huán)開(kāi)始橢圓化：與原環(huán)相比，外環(huán)去除質(zhì)量部位的直徑降低4.6微米，而在徑向相對(duì)方向上直徑增加了98微米。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)橢圓化，外環(huán)與安裝座應(yīng)有充足的間隙，使外環(huán)與安裝座在橢圓大直徑上不接觸。軸向上應(yīng)自由裝配。外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其配合處同樣也帶相同頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝座直徑增加了50微米。此時(shí)軸承環(huán)與安裝座的間隙在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)應(yīng)為50微米。

2.2 保證滾棒在所有使用狀態(tài)下過(guò)盈時(shí)外環(huán)與滾棒的配合

為保證軸間軸承在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的可靠性工作，必須要去除金屬或局部降低環(huán)的剛性。主要分為去除材料和在端面方向上固定軸承環(huán)兩種方案。在環(huán)的兩個(gè)徑向方向上的每個(gè)端面設(shè)有兩個(gè)槽。每個(gè)槽的尺寸為6.05 mm（徑向），6.1mm（圓周）和3mm（軸向（方案1））或者1.5mm（方案2）。成對(duì)的槽去除的質(zhì)量為1.6克和0.75克。

在規(guī)定的外環(huán)轉(zhuǎn)速下，在環(huán)的單位質(zhì)量降低的區(qū)域內(nèi)，直徑減少，滾棒保持過(guò)盈。對(duì)于第一種方案，在24%轉(zhuǎn)速情況下環(huán)與滾棒相配合，而對(duì)于第二種方案是在外環(huán)最大轉(zhuǎn)速48%情況下才能保證配合。這些頻率都低于工作頻率范圍，這樣可以預(yù)先決定發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)狀態(tài)使用下的滾棒過(guò)盈。

在環(huán)與滾棒配合時(shí)，如果繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，環(huán)的離心力將增加，相對(duì)于滾棒的配合，環(huán)會(huì)在相互垂直方向上繼續(xù)拉伸。為了確定環(huán)的最大直徑，在環(huán)與滾棒配合及繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速情況下，對(duì)環(huán)和滾棒的接觸進(jìn)行了研究。軸承安裝游隙在0-10微米范圍內(nèi)，第一種方案槽的配合間隙應(yīng)不小于40微米，而第二種方案為47微米。此時(shí)在外環(huán)與滾棒配合情況下，沿橢圓長(zhǎng)軸與裝配位置的第二種配合不會(huì)出現(xiàn)，這在保證滾棒與兩個(gè)環(huán)同時(shí)接觸情況下，確保了軸間軸承可靠性工作。

3 理論計(jì)算

外環(huán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在離心力作用下，通過(guò)在兩個(gè)徑向區(qū)段上的單位長(zhǎng)度質(zhì)量的局部變化實(shí)現(xiàn)均勻分布的環(huán)（無(wú)槽）徑向?qū)ΨQ(chēng)變形和環(huán)在周向上不均勻變形（橢圓化）。如果在這些區(qū)段向環(huán)附加兩個(gè)引向中心的力，并與去除質(zhì)量的離心力相等。此外，必須要考慮在開(kāi)槽處環(huán)剛性的局部變化。

在軸間軸承樣件95×130×18mm上研究了橢圓化計(jì)算方法和環(huán)配合參數(shù)的確定方法。軸承外環(huán)上的兩個(gè)徑向區(qū)段開(kāi)設(shè)兩個(gè)端面槽6.05mm（徑向）、6.1mm（圓周）和1.5mm（軸向）。整環(huán)橫截面慣性力矩為0.226×109m4和槽制造區(qū)域0.182×109m4。橫截面面積F=0.88×104m2和跑道半徑Rк=0.0605m。單個(gè)滾棒質(zhì)量為mp=4.6×103千克，滾棒數(shù)量Z=28個(gè)，滾棒轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡半徑Rp=0.056m。兩個(gè)槽上去除金屬質(zhì)量為m=0.75×103千克。安裝游隙為10微米。

由此，環(huán)外形降低將與增加了徑向游隙的徑向均衡膨脹相等，當(dāng)環(huán)裝配到滾棒上時(shí)，確定圓周頻率。在環(huán)與滾棒配合時(shí)出現(xiàn)降低集中力的反作用，并將環(huán)橢圓化。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用去除材料和在端面方向上固定軸承環(huán)的方法可以排除滾棒相對(duì)于小負(fù)載工況下軸承環(huán)的滑動(dòng)，特別對(duì)于帶外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)或兩個(gè)環(huán)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)（軸間的）軸承，保證確定的滾棒數(shù)量與軸承環(huán)在所有使用狀態(tài)下的接觸，避免了滾棒滑動(dòng)故障的發(fā)生。

[1]從飛云.基于滑移向量序列奇異值分解的滾動(dòng)軸承故障診斷研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[2]某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效原因分析[Z].

[3]陸頌元.發(fā)電設(shè)備振動(dòng)分析故障診斷[Z].2009.