某圓柱滾子軸承卡滯問題的分析及改進(jìn)措施

陳 群，崔靜偉

（1. 中國(guó)人民解放軍第5701工廠，四川 成都 610043；2. 洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 前言

軸承是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用圓柱滾子主軸承在高溫、高速和重載條件下工作，軸承采用環(huán)下噴油冷卻潤(rùn)滑，工作條件十分惡劣。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸系統(tǒng)對(duì)這類軸承提出了極高的要求，因此對(duì)于這類軸承的研究是國(guó)內(nèi)外各個(gè)軸承公司需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承特殊的工況要求[1]。本文針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用圓柱滾子主軸承在安裝內(nèi)圈組件時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)卡滯的問題進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制加工精度，使改進(jìn)設(shè)計(jì)后加工的軸承滿足了主機(jī)的使用要求。

2 問題描述

該型號(hào)軸承的結(jié)構(gòu)為：內(nèi)圈雙擋邊、內(nèi)徑和滾道的越程槽處分別均布圓周方向油槽和徑向進(jìn)油孔，且內(nèi)圈一端帶有拉拔槽、外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承。軸承套圈和滾子采用耐熱鋼材料，保持架材料為合金鋼。主機(jī)裝配過(guò)程中，在安裝軸承內(nèi)圈組件（由內(nèi)圈、保持架和滾子組成）時(shí)，當(dāng)軸承內(nèi)圈在 96kN 的軸向壓緊力作用下壓緊后，出現(xiàn)了滾子與滾道卡滯，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活的故障，這對(duì)軸承的使用來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的。

3 問題分析

針對(duì)該型號(hào)軸承出現(xiàn)的問題，通過(guò)討論和分析，對(duì)發(fā)生故障的本批次軸承進(jìn)行排查和梳理，根據(jù)軸承產(chǎn)生故障的可能性因素，列舉出故障樹。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究和論證，確定從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和加工精度入手，分析軸承內(nèi)圈組件安裝壓緊后滾子卡滯故障產(chǎn)生的原因。

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圓柱滾子軸承在設(shè)計(jì)方法上已經(jīng)很成熟，根據(jù)軸承要求達(dá)到的最佳性能，在外形尺寸和主參數(shù)確定的條件下，可以對(duì)軸承內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)算。基于該型號(hào)軸承出現(xiàn)安裝后滾子在內(nèi)圈中出現(xiàn)卡滯的問題，通過(guò)對(duì)原來(lái)軸承內(nèi)圈設(shè)計(jì)參數(shù)與國(guó)外同類型的產(chǎn)品進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)國(guó)外同類型軸承內(nèi)圈退刀槽尺寸較小，退刀槽尺寸、內(nèi)圈擋邊設(shè)計(jì)與國(guó)外同類型產(chǎn)品差異較大[2-3]，這些差異不能排除是軸承產(chǎn)生卡滯的原因之一。

3.2 加工精度

為了檢驗(yàn)軸承加工精度與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸的一致性，對(duì)該軸承內(nèi)圈的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行產(chǎn)品尺寸復(fù)檢。根據(jù)理論分析結(jié)果，退刀槽的尺寸大小對(duì)軸向載荷下滾道兩擋邊間的寬度及承載影響最大。對(duì)該型號(hào)軸承取三個(gè)批次各一件，對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行軸向剖切處理，內(nèi)圈剖切測(cè)試的尺寸位置如圖1。剖切后，退刀槽尺寸測(cè)量的結(jié)果見表 1。

圖1 測(cè)試的尺寸位置

表1 檢測(cè)結(jié)果 mm

從表 1 分析可以看出：該批軸承內(nèi)圈的退刀槽尺寸較第 1 批和第 2 批尺寸大。本批次測(cè)試位置 3（退刀槽底到擋邊軸向距離）的測(cè)試值為0.56mm，超出上限值（0.5mm）0.06mm，制造精度超差。該尺寸影響擋邊剛性，尺寸越大擋邊剛性越差。同時(shí)本批次軸承滾子與內(nèi)圈擋邊的實(shí)際軸向間隙比第 1 批和第 2 批軸向間隙要小，這些差異不能排除是軸承產(chǎn)生卡滯的原因之一。

4 問題驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軸承內(nèi)圈退刀槽尺寸對(duì)軸承內(nèi)圈剛性的影響，特別進(jìn)行了仿真計(jì)算與試驗(yàn)，以分析這些因素的影響程度。

4.1 仿真計(jì)算

（1）建立模型

根據(jù)產(chǎn)品圖紙建立軸承內(nèi)圈零件的三維模型，如圖 2 所示。在圖中 A 面添加固定約束，B 面施加周向載荷，不同退刀槽尺寸的示意圖見圖 3。約束與加載分別是與套圈與擋肩和壓緊螺母接觸區(qū)域，具體模型如圖 4、圖 5 所示。分析不同退刀槽尺寸、不同載荷（10 000N ～ 110 000N）下內(nèi)圈兩擋邊的距離變化量。

圖3 不同的退刀槽尺寸

圖4 B面（拉拔槽端面）加載示意圖

圖5 A面加載示意圖

（2）計(jì)算結(jié)果

在軸向夾緊力作用下?lián)踹吿幍妮S向位移云圖如圖 6 所示。從圖中可以看出拉拔槽處的變形最大。

圖6 套圈軸向變形云圖

不同退刀槽尺寸和軸向夾緊力條件下，軸承內(nèi)圈擋邊變形如表 2 所示。從表中可以看出變形量與載荷近似成線性關(guān)系，退刀槽深度越大，其變形越大。表 2 中第 4 行數(shù)據(jù)為將退刀槽結(jié)構(gòu)改為 0.3mm 圓倒角后的變形，略小于退刀槽對(duì)應(yīng)的變形。

表2 不同軸向夾緊力下內(nèi)圈擋邊變形情況 mm

仿真計(jì)算時(shí)，為單邊約束，計(jì)算另一邊的變形量。實(shí)際情況是雙邊都有變形，所以計(jì)算值應(yīng)乘以 2 倍。96kN 夾緊力下最大變形量達(dá)到了0.035mm。因此內(nèi)圈在承受 96kN 軸向夾緊力時(shí)，滾道擋邊將會(huì)發(fā)生變形，減小了滾道兩擋邊之間距離。

4.2 內(nèi)圈擋邊變形試驗(yàn)

采用三個(gè)未裝配使用的本批次軸承內(nèi)圈加軟態(tài)芯軸，在壓（拉）力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行“壓力 — 變形”試驗(yàn)，驗(yàn)證軸承內(nèi)圈軸向加載后滾道擋邊變形情況。如圖 7 所示，中間一個(gè)套圈為測(cè)試套圈，上下兩個(gè)改制為測(cè)試墊圈，A、B 分別為測(cè)試點(diǎn)。

圖7 套圈擋邊軸向變形測(cè)試圖

試驗(yàn)前將測(cè)試套圈加熱套入測(cè)試軸中段，測(cè)試軸與測(cè)試套圈之間有 0.02mm 過(guò)盈。然后如上圖將兩改制套圈套入，保證測(cè)試軸兩端面低于兩改制套圈外端面。試驗(yàn)組件套在銅質(zhì)防爆套內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)逐步分段加壓，加到設(shè)定壓力后保壓五分鐘進(jìn)行下次加壓。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表 3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 3 中上擋邊讀數(shù)加下?lián)踹呑x數(shù)即為擋邊變形量?？紤]初始加載變形較大，加載初期采用較小載荷間隔，然后載荷間隔為 10kN。

通過(guò)仿真計(jì)算和內(nèi)圈擋邊變形試驗(yàn)可知：軸承內(nèi)圈滾道兩擋邊間距離隨著內(nèi)圈軸向夾緊力增加，變形增加；同時(shí)還可以看到相同軸向載荷隨著退刀槽尺寸增大，變形增加。軸向夾緊力 96 kN 時(shí)仿真計(jì)算變形為 0.035mm，若制造時(shí)退刀槽尺寸超差增大，變形也將增大。變形試驗(yàn)已驗(yàn)證 96 kN 時(shí)，本批次軸承內(nèi)圈擋邊變形可達(dá)0.05mm。

由此可見，當(dāng)內(nèi)圈組件安裝軸向加載 96 kN夾緊力時(shí)，擋邊變形消除滾子軸向間隙致使?jié)L子卡死。因此，退刀槽尺寸設(shè)計(jì)不合理及制造精度超差是造成軸承內(nèi)圈夾緊后滾子卡滯的主要原因。

5 改進(jìn)措施

通過(guò)建立模型、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)本型號(hào)軸承內(nèi)圈退刀槽尺寸設(shè)計(jì)不合理以及制造精度超差，造成在安裝軸承內(nèi)圈滾子組件時(shí)，當(dāng)軸承內(nèi)圈在軸向壓緊力為 96 kN 的作用下壓緊后，出現(xiàn)了滾子卡滯，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活的故障，對(duì)軸承內(nèi)圈退刀槽尺寸進(jìn)行改進(jìn)，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)前、后退刀槽尺寸如圖 8 所示。

圖8 內(nèi)圈退刀槽改進(jìn)圖

改進(jìn)前，退刀槽在擋邊和滾道方向的深度均為 0.5max，寬度分別為 0.8max 和 0.6max；改進(jìn)后，退刀槽在擋邊和滾道方向的深度均為0.3max，寬度均為 0.5max，同時(shí)增加了擋邊與內(nèi)圈外徑圓滑過(guò)渡的控制要求。

這種設(shè)計(jì)雖然增加了退刀槽車削加工及內(nèi)圈滾道和擋邊磨削加工的難度，但是從軸承的使用角度考慮，這是必須采取的措施。因?yàn)樗龃罅溯S承內(nèi)圈抵抗軸向載荷引起擋邊產(chǎn)生過(guò)大變形的能力，使?jié)L子與擋邊不至于卡滯，同時(shí)它減小了退刀槽在滾道方向的寬度，相當(dāng)于增加了內(nèi)圈滾道的有效長(zhǎng)度，使?jié)L子與滾道處于有效接觸，避免了滾子倒角邊緣與滾道因滾道有效長(zhǎng)度不足，或滾子受力承載不均而產(chǎn)生應(yīng)力集中，使軸承過(guò)早喪失壽命[4-5]。

通過(guò)對(duì)該軸承結(jié)構(gòu)退刀槽尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)再生產(chǎn)的軸承裝機(jī)后沒有出現(xiàn)滾子與滾道卡滯、運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活的問題。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該軸承進(jìn)行建立模型、仿真計(jì)算和內(nèi)圈擋邊試驗(yàn)分析，確定了軸承卡滯是由于軸承內(nèi)圈退刀槽較大，內(nèi)圈軸向剛性變?nèi)?，以及本批次滾子軸向間隙加嚴(yán)控制后間隙較小共同造成，以上諸因素導(dǎo)致內(nèi)圈軸向受力變形后卡住滾子。

對(duì)軸承退刀槽結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)加工工藝，生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制退刀槽加工尺寸精度以及滾子與內(nèi)圈擋邊的適當(dāng)間隙。采用改進(jìn)后的軸承內(nèi)圈退刀槽結(jié)構(gòu)，軸承再生產(chǎn)進(jìn)行裝機(jī)后運(yùn)轉(zhuǎn)良好，滿足了主機(jī)的使用要求。