某型直流發電機密封軸承故障分析及結構改進設計

溫麗超， 劉英華， 張振宇

某型直流發電機密封軸承故障分析及結構改進設計

溫麗超1， 劉英華2， 張振宇1

（1.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱 150025；2.中航工業哈爾濱軸承有限公司 質量保證部，黑龍江 哈爾濱 150025）

近年來，某型直流發電機密封軸承在外場使用中多次發生故障，造成系統不發電。根據存在的問題，對軸承結構進行了改進。改進后的軸承經過多次考核，運轉正常，未出現故障，滿足了直流發電機的使用要求。

直流發電機；密封軸承；故障分析；結構改進設計

1 前言

近年來，某型直流發電機密封軸承在外場使用中多次發生故障。根據掌握的故障信息統計來看，從1999年研制至2010年3月，該軸承累計共發生故障13起，主要表現為軸承抱軸損壞、卡滯、轉動不靈活、保持架損壞等現象，造成系統不發電。這些故障直接影響了直流發電機的正常交付，也給設備的使用安全帶來隱患。通過故障形貌分析故障原因，同時搜集了國內外的相關文獻資料及國外樣件的測繪分析的結果表明，應該從優化密封結構和設計參數等方面入手來提高密封軸承性能的可靠性，徹底解決了該密封軸承在使用過程中出現的故障問題。

2 密封軸承技術參數和結構

2.1密封軸承技術參數

軸承結構：兩面帶密封圈的深溝球軸承。

外形尺寸：φ25mm×φ52mm×18mm。

安裝方式：水平安裝，傳動端軸承的內圈軸向固定，外圈可軸向移動；非傳動端軸承的內圈、外圈軸向固定，無軸向移動。

工作載荷：徑向：63kg；軸向：70kg。

負荷性質：沖擊最大7.33g（g─重力加速度）。

工作溫度：-60～200℃，瞬時300℃。

旋轉方式：內圈旋轉。

轉 速：5 000～8 000 r/min。

2.2密封軸承結構

密封軸承結構見圖 1，采用的是接觸式密封結構（墊圈+橡膠密封圈+彈簧圈）的形式。套圈和鋼球材料為軸承鋼(GCr15)，套圈進行250℃高溫回火，保持架材料為鋁青銅(QAl10-3-1.5），額定壽命為1 254 h。

3 密封軸承故障原因分析

圖1 密封軸承結構簡圖

根據軸承出現的故障情況，從軸承質量、軸承使用、配合件精度和選配四方面進行事故排查，排查結果如下：

（1）軸承保持架采用鋁青銅材料，耐磨性較差，工作中易與套圈及鋼球間摩擦產生磨屑，磨屑進入軸承內部混合在潤滑脂中，造成潤滑脂的污染，影響潤滑效果，同時增大軸承工作表面的摩擦磨損，對軸承使用影響較大，易加速軸承失效。

（2）該軸承采用的密封結構為彈簧圈夾密封圈的結構，密封唇貼在內圈的牙口上，由于外圈牙口與內圈的牙口產生的錯位可能會影響到密封唇對內圈牙口的密合緊度，如緊度過小，會影響油脂的溢出，造成軸承潤滑不良，產生軸承卡澀；同時，密封槽的粗糙度低會增加與密封圈的摩擦 ，摩擦力增加會影響密封圈的工作性能，會產生密封失效等效果。

（3）大多數故障中，保持架均存在外引導面磨損的現象，軸承內部附有金屬銅屑，鋼球表面在運轉過程中產生壓痕和壓坑。經分析，保持架有效引導面寬度較窄，在使用過程中，易產生旋轉不穩定，造成保持架擋邊與套圈外內徑異常磨損。

（4）有部分軸承使用時間超過了軸承壽命要求，未經驗證繼續使用，軸承的剩余油脂無法保證軸承的有效運轉。

（5）故障軸承存在旋轉不靈活現象，軸承各零件之間存在較大的摩擦力或者軸承存在變形、破壞等因素。

4 密封軸承結構改進

根據密封軸承的技術要求及以上故障原因分析軸承結構，對該軸承采取了以下改進措施。

（1）保持架材料由鋁青銅變為酚醛膠布管

酚醛膠布管保持架具有較高的耐磨損性能和自潤滑性能，有一定的彈性、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等，適用于高速油、脂潤滑。為了更好表現其力學性能，在保持架兩端面粘接鋁片進行強化，有效提高了軸承的自潤滑性和抗沖擊性，滿足軸承的技術參數。

（2）密封結構由L型改為U型

該軸承原采用L型密封結構（見圖 2），密封圈貼在內圈缺口處，靠密封圈與內圈的接觸來阻止潤滑脂流失。軸承在運轉過程中，密封圈可能受內部潤滑脂攪拌產生的壓力，使密封圈變形，潤滑脂流失，而U型結構的密封圈完全與內圈的牙口結合在一起，牙口限制密封圈的變形，能有效阻止潤滑脂的溢出（見圖 3）。

圖2 改進前密封示意圖（L型）

圖3 更改后密封示意圖（U型）

（3）提高保持架的有效引導寬度

為提高軸承保持架的有效引導寬度，將球徑由7.938mm更改為7.144mm，保持架有效引導寬度由2.1mm增大到2.9mm。為保證軸承承載能力，鋼球數量由9個調整到10個，并通過壽命計算，改進后軸承的額定壽命為1 646 h，仍遠遠大于壽命600 h的要求。

（4）精度等級由P6級提高到P5級

為提高軸承的可靠運轉，將軸承的精度等級由P6級提高到P5級，使軸承的配合、旋轉穩定性及潤滑等性能得到提高。P6級和P5級軸承的尺寸精度見表 1。

表1 P6級和P5級軸承的尺寸精度、旋轉精度值 /mm

通過表 2 可以看出，P5級軸承比P6級軸承的尺寸精度、旋轉精度及溝道粗糙度值高。

（5）為保證密封軸承的勻脂和漏脂要求，增加了產品的勻脂漏脂試驗要求，經試驗，勻脂和漏脂滿足該技術規范。

5 密封軸承結構試驗

為驗證改進后的軸承密封質量穩定性，選用8套合格的軸承進行1 800 h壽命試驗。經驗證，未發生故障，保證了產品的可靠性。

試驗結論為：試驗后，8套軸承均轉動靈活，無失效零件，外觀無變化，通過了1 800 h壽命試驗，試驗前后的檢測數據如表 2。

表2 8套軸承試驗前后的檢測結果/μm

6 結束語

根據外場存在的軸承故障問題，提出了針對性的解決措施，對軸承進行了改進，改進軸承完成了1800 h壽命試驗考核，在考核中運轉正常，未出現故障，滿足直流發電機的使用要求，并解決了前期軸承出現的故障問題。

（編輯：王立新）

Failure analysis of a sealed bearing of direct-current generator and structure improvement design

Wen Lichao1,Liu Yinghua2,Zhang Zhenyu1
(1. Bearing R&D Center,AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China;2. Department of Quality Assurance,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd, Harbin 150025,China)

In the recent years, a sealed bearing of direct-current generator broken down many times during operation, and it caused the system power off. According to these failure, the bearing structure was improved. After many examination, the improved bearing is well running,and no failure to satisfy using requirement.

direct-current generator;sealed bearing; failure analysis;structure improvement design

TH 133.33+1

A

1672-4852（2015）01-03-03

2014-12-31.

溫麗超（1986-），女， 工程師.