軸承與軸材料熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的磨損問(wèn)題分析

孫東，趙燕，張靜靜，李正輝，林大鵬

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

軸承與軸之間以過(guò)盈配合為主，可有效防止內(nèi)圈與軸之間的相對(duì)滑動(dòng)，避免非正常的磨損。軸承與軸配合時(shí)需對(duì)載荷類型、載荷大小、零件結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行考慮，以確保軸承的正常使用。

普通工況下，軸承工作溫度不高于120 ℃，選取軸承時(shí)，材料熱膨脹系數(shù)的匹配性不會(huì)對(duì)使用性能產(chǎn)生影響，故往往予以忽略。而在航空主機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、增壓器等工作溫度較高(150 ℃以上)的主機(jī)上應(yīng)用時(shí)，軸承與軸材料熱膨脹系數(shù)的匹配性不可忽略，在考慮室溫配合關(guān)系的同時(shí)，也要對(duì)高溫尤其是工作溫度下的配合關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)，以確保配合的可靠性。

某型國(guó)產(chǎn)主機(jī)在軸承與軸配合選用過(guò)程中，參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及國(guó)外同類型主機(jī)(溫度、載荷、轉(zhuǎn)速等工況條件一致)的要求，設(shè)定過(guò)盈量為-0.019～-0.008 mm。國(guó)產(chǎn)主機(jī)采用軸材料熱膨脹系數(shù)小于軸承材料的設(shè)計(jì)，而國(guó)外主機(jī)采用了軸材料熱膨脹系數(shù)大于軸承材料的設(shè)計(jì)。因軸承與軸材料匹配性的差異，導(dǎo)致主機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)異常磨損故障。現(xiàn)對(duì)因熱膨脹系數(shù)匹配性差異而導(dǎo)致的配合使用問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 磨損情況

對(duì)到壽的主機(jī)主軸承進(jìn)行分解時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)徑面有明顯相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的周向磨損痕跡，每條周向磨損條紋呈均勻分布(圖1)；軸承內(nèi)圈端面也有明顯相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的周向磨損痕跡(圖2)；軸的磨損形貌(圖3)與軸承內(nèi)徑面相似，但其磨損程度輕于軸承內(nèi)徑面。

對(duì)磨損的軸承和軸進(jìn)行測(cè)量，并與使用前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

從表中可以看出，軸承的內(nèi)徑因磨損變大，而軸徑減小，配合關(guān)系從使用前的過(guò)盈配合變?yōu)殚g隙配合。

圖3 軸磨損形貌(6×)

表1 軸承和軸的尺寸變化情況

2 故障機(jī)理分析

根據(jù)故障形貌，從設(shè)計(jì)、制造、工況3個(gè)方面對(duì)可能導(dǎo)致故障的原因進(jìn)行分析，并建立了如圖4所示的故障樹。

圖4 故障樹

設(shè)計(jì)方面，軸承和軸結(jié)構(gòu)參數(shù)參照國(guó)外樣件進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖紙參數(shù)與測(cè)繪報(bào)告數(shù)值一致；初始配合關(guān)系符合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，但在工況條件下，因其熱膨脹系數(shù)匹配性發(fā)生改變，配合關(guān)系與樣機(jī)相比存在一定差異；材料選取時(shí)，對(duì)軸材料進(jìn)行了更換，材料綜合性能差異不大，能夠滿足主機(jī)工況要求。

制造方面，加工過(guò)程符合工藝路線及尺寸要求，無(wú)讓步放行；熱處理后軸承和軸的硬度、組織均符合要求；軸承和軸加工過(guò)程中均有針對(duì)殘余奧氏體控制的工藝步驟，且檢測(cè)結(jié)果顯示殘余奧氏體水平較低，對(duì)尺寸的影響小。

工況方面，經(jīng)對(duì)主機(jī)工作過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析認(rèn)為，主機(jī)工作穩(wěn)定，沒有發(fā)生超轉(zhuǎn)、超載情況，滑油溫度沒有異常波動(dòng)。

綜上，故障發(fā)生的原因可能與軸承和軸熱膨脹系數(shù)匹配性有關(guān)。

該軸承工作溫度為180 ℃，屬于高溫工況，溫度增加，材料會(huì)產(chǎn)生熱膨脹[1]，尺寸變化量為

u=ΓL(T-Ta),

(1)

式中：ΓL為熱膨脹系數(shù)。

設(shè)軸徑為DS；軸承內(nèi)徑為d；軸、軸承的熱膨脹系數(shù)分別為ΓS,ΓB;工作溫度為T；初始環(huán)境溫度為Ta;軸徑增加量為

us=ΓSDS(T-Ta)，

(2)

軸承內(nèi)徑增加量為

uB=ΓBd(T-Ta)，

(3)

則配合后直徑方向的凈過(guò)盈量為

Δu=uB-us=(ΓBd-ΓSDS)(T-Ta) 。

(4)

配合關(guān)系中，d與DS相同，可均用D表示，故(4)式可改為

Δu=(ΓB-ΓS)D(T-Ta)。

(5)

國(guó)產(chǎn)主機(jī)及國(guó)外主機(jī)軸承、軸材料牌號(hào)和熱膨脹系數(shù)見表2(熱膨脹系數(shù)為材料在200 ℃以下的數(shù)值，下同)。

表2 軸承、軸材料與過(guò)盈關(guān)系[2]

國(guó)產(chǎn)主機(jī)軸承和軸的熱膨脹系數(shù)匹配關(guān)系與國(guó)外主機(jī)相比有較大差異。國(guó)外主機(jī)采用了軸熱膨脹系數(shù)大于軸承熱膨脹系數(shù)的設(shè)計(jì)，因此，同等溫度升高情況下，軸的尺寸增加量大于軸承尺寸增加量，故隨工作溫度的升高，軸承和軸過(guò)盈量將呈增加趨勢(shì)，溫度升高越多，過(guò)盈量越大；國(guó)產(chǎn)主機(jī)采用了軸熱膨脹系數(shù)小于軸承熱膨脹系數(shù)的設(shè)計(jì)，相同溫升情況下，軸的尺寸增加量小于軸承尺寸增加量，軸承和軸過(guò)盈量將呈減小趨勢(shì)，在特定溫度下軸承和軸配合關(guān)系將由過(guò)盈配合變?yōu)殚g隙配合。

對(duì)120，150，180 ℃時(shí)的配合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，具體變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖可知,過(guò)盈量變化趨勢(shì)與上述分析一致。

圖5 過(guò)盈量隨溫度變化趨勢(shì)圖

對(duì)已安裝的國(guó)產(chǎn)軸承和軸組件進(jìn)行溫升試驗(yàn)，以驗(yàn)證上述理論計(jì)算結(jié)果。初始過(guò)盈量為0.017 mm，升溫至105 ℃并恒溫2 h軸承未發(fā)生松動(dòng)，升溫至200 ℃時(shí)軸承發(fā)生松動(dòng)。這也證明了溫度升高時(shí)，由于膨脹量的不同，導(dǎo)致軸承與軸之間的初始過(guò)盈量被軸承和軸膨脹產(chǎn)生的間隙消除，使配合關(guān)系從過(guò)盈變成了間隙。

3 改進(jìn)措施

為增強(qiáng)主機(jī)軸承與軸配合的可靠性能，減小熱膨脹系數(shù)對(duì)配合關(guān)系的影響，結(jié)合主機(jī)延壽500 h的使用要求，提出了以下改進(jìn)措施：

1)將配合過(guò)盈量按照上限進(jìn)行選配；

2)對(duì)故障部位的軸承材料進(jìn)行更換，軸承材料選用與軸熱膨脹系數(shù)相近且壽命修正系數(shù)高的Cr4Mo4V材料,其熱膨脹系數(shù)為11.2×10-6mm·mm-1·℃-1,壽命修正系數(shù)可達(dá)到12[3]。

經(jīng)試用表明，國(guó)產(chǎn)改進(jìn)型主機(jī)因軸承和軸熱膨脹系數(shù)相同，過(guò)盈量不會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，該位置沒有出現(xiàn)軸承和軸頸異常磨損情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析表明，故障原因是在高溫工況下，軸承與軸材料熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致二者的過(guò)盈量減小并出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，最終形成異常磨損。為此，在保證主機(jī)整體工況參數(shù)不變的情況下，結(jié)合主機(jī)延壽要求，將軸承材料更換為熱膨脹系數(shù)匹配性更好、壽命修正系數(shù)更高的Cr4Mo4V材料。改進(jìn)后的軸承已隨多臺(tái)主機(jī)完成全壽命周期使用，分解復(fù)檢，軸承和軸均沒有出現(xiàn)異常磨損形貌。