發動機風扇軸承損壞故障分析

韓傳文 趙宏國

（道依茨一汽（大連）柴油機有限公司大連116600）

發動機風扇軸承損壞故障分析

韓傳文 趙宏國

（道依茨一汽（大連）柴油機有限公司大連116600）

BFM 1013柴油發動機在匹配某品牌挖掘機初期，發生發動機風扇軸承損壞，導致風扇脫落，將水箱損壞的故障。為解決該問題，對風扇支架進行拆解分析、對風扇軸承的受力進行計算分析，最終確定故障原因：由于選配的深溝球軸承的承載能力不足，無法滿足挖掘機的特定使用條件，導致風扇軸承損壞。通過更改設計，采用雙列角接觸球軸承，提高軸承的承載能力，有效避免了此類故障發生。

風扇支架 軸承 故障 承載能力

1 前言

工作過程中，柴油機需要散熱，以保持其在一定的工作溫度范圍內正常運轉，其中風扇起著必不可少的作用。為了保證風扇高速、平穩運轉，風扇軸承的功能必須可靠。

在匹配某品牌挖掘機初期，BFM1013柴油機發生多起風扇軸承損壞，風扇脫落，導致水箱損壞，直接損失金額較大，間接誤工損失嚴重，用戶抱怨強烈；且因整機設備布置空間限制，維修困難，需要從源頭上徹底解決。

2 失效分析

2.1 風扇支架結構

BFM1013柴油發動機風扇支架結構總成如圖1所示。風扇支架固定在發動機水泵支架上，風扇通過皮帶傳動與發動機一起轉動。

圖1 BFM 1013柴油發動機風扇支架總成

2.2 失效件拆解分析

通過對失效的風扇支架拆解觀察，發現軸承鋼球支架已經嚴重損壞；進一步拆解，觀察到失效的風扇軸承狀態如下：

—中間體有明顯鋼球壓痕，為鋼球竄出后產生；

—鋼球槽表面有大量的黑色雜質，質感脆硬；

—鋼球槽有明顯磨損痕跡（清理后）；

—鋼球接觸面已磨損、變形。

失效的風扇軸承見圖2。

圖2 失效的風扇軸承

上述現象產生的原因是高溫。而軸承產生高溫的可能因素主要是：

—散熱和潤滑不良；

—異常磨損。

針對上述可能的因素進行逐項排查。

2.2.1 散熱和潤滑不良

該發動機采用的軸承，設計有散熱出氣孔。觀察失效樣件，此孔沒有堵塞現象。該軸承為自潤滑結構，采用油脂潤滑。拆解鋼球槽，發現其上的黑色脆硬雜質來源于潤滑脂高溫殘留物質。發動機已運行1 000 h以上，可以確認出廠時已填充潤滑脂。說明軸承失效并非由散熱和潤滑不良因素造成。

2.2.2 異常磨損

導致軸承異常磨損的可能因素主要有：—軸承中有異物；—軸承承載力不足。

該軸承設計有防塵蓋，且為雙面密封。觀察失效件，除有高溫導致潤滑脂殘留物質外，無其他異物，因而可以判斷軸承中沒有異物。軸承承載力分析見2.3節“風扇軸承受力分析”。

2.3 風扇軸承受力分析

采用AVL公司的EXCITE-TD軟件，對BFM1013發動機的風扇輪系進行受力分析。建立風扇輪系計算模型，見圖3。

模擬風扇輪系時，采用的主要參數見表1。

模擬計算中，曲軸帶輪轉速恒定為2 300 r/min。考慮曲軸在實際工作中會發生輕微轉速波動，在2 300 r/min的基礎上加入了一個頻率為720°曲軸轉角、振幅約為100 r/min的轉速波動。曲軸帶輪轉速如圖4所示。

模擬計算中，由于主動輪曲軸帶輪的轉速是在2 200～2 400 r/min范圍內變化，所以皮帶所受拉力有較大幅度的波動。模擬分析表明，在發動機運行過程中，雖然曲軸帶輪轉速在一定范圍內波動，風扇輪系仍能保持基本平穩運行。風扇帶輪兩側皮帶所受的拉力分別為1 459N和257 N；根據矢量求和，風扇軸承所受載荷為1 575.78N。風扇帶輪兩側皮帶受力情況見圖5。

圖3 風扇輪系計算模型

表1 風扇輪系主要參數

圖4 曲軸帶輪轉速

2.4 軸承承載能力計算

BFM1013發動機的設計壽命為8 000 h。計算軸承當量動載荷公式如下：

F=XFx+YFy[1]（1）

式中：

F——當量動載荷，N；

圖5 風扇帶輪兩側皮帶受力

Fx——軸承所受的徑向載荷，N；Fy——軸承所受的軸向載荷，N；

X——徑向動載荷因數；

Y——軸向動載荷因數。

當 Fy/Fx≤e時，X=1，Y=0，說明軸向力 Fy小，其對當量動載荷F影響可忽略不計；當Fy/Fx＞e時，說明軸向力Fy較大，必須考慮其影響。e為軸向載荷影響因數，根據規定，這里取0.38[2]。

根據2.3節風扇軸承受力分析，風扇軸承所受載荷Fx為1 575.78N。發動機在運轉過程中，還需考慮風扇阻力在風扇軸承上產生的軸向力。根據計算，工程機械發動機2 300 r/min時，風扇軸承承受的軸向力約為260N。

則 X=1，Y=0；

軸承當量動載荷為：F=Fx=1 575.78N。

按下列公式，計算軸承的額定動載荷：

式中：

FC——額定動載荷，N；

fF——載荷性質因素；

ft——溫度因數

n——轉速，r/min；

Lh——基本額定壽命，s；

ε——軸承壽命指數，對于球軸承ε=3。

載荷性質與載荷性質因素fF關系及溫度與溫度因數ft關系見表2和表3。取fF=1.1；ft=1；n為2 300 r/min；Lh為8 000 h；由公式（3）得風扇軸承額定動載荷FC為17 915N。

查詢軸承手冊得知，所采用的風扇軸承，其額定動載荷承載力為14 000N，無法滿足該發動機實際工作過程中所承受的載荷。

工程機械設備實際工作條件及設備運行中的行進速度等因素，決定了工程機械設備發動機比車用發動機需要更多的散熱，故需要大風力的風扇。大風力風扇所產生的風阻也大，大的風阻在風扇軸承上所產生的軸向力大；此外發動機的高轉運行使軸向力急劇增加，因而進一步加大軸承的軸向受力。

表2 載荷性質與載荷性質因素fF關系

表3 溫度與溫度因數ft關系

計算同直徑（600mm）風扇，在工程機械和車輛2種用途下，在同功率（191 kW）、不同轉速工況下，風扇軸承所受的軸向力，并進行對比。對比結果見表4發動機風扇軸承軸向力。

表4 發動機風扇軸承軸向力

相同轉速下，工程機械用途的風扇軸承所受的軸向力要明顯高于車輛用途的風扇軸承所受的軸向力。

2.5 根本原因確定

風扇軸承拆解分析和風扇軸承受力模擬計算分析表明，BFM1013柴油發動機風扇軸承的承載能力不足是導致軸承損壞、異常磨損的根本原因。

此外，采用的6305-2RS軸承和6205-2RS軸承都是深溝球軸承，主要承受徑向載荷，雖然能夠承受少量的雙向軸向載荷，但承受沖擊載荷能力差，適合車用發動機高速運轉場合[4]，但在挖掘機類設備持續不間斷的變工況工作環境下，其抗沖擊載荷能力差的弱點就暴露出來，這也加速了風扇軸承的受損程度。

2.6 改進措施

為了提高風扇軸承的徑向和軸向的承載能力，選用角接觸球軸承。角接觸球軸承可同時承受徑向負荷和軸向負荷，使得承載能力和抗軸向載荷能力得到大幅提升，滿足工程機械特殊使用工況對風扇軸承承載能力的要求。通過對比分析，最終選用雙列角接觸球軸承，并重新設計風扇支架。更改前后的風扇軸承見圖6。

圖6 更改前后的風扇軸承

3 結論

通過對失效軸承的拆解分析、軸承的受力分析和承載能力的計算，確定造成軸承損壞故障原因，分析結論如下：

（1）所選的深溝球軸承承載力不足，無法滿足匹配挖掘機特殊使用要求。

（2）采用角接觸球軸承可以滿足風扇軸承的承載能力，同時可以承受挖掘機設備持續變工況的軸向沖擊力，提高軸承軸向承載力。

（3）改進軸承結構后，至目前此發動機已大批量投入市場使用，未再發生此類故障，從源頭上徹底解決了軸承損壞問題。

[1]毛友新.機械設計基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2004：346-360.

[2]黃曉榮，沈冰，張汝琦.機械設計基礎[M].北京：中國電力出版社，2005：210-214.

[3]才家剛，王勇.滾動軸承使用常識[M].北京：機械工業出版社，2011：89-93.

[4]陳龍，頡潭成，夏新濤.滾動軸承應用技術[M].北京：機械工業出版社，2010：126-139.

Faultanalysis for Engine Fan Bearing

Han Chuanwen，Zhao Hongguo
（DEUTZ(DALIAN)ENGINECO.,LTD.,Dalian 116600)

During the initial stage ofmatching BFM1013 diesel engine to a certain brand excavator,there occurred the cooling fan bearing failure,which led to the fan falling offand the damage to the cooling tank.In order to solve thisproblem,the failure partwas disassembled and the analysisofbearing stresswas made.The analysis shows that the load carrying capacity of the original deep groove ball bearing is not sufficientand can'tsatisfy the specialservice conditionsof the excavator,resulting in thebroken fan bearing.By modifying design and selecting a double row angular contact ball bearing,the bearing capacity is enhanced and theproblem issolved.

fan bracket,bearing,broken,load carrying capacity

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.005

來稿日期：2017-06-14

韓傳文（1984-），男，工程師，主要研究方向為非道路柴油發動機質量問題的分析與改進。