基于Romax的雙內圈雙列角接觸球軸承故障分析及設計改進

張磊，畢明龍，周麗麗

(中國航發哈爾濱軸承有限公司 研發中心，哈爾濱 150025)

隨著航空發動機的發展，雙內圈雙列角接觸球軸承的應用越來越廣泛，其可以節省安裝空間,且能承受徑向和軸向載荷的聯合作用，抗彎矩能力強。在試驗過程中發現某航空發動機雙內圈雙列角接觸球軸承發生故障，對故障原因進行分析并提出改進措施，以提高軸承的可靠性。

1 故障特征分析

1.1 運行工況

軸承外圈通過螺栓固定在前機匣上，內圈通過過盈配合安裝在從動錐齒輪軸上，受力通過齒輪傳遞，受力點在軸承一側，軸承還承受彎矩載荷。軸承轉速為39 800 r/min，工作溫度為100～150 ℃，有啟動和工作2種狀態。每個工作循環前30 s為啟動狀態，其余時間為工作狀態,啟動狀態軸承承載較大，受力方向與工作狀態相反。

1.2 故障特征

對某型發動機進行試驗746 h后,發動機發生磁堵報警，拆卸后發現有近30片金屬屑，通過檢測發現金屬屑材料為8Cr4Mo4V，與軸承內圈材料一致。拆機發現No.7支點軸承旋轉靈活性差，存在卡滯現象，軸承整體形貌如圖1所示，拆套后發現該軸承靠近外圈安裝邊一側內圈溝道發生剝落(圖2)。

圖2 內溝道剝落形貌

故障軸承外觀完整，無高溫變色。靠近外圈安裝邊一側內圈剝落區約占整個圓周的1/4，形貌為鱗片狀剝落，軸向呈滿溝狀態，擋邊未見擠壓翻卷痕跡。另一列內圈溝道未剝落區溝道和擋邊均未出現明顯損傷痕跡。

用掃描電子顯微鏡觀察內圈溝道剝落區域，其微觀形貌如圖3所示。在低倍顯微鏡下剝落區呈弧形的波紋形態，并沿周向擴展。在高倍顯微鏡下為間斷型剝落和輾壓混合形貌特征。剝落位置軸向兩側呈破碎狀態，在高倍顯微鏡下可見細密的疲勞條帶特征。此外，剝落區周向兩側還可看到即將剝落、呈裂紋式的碎片。

圖3 內圈剝落區表面微觀形貌

經失效分析，軸承內圈溝道剝落的失效模式為接觸疲勞剝落。從故障軸承內圈磨損痕跡可以看出，由于軸承結構參數設計不合理，軸承靠近安裝邊一側載荷較大，導致內圈溝道剝落。

2 故障原因分析

從動錐齒輪嚙合位置如圖4所示，故障軸承主要承受錐齒輪的徑向力、軸向力和周向力，還承受聯合載荷對軸承的彎矩載荷[1]。

圖4 從動錐齒輪嚙合位置

每列軸承的受力情況見表1，在啟動和工作狀態下，靠近外圈安裝邊側軸承受載均大于遠離安裝側軸承。

表1 改進前軸承的受力情況

雙列角接觸球軸承在預緊情況下，當錐齒輪軸受到軸向力作用時，載荷首先作用于靠近安裝邊側軸承內圈，通過鋼球傳遞到外圈，再通過外圈和另一列鋼球傳遞到另一列軸承內圈。2列軸承同時承載的關鍵因素是：在工作時剩余一定的徑向游隙，消除軸向游隙；軸向游隙為適宜的負游隙，從而形成軸向預緊。若軸承在工作中不能完全消除軸向游隙，2列軸承不能形成有效預緊，遠離安裝邊側軸承會出現卸載，靠近安裝邊側軸承所承受的載荷會變大，從而產生疲勞剝落。

3 改進措施

3.1 增大徑向游隙

軸承安裝在軸承座上，由于過盈配合，內圈膨脹，外圈收縮，徑向游隙減小，形成安裝游隙。在工作狀態下，內圈溫度高于外圈，內圈膨脹使徑向游隙減小，當內圈轉速較高時，內圈因離心力作用膨脹也會使徑向游隙減小，形成工作游隙。

改進前軸承初始徑向游隙為0.012～0.016 μm，通過計算，工作時徑向游隙幾乎為0，改進前軸承配套徑向游隙偏小，經計算分析，將徑向游隙增大到0.031～0.035 μm，可避免軸承在工作過程中因徑向游隙過小增加摩擦熱，造成溫度升高，軸承早期失效。

3.2 減小軸向游隙

軸向游隙是雙內圈雙列角接觸球軸承的一個重要參數，會影響2列軸承的載荷分布及軸承壽命。軸向游隙過大時無法形成有效預緊，導致單列軸承承載；軸向游隙過小會使預緊力過大，工作時所受載荷增加。適當的軸向游隙能確保軸承在工作過程中形成合適的軸向預緊力，將軸承的軸向游隙值由27～33 μm調整為8～12 μm。

3.3 增大接觸角

徑向游隙變化，接觸角也相應變化。因軸承轉速較高，為減少鋼球旋滾比，將接觸角由12°～18°調整為23°～28°，增大接觸角，會提高軸承軸向承載能力及抗彎矩能力。

3.4 減小鋼球直徑，增加鋼球數量

在滿足承載能力的要求下，鋼球直徑由5 mm減小到4.763 mm，鋼球個數由12增加到15，有利于提高軸承的高速性能。

對改進后的2列軸承進行分析，與改進前相比，軸承載荷分布有較大改善，工作狀態下靠近安裝邊側受力降低，因2列軸承支點位置不同，受力不可能均勻分配，改進后2列軸承受力情況見表2。

表2 改進后軸承的受力情況

4 仿真分析

基于Romax擬動力學軟件模擬軸承工況條件，分別對改進前后的軸承壽命、套圈接觸應力、鋼球所受最大載荷進行分析[2]，分析結果如圖5、圖6所示,改進前后的壽命見表3。

表3 改進前、后壽命對比

由圖5、圖6可知：

圖5 改進前分析結果

圖6 改進后分析結果

1)改進后軸承鋼球受載均勻，且全部承載。

2)改進后承載鋼球個數多，在相同載荷條件下，套圈與鋼球接觸應力減小，壽命提高。

改進后軸承接觸應力、計算壽命均優于改進前，改進設計后軸承滿足應用要求。

5 結束語

通過對某型發動機用雙列角接觸球軸承故障原因進行分析，得出軸承結構參數設計不合理,造成軸承靠近安裝邊一側承受的局部載荷偏大，導致內圈滾道剝落。基于Romax動力學軟件分析，提出增大徑向游隙、減小軸向游隙、增大接觸角、減小鋼球直徑、增加鋼球數量的改進措施，改進后的軸承進行1 000 h裝車試驗，試驗后的軸承內、外溝道正常，兩內圈溝道存在較均勻的接觸痕跡，無異常磨損現象,滿足了使用要求。