兩器生產線升降機直線軸承破損的分析及預防措施

王鵬鵬

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

直線軸承是一種精確的引導元件，具有優秀的交換性和小巧的尺寸，裝配簡便，造價便宜，維護簡單等優勢。由于其高效的性能，直線軸承已被應用于熱交換器機械設備、紡紗設備、食品加工設備、鈑金注塑設備等工業生產設備中。在兩器生產線升降機的使用過程中，直線軸承出現了斷裂問題。因此，本文通過材料、金相、裝配及載荷等多方面的分析，肯定了失效機理，并給出了針對性的預防改進措施。

1 直線軸承的失效分析

1.1 破損情況觀察

軸承表面明顯破損，如圖1 所示，密封圈處積累了大量雜物，白色圈出部分大塊固體雜質，周邊潤滑油經紙巾擦拭發現其中含有大量金屬雜質，清理掉表面油污、雜質可以清楚看到密封圈有明顯破損的現象。

圖1 直線軸承破損情況

拆開軸承密封圈取出內部保持架，可以觀察到滾珠表面無明顯磨損、劃傷等現象，如圖2 所示。從圖中可以看到軌道內布滿大量白色金屬粉末，滾珠主要卡于軌道下方，所有斷裂口都集中在保持架滾珠軌道最薄弱位置，每個滾珠軌道邊緣都存在大小不一的塊狀固體。

圖2 保持架破損情況

經過乙醇沖洗后，我們使用掃描圖像對試樣截面展開了詳細觀察，如圖3 所示，可以清晰地看到內部有大量白色亮點，經過檢測，這種白色金屬材料的主要成分是AL 元素。

圖3 樣品斷面

1.2 斷口情況

從圖2 可以看到斷裂口主要集中在保持架滾珠軌道最薄弱處，斷裂口有明顯的塑性變形，裂紋從保持架表面向內延伸，斷面垂直于滾珠軸向（主正應力方向），斷裂模式為韌性斷裂。

1.3 材料成分測試

采用紅色光譜儀測試其材料成分，標準要求保持架材質為樹脂，實測保持架材質為PA(聚酰胺)，密封圈材質為丁晴橡膠，實測為丁晴橡膠，符合產品手冊材料要求，如圖4 中（a）、（b）、（c）所示。現場使用在導向軸上涂抹的潤滑油為噴霧黃油潤滑脂，經查閱相關資料該黃油本身對丁晴橡膠并無腐蝕及促進老化的作用。

圖4 紅色光譜儀器測試結果

1.4 直線軸承裝配及載荷情況

1.4.1 載荷情況

兩器生產線升降機用于在垂直方向移送負載（平臺與兩器），如圖5 所示，采用4 根導向軸，每根導向軸上等距離安裝兩個直線軸承，平臺與兩器的總質量為M=136 Kg，重力作用點位于工作臺的中心，工作臺每分鐘往復運動次數n=3，行程長度S=500 mm，簡化模型無貫性負載，環境溫度為100 ℃以下，設計額定壽命為10 000 h。

圖5 兩器生產線升降機

1）選擇軸承系列及安裝方式

根據圖5 所示的使用條件，選用標準型系列，帶法蘭盤直線軸承。

2）初選軸承公稱直徑

根據以往的經驗，初步選用公稱直徑為30 mm，查閱米思米產品手冊對應型號LHFC30，得額定靜載荷=2 740 N，額定動載荷C=1 570 N，滾珠列數為6 列。

3）工作載荷計算

由于機構采用對稱構造，重力作用點設在操作臺的中央，4 個直線軸承分別承受平均工作載荷，以確保機臺的穩定性和可靠性。

式中：

W—平臺與兩器總重量，N；

PC—平均工作載荷，N；

g—重力常數，9.8 N/kg。

4）靜安全系數校核

因為機構在運行時沒有慣性負載，所以直線軸承的最高承載力P 等于平均工作載荷。為了確保安裝質量，應按規定滾珠列數，在直線軸承最大工作載荷方向上予以組裝，以確保機構的正常運行。

查閱表1 的數據，得直線軸承最大承載能力方向上對應額定靜載荷、額定動載荷修正系數分別為1.28、1.09，因此實際承載能力為：實際額定靜載荷=2 740×1.28=3 507.2 N，實際額定動載荷C=1 570×1.09=1 711.3 N。

表1 直線軸承最大承載能力方向上承載能力修正系數

靜安全系數計算結果大于表2 所示靜安全系數的最小值（1 ～3），符合要求。

表2 靜安全系數的最小值

5）額定壽命計算及校核

根據特定的使用要求，我們確定了以下參數：

計算用行走距離表示的額定壽命為：

計算用工作時間表示的額定壽命為:

所選型號壽命滿足要求。

式中：

L—用行走距離表示的額定壽命，km；

Lh—用工作時間表示的額定壽命，h；

fH—軸承最低硬度為HRC60，取硬度系數fH=1；

fT—環境溫度為100 ℃以下，取硬度系數fT=1；

fC—單根導向軸上安裝的軸承數目為2 個，根據表3，取接觸系數fC=0.81；

表3 接觸系數的選取范圍

fW—平臺運動時無沖擊振動情況，根據表4，取載荷系數fW=1；

表4 載荷系數?W 的選取范圍

S—行程長度，mm；

n—每分鐘往復運動次數。

1.4.2 直線軸承與導向軸的配合

由于直線軸承的內徑dr不能調整改變，所以直線軸承與導向軸的配合是固定的，通常為間隙配合。本文章中直線軸承的內徑制造公差產品手冊為dr=φ300-0.01mm，如圖6 所示。導向軸采用間隙配合（按g6 精度制造），在較高精度的情況下采用過渡配合（按h6 精度制造），本文章中直線軸承與導向軸間隙配合，理論配合最大間隙值為：0.02 mm，最小間隙值為：-0.003 mm，而設計圖紙要求導向軸軸徑尺寸為Φ30±0.2 mm（GB/T1804-2000 m 級公差），現場實測幾根導向軸軸徑為30.20 mm、30.18 mm、30.20 mm、30.16 mm 均走上偏差，現場測試軸承密封圈處內徑為29.75 mm，導向軸與密封圈的最大配合過盈量為0.45 mm，已超出直線軸承產品手冊給定的標準配合值。

圖6 產品手冊尺寸表

1.5 軸承使用情況

該直線軸承主要與導向軸相配合靠鏈條傳動使升降機上下運動，該直線軸承并無任何防塵裝置，從圖2 中可以清楚看到大量粉塵、雜質聚集在直線軸承密封圈處，而該密封圈材質為丁晴橡膠，經與導向軸長期的過盈拉扯加上現場環境惡劣，導致密封圈破損。說明密封圈已不能有效阻止粘貼在導向桿上的粉塵及鋁屑，隨著兩器生產線升降機的運作進入軸承內部。

2 總結

綜上所述本次直線軸承損壞（密封圈破損、保持架斷裂破損等），主要原因為導向軸設計公差選用不當，密封圈與導向軸經長期過盈加上現場環境惡劣粉塵、雜質過多，導致密封圈破損密封失效，使外部雜質進入軸承內部，隨著運轉過程堆積在保持架滾珠軌道位置，使滾珠運行不順暢，直線軸承與導向軸的摩擦力驟大，進而引發保持架韌性也出現破損斷裂問題。

整改措施在設計軸承導向裝置時選用合適的公差等級，結合現場使用環境增加防塵裝置。