高频破碎器调心滚子轴承失效分析

蔡家斌，刘 文，丁成波，韦昌辉

（1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州弘沣众志工程机械有限公司，贵州 贵阳 550009）

1 引言

高频破碎器是一种由液压马达驱动偏心块从而产生偏心力的矿山机械设备，其多运用于矿山的岩石破碎、公路路面破碎重建以及混泥土构建的房子拆毁工况下[1]。轴承作为高频破碎器里面的关键部件，其寿命的长短直接影响高频破碎器的工作效率。某厂高频破碎器的液压马达的工作转速约为1200r/min，所用的轴承为调心滚子轴承，型号为22322CA，在使用了两个月左右之后，高频破碎器的调心滚子轴承发生失效，其轴承座孔出现了漏油现象，保持架出现了磨损、断裂现象，滚子发生了间断性凹坑，严重影响了该厂的经济效益和产品信誉。文章主要从轴承外观的粗视检查、微观变形测量以及有限元仿真验证等方面对轴承失效作分析，并提出相应的改进措施。

2 轴承失效分析

2.1 轴承的安装

调心滚子轴承的安装，如图1所示。轴的两端分别由一个调心滚子轴承支撑，由轴承座紧固，整个齿轮箱里面注满飞溅式润滑油，轴承座上开有小孔。当齿轮和与之相连的偏心块高速转动时，会搅动润滑油，使之飞溅进入轴承座小孔，最终润滑轴承。整个油腔是密闭的，排除了异物进入油腔最终导致轴承损坏失效的可能。

图1 轴承安装示意图Fig.1 Bearing Installation Diagram

2.2 轴承的粗视分析

调心滚子轴承的外圈轨道面与滚子相接触，外圈轨道面及放大图，如图2（a）所示。外圈轨道面呈现间断冲击伤痕，轨道面凹凸不平，且出现了咬粘变色。轴承滚子凸面，如图2（b）所示。出现了间断性凹坑，这是由于在高速冲击载荷下，滚子受力过大导致变形，且滚子两端面磨损变色严重，说明由于润滑不足出现咬粘现象。调心滚子轴承的保持架，如图2（c）所示。保持架完全断裂，兜孔磨损变形严重，兜孔倒角应力集中处也产生裂纹。这是由于轴承在滚子变形，受力不均的情况下，发生了偏载，加上液压马达的大扭矩作用，保持架不能承受力的作用而发生断裂失效。通过粗视分析，可以初步推断轴承的失效是由于大冲击载荷造成的。一是大冲击载荷造成了轴承的滚子、内外圈变形，加上轴向载荷，使其受力不均，发生偏载而导致保持架断裂。二是变形的滚子挤压油膜使其破裂，造成润滑不良，摩擦形成高温而使轴承发生咬粘。

图2 轴承外观粗视图Fig．2 Sketchy View of Bearing Appearance

2.3 轴承的微观变形测量

2.3.1 内外径检测

假设轴承的内外圈两侧分别为M侧和N侧，每侧分为四个点检测其变形后的实际直径与未变形前的直径偏差，其结果，如表1所示。从表1可以看出，调心滚子轴承的内外圈都已变形和超差，尤其轴承的内圈，N侧与规格值相比变形了2倍多，说明轴承在大冲击载荷下出现了变形。

表1 轴承内外径测量结果Tab.1 The Bearing Inner Diameter Measurement Results

2.3.2 母线测量

母线即为调心滚子轴承的外圈轨道面、内圈轨道面以及滚子的素线，测量其形状，可以了解到调心滚子轴承内部接触区域的变形情况。从图3（a）可以看出，外圈轨道面M侧磨损严重，深度约为40μm，N侧轨道面磨损较轻，深度约为10μm。从图3（b）可以看出，内圈轨道面M侧靠近中央位置磨损严重，深度约为30μm，N侧也是靠近中央位置磨损严重，深度约为20μm。由图3（c）可以看出，滚子靠近中央地区变形比较严重，且出现规律性凹坑，其中一个凹坑深度约为30μm。通过微观变形测量，可以判断出轴承所承受的冲击载荷过大，从而导致了内外圈和滚子不同程度的变形；同时，从内外圈、滚子的沟槽深度和母线形状可以推断出轴承在运转过程中由于润滑不良，致使各零部件之间产生了不同程度的摩擦磨损。

图3 轴承母线测量图Fig．3 Bearing Bus Measurement

2.4 轴承有限元分析

轴承的有限元分析是从数值分析的角度，剥离轴承失效的各种影响因素，单纯查看大冲击载荷对轴承变形的影响，从而将模拟得出的数值与实际测量的数值比较，来验证推论的正确性。调心滚子轴承的具体参数，如表2所示。

表2 调心滚子轴承相关参数Tab.2 Spherical Roller Bearings Related Parameters

2.4.1 建立有限元模型

由于调心滚子轴承的圆角和倒角等结构对接触应力分布的影响小，建模时可以将其忽略[2]；为了降低有限元分析时的收敛难度，此分析不考虑保持架的影响[3]。网格划分质量的好坏对计算结果的准确性是至关重要的。若网格质量好，可以将误差降低到最小[4]，采用自动网格化分，内外圈的网格尺寸为4mm，滚子的尺寸为2mm，其质量检查结果为：网格单元值0．88占主要比例，纵横比接近于1，雅克比率接近2。选取滚动体表面作为接触面，滚道面作为目标面[5]。根据轴承的实际工作情况，选择接触类型为摩擦非对称接触，摩擦系数为0．002，法相接触刚度因子取1，接触算法为增广拉格朗日算法[4]。调心滚子轴承实际工作中是外圈固定，内圈转动，因此对轴承外圈外圆面施加固定约束；为模拟滚动轴承在轴上的装配情况，分别约束外环与内环侧面所有节点轴向的平动自由度；为模拟保持架对滚珠的限制作用，在柱坐标系下约束每个滚子与内、外滚道接触点连线上所有节点的轴向与周向自由度[6]；与此同时，在轴承内径面上施加冲击载荷和旋转速度，为模拟重力作用，对轴承施加Z负方向的重力加速度。

2.4.2 有限元分析结果

有限元分析结果，如图4所示。从图可看出，轴承的最大变形量出现在轴承内圈，变形量为43.24μm，与测量的内圈偏差值48μm相比，误差为11%，由探针可以测量到受到最大接触力的滚子最大变形量为27.6μm，与测量的值30μm相差4.6μm，误差为8%，轴承的最大等效应力与等效变形均出现在滚子上，分别为695MPa和0.00362，因此可以看出，滚子是最容易出现塑性变形而失效的部件。通过有限元仿真，得到了轴承的内外圈、滚子的变形量以及接触应力，验证了前文提到的冲击载荷过大造成了轴承失效的推断，但有限元仿真和实际测量还存在产生误差，这是因为，有限元仿真只考虑单纯的受力变形，不考虑变形后各零部件之间的摩擦磨损的影响，与实际中由于润滑不良而产生轴承零部件磨损还是有区别的。

图4 有限元分析云图Fig.4 Finite Element Analysis Cloud Chart

2.5 轴承的失效分析

在高频破碎器运行之初，其工作是正常的，说明安装过程是正确的，没有对其产生影响[7]；在工作两个月左右就出现了保持架断裂、滚子变形等失效情况，这说明故障是在运行过程中产生并迅速加剧的。从轴承的安装、粗视分析、微观变形测量以及有限元仿真来看，调心滚子轴承的失效主要是由于冲击载荷过大导致滚子变形发生偏载以及油膜破裂摩擦形成高温等因素综合造成。一方面，高频破碎器由于处在重载、大冲击载荷等恶劣工况下，其内外圈、滚子等都出现了不同程度的塑性变形，再加上斜齿轮传递过来的轴向力作用，致使轴承轨道区域出现高应力，高表面摩擦切应力和大量的摩擦热量[8]。塑性变形以及热膨胀导致轴承的受力不均匀，致使轴承在1200r/min的高速运转下形成偏载，偏载不但造成各列滚子间的载荷分配不均，还会引起单列滚子歪斜及打滑，造成局部应力集中，使滚子及相应内、外滚道部分区域疲劳，同时，滚子将与保持架、内圈、外圈产生干涉[7]，在液压马达扭矩作用下，造成保持架断裂，轴承卡死。另一方面，冲击载荷下轴承内部油膜很容易破裂，油膜破裂情况下滚子和滚道之间挤压摩擦产生大量的摩擦热，润滑油无法带走更多的热量，致使滚子和内、外圈温度升高。轴承温升反过来破坏已形成的润滑油膜，会出现滚子与套圈的干擦产生的热量越来越多，内、外圈与滚子温度急剧升高，高温致使轴承材料的组织和强度发生变化，所以出现了内圈与外圈轨道的咬粘、蠕变等现象。

3 改进措施

通过对调心滚子轴承的失效分析，发现轴承主要是因为大冲击载荷而产生了失效，因此从提高轴承承载能力和加强轴承润滑两方面提出改进措施：一方面，提高当前破碎器轴承的润滑能力，增加油膜厚度是一种可行的办法。前文已提到过轴承的润滑是飞溅式润滑，由于轴承座孔太小，飞溅式进油时油量太小，无法适应高速高重载下油量的需求，因此在保证轴承座承载能力的范围内，改变轴承座孔的结构，将原来的四个开孔如图5（a）改为六个如图5（b），孔前增加三角形开口，用来收集更多的润滑油。另一方面，选取承载能力更强的大型号轴承，由于高频破碎器结构的限制，加上两齿轮轴相隔太近，不能无限制增大轴承尺寸，查轴承样本，可以选择22324CA轴承，其内径为120mm，外径为260 mm，宽度为86mm，但受载能力比22322CA提高了18%。

图5 轴承座改进图Fig.5 Bearing Pedestal Change Figure

4 结论

（1）通过对失效的调心滚子轴承外观作粗视分析，对内外圈变形量以及滚子母线精密测量，再和有限元仿真结果对比论证，最终确定轴承失效的主要原因是由于冲击载荷过大造成的。（2）针对失效原因，从承受大冲击载荷和增加油膜厚度两方面提出了相应的改善措施，一是增加轴承座进油孔数量，二是更换为22324CA调心滚子轴承。

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