某型電動(dòng)機(jī)軸承跑外圈原因分析及抑制措施

某型電動(dòng)機(jī)軸承跑外圈原因分析及抑制措施中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412000）摘要：針對某型電動(dòng)機(jī)用免維護(hù)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)跑外圈現(xiàn)象，對滾動(dòng)軸承跑外圈的成因分析，明確了滾動(dòng)軸承跑外圈與浮動(dòng)端軸承外圈和軸承室配合公差設(shè)計(jì)有關(guān)，通過加抗蠕動(dòng)劑、O型圈和修改配合公差三種方案的對比試驗(yàn)，驗(yàn)證改配合是更為有效的抑制措施。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；免維護(hù)軸承；軸承跑圈；公差配合CauseanalysisandcontrolmeasuresofamotorbearingrunningoutsideringChaozhi-Li

NieHe（CRRCZhuzhouElectricCo.,Ltd，Zhuzhou412000，China）Abstract:Aimingatthephenomenonofmaintenance-freerollingbearingrunningouterringinacertaintypeofmotor,throughtheanalysisofthecauseofrunningouterringofrollingbearing,itisclearthattherunningouterringofrollingbearingisrelatedtothedesignoffittingtolerancebetweenfloatingendbearingouterringandbearingchamber,andthecorrespondingeffectivecontrolmeasuresareputforward.Keywords:Motor;Maintenance-freebearing;Bearingrunningring;Tolerancematching引言目前在普通工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，大多數(shù)小型電機(jī)采用一端軸承固定，一端軸承浮動(dòng)加波墊預(yù)緊的免維護(hù)滾動(dòng)軸承布置方式，本文中的某型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承配置也為這種方式，端蓋為帶鋼套的鋁合金材質(zhì)，兩端為同型號的免維護(hù)深溝球軸承，固定端軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸以過盈配合進(jìn)行徑向和周向定位、軸肩以及軸用彈性擋圈軸向定位，外圈以軸承壓板以及端蓋臺階軸向定位，浮動(dòng)端軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸以過盈配合進(jìn)行徑向和周向定位、軸肩及軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位，外圈浮動(dòng)，通過波形彈墊施加一定的預(yù)緊力，如圖1所示。圖1電機(jī)軸承布置方式該電機(jī)軸承的特性是在高溫、低溫等環(huán)境下能持久高速運(yùn)行，且存在急變速、頻繁啟停等工況，軸承性能可靠性影響因素諸多且復(fù)雜。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)若存在滾動(dòng)軸承跑外圈的現(xiàn)象，一方面由于軸承跑圈會(huì)把大量能量轉(zhuǎn)化成了無用的熱能和噪聲，降低了運(yùn)行效率，另一方面則會(huì)加劇配合部件的磨損，降低了機(jī)器精度，嚴(yán)重則會(huì)損壞設(shè)備。拆解電機(jī)發(fā)現(xiàn)，固定端軸承的配合公差為H7，外圈外徑面和軸承室表面良好，未見軸承外圈與軸承室的異常。而浮動(dòng)端軸承的配合公差為G7，外圈的外徑面上有明顯的銹蝕現(xiàn)象，用于給外圈施加預(yù)緊力的波形彈墊與外圈接觸面有明顯的相對磨痕，軸承室有明顯的銹蝕痕跡，如下圖2-圖3所示，可見該電機(jī)的浮動(dòng)端軸承出現(xiàn)明顯的跑外圈現(xiàn)象。

圖2軸承外圈外徑面銹蝕

圖3波形彈墊明顯磨痕1.滾動(dòng)軸承跑外圈原因分析在接觸表面作微小往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，傳遞載荷的配合面會(huì)發(fā)生微動(dòng)腐蝕，表面微凸體出現(xiàn)氧化并被磨去，最后發(fā)展成粉狀銹蝕（如氧化鐵），軸承表面發(fā)亮或者變成黑紅色，這種失效現(xiàn)象一般是由于不合適的配合（配合不當(dāng)或表面太粗糙）以及載荷和（或）振動(dòng)造成的。微動(dòng)腐蝕初期宏觀上的表象是配合面呈現(xiàn)類似生銹的形貌。隨著材質(zhì)的遷移，配合面的配合進(jìn)一步被破壞，微動(dòng)腐蝕加劇則可能出現(xiàn)配合面大幅度的相對移動(dòng)，就是我們俗稱的“跑圈”現(xiàn)象。軸承跑圈是軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對滑動(dòng)（即軸承跑內(nèi)圈）或軸承外圈與軸承座產(chǎn)生相對滑動(dòng)（即軸承跑外圈），是軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中常見的一種軸承故障現(xiàn)象。軸承與軸的相互擠壓力產(chǎn)生靜摩擦，靜摩擦力大于使他們相對滑動(dòng)的扭力，所以軸承與軸、孔能保持相對靜止，靠滾動(dòng)體與內(nèi)圈（或外圈之間）的旋轉(zhuǎn)傳遞機(jī)械能。避免配合面產(chǎn)生摩擦-磨損的合理辦法是正確選擇軸承外圈的配合[1]。配合公差的選取原則：根據(jù)使用功能，滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈相應(yīng)地在軸和軸承座上進(jìn)行軸向、徑向和周向定位。軸承套圈和配合件之間不得有相對微動(dòng)，否則會(huì)損傷配合表面。配合的松緊，應(yīng)考慮即使在承受載荷、在運(yùn)行中內(nèi)圈與軸存在溫差或者外圈與軸承座存在溫差的情況下，也能保證過盈量。承受靜止載荷套圈，由于與軸或軸承座之間不存在打滑的條件，故而，采用間隙配合或者過渡配合。其程度以運(yùn)行條件要求的精度及套圈發(fā)生變形后，不造成載荷分布范圍過小而定。1）軸承配置固定端軸承在軸的一端作徑向支承，同時(shí)用于另個(gè)方向的軸向定位。因此固定端軸承必須同時(shí)固定在軸和軸承座上。徑向及周向通常靠配合力實(shí)現(xiàn)，即軸承套圈采用過盈配合。一般采用結(jié)構(gòu)鎖緊件進(jìn)行軸向定位；浮動(dòng)端軸承僅用于徑向支承，因需要具備軸向移動(dòng)的功能，避免軸承之間產(chǎn)生相互的作用力，因此軸承套圈與其相連接的部件可軸向位移。2）載荷軸承的配合主要和軸承承受的載荷性質(zhì)有關(guān)，承受旋轉(zhuǎn)載荷的套圈，為了避免配合面產(chǎn)生剝落及磨損，原則上要采用過盈配合。如果采用間隙配合，套圈就會(huì)在軸或軸承座的配合面發(fā)生打滑，在載荷較大時(shí)，就會(huì)損傷配合面或造成微動(dòng)磨損。3）端蓋材質(zhì)與工作溫度為了減輕實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量化重量并便于及批量生產(chǎn)，滾動(dòng)軸承專用的軸承座常采用非鐵材料如鋁基輕合金或塑料等（聚縮醛樹脂）。在軸承座采用非鐵材料時(shí)，因其軸承座與軸承（外圈）的線膨脹系數(shù)不同，故而，因此當(dāng)軸承在運(yùn)行中溫度升高時(shí)，外圈與軸承室配合面的間隙或過盈量將與常溫狀態(tài)下不同。如果有不同于鑄鐵或鋼的材料用于相鄰結(jié)構(gòu)，則必須考慮該材料的彈性模量和不同的熱膨脹系數(shù)，以便能得到足夠的緊配合。電機(jī)采用的是嵌鋼套的鋁合金端蓋，測量端蓋軸承室徑向和軸向熱膨脹量。表1端蓋徑向尺寸公差隨溫度變化情況溫度實(shí)測值1實(shí)測值2實(shí)測值3實(shí)測值4平均值-40℃-55-65-60-60-60-20℃-25-30-25-25-26.250℃0-50-5-3.7520℃2025303026.2540℃4540404542.560℃5565606561.2580℃110100100110105100℃120120125120121.25表2端蓋軸向尺寸隨溫度變化情況序號N端溫度/℃N端端蓋軸向尺寸/mmD端溫度/℃D端端蓋軸向尺寸/mm130.50.37230.50.952500.4537.80.933590.5244.10.91460.10.5950.70.9568.70.63555.70.896730.6761.90.877810.73630.85881.30.7973.80.835984.90.83574.80.821091.10.8879.90.81192.50.92580.10.7912940.9581.50.78根據(jù)測試結(jié)果可知：（1）采用嵌鋼套的鋁合金端蓋軸承室相比較純鋁合金端蓋軸承室有更趨向于鋼的材料特性。（2）端蓋軸承室公差為G7（0.012，0.047）mm，軸承尺寸公差（-0.013，0），軸承與端蓋軸承室之間的配合間隙為（0.012，0.06）mm。根據(jù)測量值可知溫升50K時(shí)，嵌鋼套的鋁合金端蓋的徑向膨脹變形量ΔL約為0.050～0.060mmm。受溫度和端蓋材質(zhì)影響，軸承與軸承室之間的間隙增大至（+0.062～+0.12）mm，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行工況處于頻繁的啟停和高溫時(shí)，軸承易因配合間隙過大而導(dǎo)致外圈跑圈。（3）根據(jù)測量值可知溫升50K時(shí)，N端軸向膨脹量為0.358mm，D端軸向膨脹量為0.16mm，電機(jī)兩端蓋總體軸向膨脹量為0.518mm，轉(zhuǎn)軸的軸向熱膨脹量為0.16mm。因此電機(jī)總體約有0.358mm的軸向伸長量的變化。根據(jù)波墊的預(yù)緊力為5～10倍的軸承內(nèi)徑，軸承預(yù)緊力的估算值為275～550N，電機(jī)的原始波墊預(yù)緊力為270N。受溫度影響，端蓋軸向伸長使得波墊的壓縮高度減小，預(yù)緊力減小。（4）根據(jù)端蓋徑向和軸向熱膨脹量測量，以及滾動(dòng)軸承跑圈原因分析，電機(jī)采用帶鋼套鋁合金端蓋，軸承與軸承室之間的配合間隙會(huì)隨溫度升高而增大，應(yīng)采用更小的間隙配合或者過渡配合，采用過渡配合時(shí)必須滿足有效工作游隙。2.抑制措施電機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行過程中存在急變速、頻繁啟停等工況，采用圖4所示的快速啟停試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑囼?yàn)通65°熱水進(jìn)行軸承室優(yōu)化措施的試驗(yàn)驗(yàn)證，10s加速至穩(wěn)定速度，穩(wěn)速運(yùn)行20s，10s降速，暫停2s，正反轉(zhuǎn)為一個(gè)試驗(yàn)周期。分別進(jìn)行軸承室加抗蠕動(dòng)劑、軸承室加O型圈、軸承室配合公差更改等三種優(yōu)化措施的試驗(yàn)驗(yàn)證，出現(xiàn)跑圈則試驗(yàn)暫停，未出現(xiàn)跑圈則運(yùn)行5760個(gè)循環(huán)周期停止。內(nèi)圈跑套和外圈跑套都屬于旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，所以會(huì)有旋轉(zhuǎn)松動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)，但從結(jié)構(gòu)分析滾動(dòng)軸承跑外圈在頻譜中會(huì)產(chǎn)生明顯的4X，2X和3X，但是4X的幅值會(huì)略高，上述現(xiàn)象為間歇性跑套，如果是連續(xù)跑套，則底噪升高、將頻譜連成一片[3]；采集軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行滾動(dòng)軸承跑圈故障特征頻譜分析，可有效識別嚴(yán)重滾動(dòng)軸承跑圈故障，如圖5所示。（1）采用加抗蠕動(dòng)劑、O型圈方案：電機(jī)經(jīng)過一定循環(huán)周期的快速啟停試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭\(yùn)行后，軸承外圈與軸承室之間很快發(fā)生嚴(yán)重的跑外圈現(xiàn)象，僅可用作解決滾動(dòng)軸承跑圈的臨時(shí)修補(bǔ)方案。（2）軸承室配合公差由G7改H6的方案：浮動(dòng)端軸承的軸承室配合公差尺寸調(diào)整后，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)僅出現(xiàn)滾動(dòng)軸承微動(dòng)現(xiàn)象，因此配合尺寸公差調(diào)整為電機(jī)軸承跑圈現(xiàn)象的更佳解決方案。圖4快速啟停試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

圖5加抗蠕動(dòng)劑方案的振動(dòng)頻譜3.結(jié)束語明確了帶鋼套鋁合金端蓋電機(jī)滾動(dòng)軸承跑外圈故障與電機(jī)浮動(dòng)端軸承外圈與軸承室的配合公差有關(guān)。測定電機(jī)端蓋的徑向和軸向熱膨脹量是了解材料特性和選擇合適軸承外圈配合公差的一種手段，為后續(xù)同類電機(jī)的軸承室配合公差選取提供了指導(dǎo)依據(jù)。通過加抗蠕動(dòng)劑、O型圈和改軸承室配合公差三種方案的對比試驗(yàn)，為發(fā)生該類現(xiàn)象提