某型電動機軸承跑外圈原因分析及抑制措施

某型電動機軸承跑外圈原因分析及抑制措施中車株洲電機有限公司，湖南株洲412000）摘要：針對某型電動機用免維護滾動軸承出現(xiàn)跑外圈現(xiàn)象，對滾動軸承跑外圈的成因分析，明確了滾動軸承跑外圈與浮動端軸承外圈和軸承室配合公差設計有關，通過加抗蠕動劑、O型圈和修改配合公差三種方案的對比試驗，驗證改配合是更為有效的抑制措施。關鍵詞：電動機；免維護軸承；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)應用領域，大多數(shù)小型電機采用一端軸承固定，一端軸承浮動加波墊預緊的免維護滾動軸承布置方式，本文中的某型驅動電機的軸承配置也為這種方式，端蓋為帶鋼套的鋁合金材質，兩端為同型號的免維護深溝球軸承，固定端軸承內(nèi)圈與轉軸以過盈配合進行徑向和周向定位、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，浮動端軸承內(nèi)圈與轉軸以過盈配合進行徑向和周向定位、軸肩及軸用彈性擋圈進行軸向定位，外圈浮動，通過波形彈墊施加一定的預緊力，如圖1所示。圖1電機軸承布置方式該電機軸承的特性是在高溫、低溫等環(huán)境下能持久高速運行，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雜。電機在運行時若存在滾動軸承跑外圈的現(xiàn)象，一方面由于軸承跑圈會把大量能量轉化成了無用的熱能和噪聲，降低了運行效率，另一方面則會加劇配合部件的磨損，降低了機器精度，嚴重則會損壞設備。拆解電機發(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，可見該電機的浮動端軸承出現(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.滾動軸承跑外圈原因分析在接觸表面作微小往復擺動時，傳遞載荷的配合面會發(fā)生微動腐蝕，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（配合不當或表面太粗糙）以及載荷和（或）振動造成的。微動腐蝕初期宏觀上的表象是配合面呈現(xiàn)類似生銹的形貌。隨著材質的遷移，配合面的配合進一步被破壞，微動腐蝕加劇則可能出現(xiàn)配合面大幅度的相對移動，就是我們俗稱的“跑圈”現(xiàn)象。軸承跑圈是軸承內(nèi)圈與轉軸產(chǎn)生相對滑動（即軸承跑內(nèi)圈）或軸承外圈與軸承座產(chǎn)生相對滑動（即軸承跑外圈），是軸承在運轉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的扭力，所以軸承與軸、孔能保持相對靜止，靠滾動體與內(nèi)圈（或外圈之間）的旋轉傳遞機械能。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，滾動軸承內(nèi)外圈相應地在軸和軸承座上進行軸向、徑向和周向定位。軸承套圈和配合件之間不得有相對微動，否則會損傷配合表面。配合的松緊，應考慮即使在承受載荷、在運行中內(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，同時用于另個方向的軸向定位。因此固定端軸承必須同時固定在軸和軸承座上。徑向及周向通?？颗浜狭崿F(xiàn)，即軸承套圈采用過盈配合。一般采用結構鎖緊件進行軸向定位；浮動端軸承僅用于徑向支承，因需要具備軸向移動的功能，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有關，承受旋轉載荷的套圈，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，套圈就會在軸或軸承座的配合面發(fā)生打滑，在載荷較大時，就會損傷配合面或造成微動磨損。3）端蓋材質與工作溫度為了減輕實現(xiàn)設備輕量化重量并便于及批量生產(chǎn)，滾動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，因其軸承座與軸承（外圈）的線膨脹系數(shù)不同，故而，因此當軸承在運行中溫度升高時，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構，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測值1實測值2實測值3實測值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，嵌鋼套的鋁合金端蓋的徑向膨脹變形量ΔL約為0.050～0.060mmm。受溫度和端蓋材質影響，軸承與軸承室之間的間隙增大至（+0.062～+0.12）mm，當電機的運行工況處于頻繁的啟停和高溫時，軸承易因配合間隙過大而導致外圈跑圈。（3）根據(jù)測量值可知溫升50K時，N端軸向膨脹量為0.358mm，D端軸向膨脹量為0.16mm，電機兩端蓋總體軸向膨脹量為0.518mm，轉軸的軸向熱膨脹量為0.16mm。因此電機總體約有0.358mm的軸向伸長量的變化。根據(jù)波墊的預緊力為5～10倍的軸承內(nèi)徑，軸承預緊力的估算值為275～550N，電機的原始波墊預緊力為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，以及滾動軸承跑圈原因分析，電機采用帶鋼套鋁合金端蓋，軸承與軸承室之間的配合間隙會隨溫度升高而增大，應采用更小的間隙配合或者過渡配合，采用過渡配合時必須滿足有效工作游隙。2.抑制措施電機在實際的運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模式，試驗通65°熱水進行軸承室優(yōu)化措施的試驗驗證，10s加速至穩(wěn)定速度，穩(wěn)速運行20s，10s降速，暫停2s，正反轉為一個試驗周期。分別進行軸承室加抗蠕動劑、軸承室加O型圈、軸承室配合公差更改等三種優(yōu)化措施的試驗驗證，出現(xiàn)跑圈則試驗暫停，未出現(xiàn)跑圈則運行5760個循環(huán)周期停止。內(nèi)圈跑套和外圈跑套都屬于旋轉松動，所以會有旋轉松動頻譜結構，但從結構分析滾動軸承跑外圈在頻譜中會產(chǎn)生明顯的4X，2X和3X，但是4X的幅值會略高，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]；采集軸承試驗數(shù)據(jù)，進行滾動軸承跑圈故障特征頻譜分析，可有效識別嚴重滾動軸承跑圈故障，如圖5所示。（1）采用加抗蠕動劑、O型圈方案：電機經(jīng)過一定循環(huán)周期的快速啟停試驗模式運行后，軸承外圈與軸承室之間很快發(fā)生嚴重的跑外圈現(xiàn)象，僅可用作解決滾動軸承跑圈的臨時修補方案。（2）軸承室配合公差由G7改H6的方案：浮動端軸承的軸承室配合公差尺寸調整后，電機運行平穩(wěn)，在整個循環(huán)周期內(nèi)僅出現(xiàn)滾動軸承微動現(xiàn)象，因此配合尺寸公差調整為電機軸承跑圈現(xiàn)象的更佳解決方案。圖4快速啟停試驗模式

圖5加抗蠕動劑方案的振動頻譜3.結束語明確了帶鋼套鋁合金端蓋電機滾動軸承跑外圈故障與電機浮動端軸承外圈與軸承室的配合公差有關。測定電機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)同類電機的軸承室配合公差選取提供了指導依據(jù)。通過加抗蠕動劑、O型圈和改軸承室配合公差三種方案的對比試驗，為發(fā)生該類現(xiàn)象提