| 标题 | 基于Recurdyn仿真的滚动轴承失效分析 |
| 范文 | 高妮 胡俊梅 杜娟娟 摘 要：针对汽心泵外场使用中滚动轴承的多次失效，通过Recurdyn仿真分析了其最大接触应力和油膜厚度，得出该滚动轴承由于接触应力过大造成失效，验证了其仿真分析结果与计量分析的一致性，同时，针对失效原因提出了改进措施，并进行了Recurdyn仿真验证。 关键词： 滚动轴承；接触应力；弹流润滑；油膜厚度；Recurdyn仿真 中图分类号： TH133.33 文献标识码： A 文章编号：2095-7394（2018）02-0040-04 某定型发动机的主泵是一个汽心泵，该汽心泵由进口节流活门、叶轮和出口扩压器组成，其中离心叶轮为径向直叶片型叶轮。该汽心泵的功率较大，叶轮前侧中心处安装进口节流活门，叶轮只能采用悬臂式支撑，支撑在两个滚动轴承（轴承1和轴承2）上，在使用过程中，燃油泵靠近叶轮处的轴承2负荷较大，曾在外场发生多次轴承剥落故障，该轴承的失效和寿命对该汽心泵的可靠性的影响至关重要。 1 概述 根据该汽心泵轴承的实际工作状况及故障现象，通过Recurdyn仿真分析了其接触应力过大及接触处的油膜厚度[1]，得出该滚动轴承由于接触应力过大造成失效，验证了其仿真分析结果与计量分析的一致性，同时针对失效原因提出了改进措施，并进行了Recurdyn仿真[2]验证。 2 仿真分析 汽心泵在工作过程中，轴承在径向力和轴向力反复作用下，钢球与内外轨道会产生不同程度的接触应力。两个滚动轴承中滚珠与内外轨道间间隙按0.01mm，其余轴承参数见图1，当泵转速为n=21 045r/min，叶轮、轴承及其传动轴的材料均为9cr18， 对利用多体动力学软件Recurdyn对该轴承接触受力进行仿真分析，仿真模型见图2。 仿真时间为0.5s，泵转速开始起动到转速恒定，仿真分析轴承的最大接触应力，仿真结果见图3和图4。 从图3和图4可知，在前0.1s时，转速还未达到最大，轴承几乎不受力，当转速为n=21 045r/min时，轴承1最大受力为[F1]=1 800N左右，轴承2最大接触应力为[F2]=8 200N左右，靠近叶轮处的轴承2负荷较大所受接触应力也较大，产品分解检查时发现轴承2磨损较重，轴承1无磨损。 对于滚动轴承来说，最大接触应力为[σHP=（3 000～5 000）]MPa，但是内轨道中心处的最大接触应力[σmax=8 200N]，大于最大接触应力为[σHP=（3 000～5 000）]MPa[3]，此结果与计量检测结果相吻合，即该轴承2出现的疲劳剥落可能与其轴承承载能力不足有关。 3 润滑油膜分析 根据滚动轴承工作机理，工程模型认为一般工作条件下，轴承疲劳失效一方面是由于接触应力超出其材料的最大极限接触应力造成，另一方面由于接触应力过大，轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下转动，滚动表面产生疲劳剥落和磨损。 3.1 弹性流膜厚度 轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下转动，滚动表面产生疲劳剥落和磨损。滚动轴承中钢球与沟道接触的润滑状态通常用膜厚比[λ=h0minRa]判定润滑的类别，其中[h0min]是当[λ1]时，属于边界润滑；当[1<λ3]时，属于部分弹流润滑；当[λ>3]时，属于部分全膜弹流润滑。若轴承在弹性润滑状态下工作，摩擦力矩小，寿命就会大大提高。 由于该角接触轴承属于点接触，根据阿查德（J.Archard）公式[4]，按点接触的油膜最小厚度 [h0=2.04?-0.74（ηBv）0.74R0.407（FE'）-0.074，] （1） [1E'=12（1-μ21E1+1-μ22E2）=2×12×1-μ2E，R=（R2x+R2y），] 其中： [F]—最大接触应力（N），[F=F2=8 200N，] [?]—椭圆率，[?=（1+2Rx3Ry）-1]， [η]—润滑油粘度，[η=1.3×10-9NS/mm2，] [B]—压力系数，[B=0.020 2mm2/N，] [v]—当量滚动速度， [v=v1+v22=12（ωr1+ωr2）=πn60（R1+R22），] [n]—转速，[n=]21 045r/min， [R1=3.6mm]为滚珠半径；[R2=15.7mm]为内环半径， [Rx]—接触件的轴向曲率半径，[1Rx=1R1x+1R2x，] [Ry]—接触件的径向曲率半径，[1Ry=1R1y+1R2y，] [R1x=R2x=R1y=R2y=4.08mm，] [E']—两接触表面材料的当量弹性模量，N/m2 [μ]—两接触表面材料的泊松比，[μ=0.25，] [E]—弹性模量，[E=200×103N/mm2]。 由于外軌道中心处的最大接触应力小于[σHP]，内轨道中心处最大接触应力超出[σHP]，因此，这里只计算内轨道的最小油膜厚度，且相关参数按下限计算， [h0=2.04?-0.74（ηBv）0.74R0.407（FE'）-0.074=2.04×0.6-0.74×（1.3×10-9×0.020 2×3 760 714）0.74×1.020.407×（8 2002.197 8×105）-0.074=0.067 8mm，] 即[h0min=0.067 8um。] 3.2 膜厚比 根据该滚动轴承设计要求，内外轨道和钢球的粗糙度均为0.05um，则两接触面的综合粗糙度： [Ra=0.052+0.052=0.070 7um]。 因此，该滚动轴承的膜厚比 [λ=h0minRa=0.717 6<1]， 该滚动轴承的滚珠与滚道之间形成了弹流处的临界区[5]。轴承在临界区域的润滑状态下工作，滚动表面产生疲劳剥落和磨损。摩擦力矩增大，轴承寿命降低。 3.3 故障结论 根据该滚动轴承故障现象，通过对轴承接触应力及接触部位的弹性流膜厚度进行计算分析。汽心泵在工作过程中，轴承受径向力和轴向力作用，内轨道中心处的最大接触应力超出了材料允许的[σHP]，过大的接触应力导致轴承在滚动接触部位的油膜破损，滚珠在边界润滑状态下转动，滚动表面产生疲劳剥落和磨损。 4 改进措施 4.1 仿真分析 为了使若轴承在弹性润滑状态下工作，减小摩擦力矩，提高寿命，在不改变叶轮强度下，将支撑在两个滚动轴承上叶轮轻质化处理，将材料改为钛合金，轴承和传动轴材料不变，利用Recurdyn对轴承的最大接触应力进行仿真，结果见图5和图6。 由图5和图6可知，将叶轮轻质化处理后，轴承1和轴承2所受的最大接觸应力均相应减小，轴承2所受的最大接触应力约为 [σmax=4 100（N）] 4.2 油膜厚度分析 由仿真分析可知轴承2所受的最大接触应力约为，[σmax=4 100N] 将[σmax]代入公式（1）中， [h'0min=0.071 45um] 此时，[1<λ=h0minRa=1.0113]，属于部分弹流润滑，轴承在弹性润滑状态下工作。 5 结论 仿真分析结果与计量检查结论相一致，即应力过大造成疲劳剥落，轴承表面剥落可能为大应力导致的润滑油膜破坏，在临界润滑状态下产生了磨损，并随着磨损的加剧，剥落不断扩展。 根据仿真结果可知：为了提高轴承寿命，将支撑在两个滚动轴承上叶轮材料改为钛合金后，轴承在弹性润滑状态下工作，摩擦力矩小，寿命会大大提高。该改进措施已在汽心泵上实施，其寿命有待后续验证。 参考文献： [1] 刘永红.滚动轴承最小油膜厚度的分析计算研究[J].太原大学学报，2009（4）：130-131. {2] 金燕，刘少军，蒋玉孝.基于最小油膜厚度的航空圆柱滚子轴承修正寿命研究[J].润滑与密封，2015，40（6）：8-12. [3] 张敏，贾冬生.滚动轴承中最小油膜厚度及其测量[J].机械研究与应用，2000，13（4）：24. [4] 成大先.机械设计手册[M].3版.北京：化学工业出版社，2001. [5] 王红军.滚动轴承测试技术[M].北京：机械工业出版社，2008. An Analysis on the Failure Reason of a Rolling Bearing Based on Recurdyn Simulation GAO Ni1， HU Jun-mei2，DU Juan-juan1 （1.XIAN AERO-ENGINE CO.Desige institute，Xian 710072 ，China；2.School of mathematics，Xinzhou teachers university，Xinzhou 034000，China） Abstract： Considering the constant failure of rolling bearing in the outside use of gasoline pump， this paper analyzes the maximum contact stress and the oil slick thickness accepted by rolling bearing by using Recurdyn simulation， finds the failure of rolling bearing attributes to the too much contact stress and verifies the consistency of the results generated by both simulation analysis and calculation analysis. Besides， the author also puts forward some improvement measures based on reasons of the failure. In addition， an assessment on the Recurdyn simulation has also been conducted in this paper. Key words： rolling bearing； contact stress； EHL； oil film thickness； Recurdyn simulation 责任编辑 祁秀春 |
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