高速圆柱滚子轴承端面磨损原因及改进措施

1、高速圆柱滚子轴承滚子端面磨损实例情况

某型轴承在外场工作时，发生金属屑超标报警故障，轴承失效。其典型失效特征如下：

滚子端面出现了磨损，外径两端出现了高温变色，见图1，保持架兜孔内磨横梁和侧梁都发生了严重的高温磨损变形，见图2，外滚道挡边磨损变形，见图3。内滚道出现了剥落，最大一处剥落面为长方形，长约22mm，见图4，剥落区已出现了高温二次淬火现象。

图1 滚子端面磨损图片

图2 保持架兜孔磨损形貌

图3、4 外滚道挡边碾压变形和内滚道剥落形貌

从上述失效特征看，轴承滚子已发生了严重的偏，并造成了滚子端面、保持架兜孔、外滚道挡边的磨损，以及内滚道的疲劳剥落和高温二次淬火现象。

近年来，该型轴承同类故障发生了多起，均出现了外圈挡边的严重磨损、滚子端面的严重磨损，内、外滚道的接触疲劳剥落等故障特征。

2、轴承工作性能要求

改型轴承为外圈双挡边内圈无挡边的单列向心短圆柱滚子轴承，工作时外圈静止，内圈转动，内圈转速为41586r／min，承受的径向载荷147N，从工作性能要求看，该轴承转速高，载荷低，工作过程中极易产生轻载打滑。

3、轴承故障原因分析

轴承在高速运转时，如有任何微小的干扰或变化（如高温造成的润滑油积碳颗粒等）都会使高速运转的滚子产生动态失稳，发生摆动，其结果就会使滚子端面与外圈挡边间发生异常滑动磨损。滚子的外圆表面也会与内圈滚道表面发生滑蹭，滚子摆动的结果也会造成与其接触的保持架兜孔内表面产生滑蹭或磨损，一系列的滑蹭和磨损都会伴随着温度的升高。随着时间的变化，磨损和温升都会加剧，直至造成轴承失效。

造成滚子动态失稳并发生侧摆的主要影响因素有：

(a)滚子精度。主要包括滚子直线段的直线性、弧坡和倒角的对称性，直径相互差和长度相互差，滚子端面平行差和垂直差，表面粗糙度等；

(b)套圈滚道直线性；

(C)外圈挡边平行差；

(d)保持架兜孔精度。主要包括横梁与侧梁的垂直差，底部对保持架端面壁厚差等；

(e)滚子端面与外圈挡边间间隙；

(f)异物干扰。

如果滚子精度不好，将直接影响滚子在高速滚动条件下的动平衡，从而破坏滚子的运转平稳性。在滚子产生动态失稳的初期，如果外圈挡边平行差、套圈滚道直线性、保持架兜孑L等精度足够高，就会对滚子的动态失稳起到约束作用，使其保持正常运转状态，否则，就会加剧滚子的动态失稳。在滚子以极高的自转速度与套圈挡边发生滑动摩擦时，产生的摩擦热也非常高，此时，如果滚子端面与套圈挡边间隙偏小，就很难形成润滑油膜，此处的冷却效果也将受到严重影响，最终导致滚子端面和套圈挡边的高温磨损。因此，某高速短圆柱滚子轴承滚子端面磨损故障是上述各因素综合作用的结果。用轮廓仪检测了故障轴承套圈滚道和滚子直线性，可确认各零件原始直线性符合要求，可排除此项因素的影响。通过设计复查发现，该型轴承滚子长度相互差要求较低，弧坡表面为磨削加工表面，粗糙度和精度都较低；外圈挡边对基准端面的平行差要求也较低，这些因素应是影响该型轴承滚子高速转动时动态稳定性的主要因素。

4、改进措施

根据故障原因分析结果，制定了如下技术改进措施：

(1)将外圈挡边对基准端面的平行差由5m提高到3m；

(2)将每组滚子长度相互差由8m提高至4m，直径相互差由0.7131提高至0.5m；

(3)增加保持架兜孔底部对保持架端面壁厚差要求(不大于0.05mm)；

(4)增加滚子两侧弧坡表面超精加工要求。

(5)增加测量滚子端面与外圈挡边间间隙的要求。

有效地改善和提高了滚子高速转动时的动态稳定性，使后期生产的轴承质量得到大幅度提高，从而提高轴承的寿命与可靠性，保证主机的使用安全。改进后的轴承，经装机使用，同类故障未再发生，改进效果良好。