轴承与轴材料热膨胀系数不匹配导致的磨损问题分析

孙东，赵燕，张静静，李正辉，林大鹏

(中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150000)

轴承与轴之间以过盈配合为主，可有效防止内圈与轴之间的相对滑动，避免非正常的磨损。轴承与轴配合时需对载荷类型、载荷大小、零件结构等因素进行考虑，以确保轴承的正常使用。

普通工况下，轴承工作温度不高于120 ℃，选取轴承时，材料热膨胀系数的匹配性不会对使用性能产生影响，故往往予以忽略。而在航空主机、燃气轮机、增压器等工作温度较高(150 ℃以上)的主机上应用时，轴承与轴材料热膨胀系数的匹配性不可忽略，在考虑室温配合关系的同时，也要对高温尤其是工作温度下的配合关系进行校验，以确保配合的可靠性。

某型国产主机在轴承与轴配合选用过程中，参照《机械设计手册》及国外同类型主机(温度、载荷、转速等工况条件一致)的要求，设定过盈量为-0.019～-0.008 mm。国产主机采用轴材料热膨胀系数小于轴承材料的设计，而国外主机采用了轴材料热膨胀系数大于轴承材料的设计。因轴承与轴材料匹配性的差异，导致主机在使用过程中出现异常磨损故障。现对因热膨胀系数匹配性差异而导致的配合使用问题进行分析。

1 磨损情况

对到寿的主机主轴承进行分解时发现轴承内径面有明显相对转动的周向磨损痕迹，每条周向磨损条纹呈均匀分布(图1)；轴承内圈端面也有明显相对转动的周向磨损痕迹(图2)；轴的磨损形貌(图3)与轴承内径面相似，但其磨损程度轻于轴承内径面。

对磨损的轴承和轴进行测量，并与使用前数据进行对比，结果见表1。

从表中可以看出，轴承的内径因磨损变大，而轴径减小，配合关系从使用前的过盈配合变为间隙配合。

图3 轴磨损形貌(6×)

表1 轴承和轴的尺寸变化情况

2 故障机理分析

根据故障形貌，从设计、制造、工况3个方面对可能导致故障的原因进行分析，并建立了如图4所示的故障树。

图4 故障树

设计方面，轴承和轴结构参数参照国外样件进行设计，图纸参数与测绘报告数值一致；初始配合关系符合《机械设计手册》要求，但在工况条件下，因其热膨胀系数匹配性发生改变，配合关系与样机相比存在一定差异；材料选取时，对轴材料进行了更换，材料综合性能差异不大，能够满足主机工况要求。

制造方面，加工过程符合工艺路线及尺寸要求，无让步放行；热处理后轴承和轴的硬度、组织均符合要求；轴承和轴加工过程中均有针对残余奥氏体控制的工艺步骤，且检测结果显示残余奥氏体水平较低，对尺寸的影响小。

工况方面，经对主机工作过程监控数据分析认为，主机工作稳定，没有发生超转、超载情况，滑油温度没有异常波动。

综上，故障发生的原因可能与轴承和轴热膨胀系数匹配性有关。

该轴承工作温度为180 ℃，属于高温工况，温度增加，材料会产生热膨胀[1]，尺寸变化量为

u=ΓL(T-Ta),

(1)

式中：ΓL为热膨胀系数。

设轴径为DS；轴承内径为d；轴、轴承的热膨胀系数分别为ΓS,ΓB;工作温度为T；初始环境温度为Ta;轴径增加量为

us=ΓSDS(T-Ta)，

(2)

轴承内径增加量为

uB=ΓBd(T-Ta)，

(3)

则配合后直径方向的净过盈量为

Δu=uB-us=(ΓBd-ΓSDS)(T-Ta) 。

(4)

配合关系中，d与DS相同，可均用D表示，故(4)式可改为

Δu=(ΓB-ΓS)D(T-Ta)。

(5)

国产主机及国外主机轴承、轴材料牌号和热膨胀系数见表2(热膨胀系数为材料在200 ℃以下的数值，下同)。

表2 轴承、轴材料与过盈关系[2]

国产主机轴承和轴的热膨胀系数匹配关系与国外主机相比有较大差异。国外主机采用了轴热膨胀系数大于轴承热膨胀系数的设计，因此，同等温度升高情况下，轴的尺寸增加量大于轴承尺寸增加量，故随工作温度的升高，轴承和轴过盈量将呈增加趋势，温度升高越多，过盈量越大；国产主机采用了轴热膨胀系数小于轴承热膨胀系数的设计，相同温升情况下，轴的尺寸增加量小于轴承尺寸增加量，轴承和轴过盈量将呈减小趋势，在特定温度下轴承和轴配合关系将由过盈配合变为间隙配合。

对120，150，180 ℃时的配合关系进行计算，具体变化趋势如图5所示。由图可知,过盈量变化趋势与上述分析一致。

图5 过盈量随温度变化趋势图

对已安装的国产轴承和轴组件进行温升试验，以验证上述理论计算结果。初始过盈量为0.017 mm，升温至105 ℃并恒温2 h轴承未发生松动，升温至200 ℃时轴承发生松动。这也证明了温度升高时，由于膨胀量的不同，导致轴承与轴之间的初始过盈量被轴承和轴膨胀产生的间隙消除，使配合关系从过盈变成了间隙。

3 改进措施

为增强主机轴承与轴配合的可靠性能，减小热膨胀系数对配合关系的影响，结合主机延寿500 h的使用要求，提出了以下改进措施：

1)将配合过盈量按照上限进行选配；

2)对故障部位的轴承材料进行更换，轴承材料选用与轴热膨胀系数相近且寿命修正系数高的Cr4Mo4V材料,其热膨胀系数为11.2×10-6mm·mm-1·℃-1,寿命修正系数可达到12[3]。

经试用表明，国产改进型主机因轴承和轴热膨胀系数相同，过盈量不会随着温度的变化而发生变化，该位置没有出现轴承和轴颈异常磨损情况。

4 结束语

分析表明，故障原因是在高温工况下，轴承与轴材料热膨胀系数不匹配导致二者的过盈量减小并出现相对滑动，最终形成异常磨损。为此，在保证主机整体工况参数不变的情况下，结合主机延寿要求，将轴承材料更换为热膨胀系数匹配性更好、寿命修正系数更高的Cr4Mo4V材料。改进后的轴承已随多台主机完成全寿命周期使用，分解复检，轴承和轴均没有出现异常磨损形貌。