发动机风扇轴承损坏故障分析

韩传文 赵宏国

（道依茨一汽（大连）柴油机有限公司大连116600）

发动机风扇轴承损坏故障分析

韩传文 赵宏国

（道依茨一汽（大连）柴油机有限公司大连116600）

BFM 1013柴油发动机在匹配某品牌挖掘机初期，发生发动机风扇轴承损坏，导致风扇脱落，将水箱损坏的故障。为解决该问题，对风扇支架进行拆解分析、对风扇轴承的受力进行计算分析，最终确定故障原因：由于选配的深沟球轴承的承载能力不足，无法满足挖掘机的特定使用条件，导致风扇轴承损坏。通过更改设计，采用双列角接触球轴承，提高轴承的承载能力，有效避免了此类故障发生。

风扇支架 轴承 故障 承载能力

1 前言

工作过程中，柴油机需要散热，以保持其在一定的工作温度范围内正常运转，其中风扇起着必不可少的作用。为了保证风扇高速、平稳运转，风扇轴承的功能必须可靠。

在匹配某品牌挖掘机初期，BFM1013柴油机发生多起风扇轴承损坏，风扇脱落，导致水箱损坏，直接损失金额较大，间接误工损失严重，用户抱怨强烈；且因整机设备布置空间限制，维修困难，需要从源头上彻底解决。

2 失效分析

2.1 风扇支架结构

BFM1013柴油发动机风扇支架结构总成如图1所示。风扇支架固定在发动机水泵支架上，风扇通过皮带传动与发动机一起转动。

图1 BFM 1013柴油发动机风扇支架总成

2.2 失效件拆解分析

通过对失效的风扇支架拆解观察，发现轴承钢球支架已经严重损坏；进一步拆解，观察到失效的风扇轴承状态如下：

—中间体有明显钢球压痕，为钢球窜出后产生；

—钢球槽表面有大量的黑色杂质，质感脆硬；

—钢球槽有明显磨损痕迹（清理后）；

—钢球接触面已磨损、变形。

失效的风扇轴承见图2。

图2 失效的风扇轴承

上述现象产生的原因是高温。而轴承产生高温的可能因素主要是：

—散热和润滑不良；

—异常磨损。

针对上述可能的因素进行逐项排查。

2.2.1 散热和润滑不良

该发动机采用的轴承，设计有散热出气孔。观察失效样件，此孔没有堵塞现象。该轴承为自润滑结构，采用油脂润滑。拆解钢球槽，发现其上的黑色脆硬杂质来源于润滑脂高温残留物质。发动机已运行1 000 h以上，可以确认出厂时已填充润滑脂。说明轴承失效并非由散热和润滑不良因素造成。

2.2.2 异常磨损

导致轴承异常磨损的可能因素主要有：—轴承中有异物；—轴承承载力不足。

该轴承设计有防尘盖，且为双面密封。观察失效件，除有高温导致润滑脂残留物质外，无其他异物，因而可以判断轴承中没有异物。轴承承载力分析见2.3节“风扇轴承受力分析”。

2.3 风扇轴承受力分析

采用AVL公司的EXCITE-TD软件，对BFM1013发动机的风扇轮系进行受力分析。建立风扇轮系计算模型，见图3。

模拟风扇轮系时，采用的主要参数见表1。

模拟计算中，曲轴带轮转速恒定为2 300 r/min。考虑曲轴在实际工作中会发生轻微转速波动，在2 300 r/min的基础上加入了一个频率为720°曲轴转角、振幅约为100 r/min的转速波动。曲轴带轮转速如图4所示。

模拟计算中，由于主动轮曲轴带轮的转速是在2 200～2 400 r/min范围内变化，所以皮带所受拉力有较大幅度的波动。模拟分析表明，在发动机运行过程中，虽然曲轴带轮转速在一定范围内波动，风扇轮系仍能保持基本平稳运行。风扇带轮两侧皮带所受的拉力分别为1 459N和257 N；根据矢量求和，风扇轴承所受载荷为1 575.78N。风扇带轮两侧皮带受力情况见图5。

图3 风扇轮系计算模型

表1 风扇轮系主要参数

图4 曲轴带轮转速

2.4 轴承承载能力计算

BFM1013发动机的设计寿命为8 000 h。计算轴承当量动载荷公式如下：

F=XFx+YFy[1]（1）

式中：

F——当量动载荷，N；

图5 风扇带轮两侧皮带受力

Fx——轴承所受的径向载荷，N；Fy——轴承所受的轴向载荷，N；

X——径向动载荷因数；

Y——轴向动载荷因数。

当 Fy/Fx≤e时，X=1，Y=0，说明轴向力 Fy小，其对当量动载荷F影响可忽略不计；当Fy/Fx＞e时，说明轴向力Fy较大，必须考虑其影响。e为轴向载荷影响因数，根据规定，这里取0.38[2]。

根据2.3节风扇轴承受力分析，风扇轴承所受载荷Fx为1 575.78N。发动机在运转过程中，还需考虑风扇阻力在风扇轴承上产生的轴向力。根据计算，工程机械发动机2 300 r/min时，风扇轴承承受的轴向力约为260N。

则 X=1，Y=0；

轴承当量动载荷为：F=Fx=1 575.78N。

按下列公式，计算轴承的额定动载荷：

式中：

FC——额定动载荷，N；

fF——载荷性质因素；

ft——温度因数

n——转速，r/min；

Lh——基本额定寿命，s；

ε——轴承寿命指数，对于球轴承ε=3。

载荷性质与载荷性质因素fF关系及温度与温度因数ft关系见表2和表3。取fF=1.1；ft=1；n为2 300 r/min；Lh为8 000 h；由公式（3）得风扇轴承额定动载荷FC为17 915N。

查询轴承手册得知，所采用的风扇轴承，其额定动载荷承载力为14 000N，无法满足该发动机实际工作过程中所承受的载荷。

工程机械设备实际工作条件及设备运行中的行进速度等因素，决定了工程机械设备发动机比车用发动机需要更多的散热，故需要大风力的风扇。大风力风扇所产生的风阻也大，大的风阻在风扇轴承上所产生的轴向力大；此外发动机的高转运行使轴向力急剧增加，因而进一步加大轴承的轴向受力。

表2 载荷性质与载荷性质因素fF关系

表3 温度与温度因数ft关系

计算同直径（600mm）风扇，在工程机械和车辆2种用途下，在同功率（191 kW）、不同转速工况下，风扇轴承所受的轴向力，并进行对比。对比结果见表4发动机风扇轴承轴向力。

表4 发动机风扇轴承轴向力

相同转速下，工程机械用途的风扇轴承所受的轴向力要明显高于车辆用途的风扇轴承所受的轴向力。

2.5 根本原因确定

风扇轴承拆解分析和风扇轴承受力模拟计算分析表明，BFM1013柴油发动机风扇轴承的承载能力不足是导致轴承损坏、异常磨损的根本原因。

此外，采用的6305-2RS轴承和6205-2RS轴承都是深沟球轴承，主要承受径向载荷，虽然能够承受少量的双向轴向载荷，但承受冲击载荷能力差，适合车用发动机高速运转场合[4]，但在挖掘机类设备持续不间断的变工况工作环境下，其抗冲击载荷能力差的弱点就暴露出来，这也加速了风扇轴承的受损程度。

2.6 改进措施

为了提高风扇轴承的径向和轴向的承载能力，选用角接触球轴承。角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷，使得承载能力和抗轴向载荷能力得到大幅提升，满足工程机械特殊使用工况对风扇轴承承载能力的要求。通过对比分析，最终选用双列角接触球轴承，并重新设计风扇支架。更改前后的风扇轴承见图6。

图6 更改前后的风扇轴承

3 结论

通过对失效轴承的拆解分析、轴承的受力分析和承载能力的计算，确定造成轴承损坏故障原因，分析结论如下：

（1）所选的深沟球轴承承载力不足，无法满足匹配挖掘机特殊使用要求。

（2）采用角接触球轴承可以满足风扇轴承的承载能力，同时可以承受挖掘机设备持续变工况的轴向冲击力，提高轴承轴向承载力。

（3）改进轴承结构后，至目前此发动机已大批量投入市场使用，未再发生此类故障，从源头上彻底解决了轴承损坏问题。

[1]毛友新.机械设计基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2004：346-360.

[2]黄晓荣，沈冰，张汝琦.机械设计基础[M].北京：中国电力出版社，2005：210-214.

[3]才家刚，王勇.滚动轴承使用常识[M].北京：机械工业出版社，2011：89-93.

[4]陈龙，颉潭成，夏新涛.滚动轴承应用技术[M].北京：机械工业出版社，2010：126-139.

Faultanalysis for Engine Fan Bearing

Han Chuanwen，Zhao Hongguo
（DEUTZ(DALIAN)ENGINECO.,LTD.,Dalian 116600)

During the initial stage ofmatching BFM1013 diesel engine to a certain brand excavator,there occurred the cooling fan bearing failure,which led to the fan falling offand the damage to the cooling tank.In order to solve thisproblem,the failure partwas disassembled and the analysisofbearing stresswas made.The analysis shows that the load carrying capacity of the original deep groove ball bearing is not sufficientand can'tsatisfy the specialservice conditionsof the excavator,resulting in thebroken fan bearing.By modifying design and selecting a double row angular contact ball bearing,the bearing capacity is enhanced and theproblem issolved.

fan bracket,bearing,broken,load carrying capacity

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.005

来稿日期：2017-06-14

韩传文（1984-），男，工程师，主要研究方向为非道路柴油发动机质量问题的分析与改进。