16146某液压挖掘机风扇轴承故障分析和解决方案(2016-6-12复审稿件)-.docx

某液压挖掘机风扇轴承故障分析和解决方案朱东烈，王 成，魏敬成山重建机有限公司研究院摘要|摘要|某型挖掘机在进入市场后，出现风扇轴承座、轴承、皮带轮、皮带和风扇损坏等问题。文章通过分析发动机质量、风扇允许不平衡量以及对故障进行现场调查，发现发动机风扇周圈带有护圈，比较容易粘附沙土，造成风扇承受巨大的离心惯性偏心力，风扇轴承受到的不平衡力超载，导致此类故障发生。针对故障问题，建议更换无护圈的风扇，加强日常清理工作。本文主要对某型挖掘机出现的风扇及轴承故障进行调查分析，通过对发动机质量确认、风扇允许不平衡量确认和对故障进行现场调查分析，找出故障原因和解决方案，并对方案效果进行确认，方案实施后挖掘机无此类故障发生。某型挖掘机进入市场后，出现风扇轴承座、轴承、皮带轮、皮带和风扇损坏等问题，对故障进行调查分析发现，因风扇四周带有护圈，比较容易粘附沙土，使风扇在旋转过程中失去动平衡。因挖掘机在工作过程中，风扇叶尖旋转速度非常高，如果风扇局部具有一定的不平衡质量，会导致风扇旋转时产生的离心惯性力的分布，相对于轴承中心不对称而不能相互抵消，造成风扇受到巨大的离心力偏心，从而会导致轴承损坏。如果轴承损坏初期不能及时发现，会导致轴承抱死，使轴承座和皮带承受巨大的拉力，最终导致轴承座断裂或皮带断裂，风扇也会与导风罩剧烈碰撞而损坏。挖掘机是一种工况适应性极强的工程机械，在建筑、市政、公路和大型采矿等领域被广泛应用，但因其工作符合负荷高、工作环境的恶劣，如果设计过程中不能全面考虑，容易出现一些故障。某型挖掘机在进入市场后，出现风扇轴承座、轴承、皮带轮、皮带和风扇损坏的问题，通过对故障进行调查分析发现，发动机风扇周圈带有护圈，比较容易粘附沙土，造成风扇承受巨大的离心力，而导致此类故障发生。关键词：挖掘机；风扇轴承；风扇允许不平衡量；弯矩；风扇护圈1 、故障问题现状作者简介：朱东烈（1987-），男，山东临沂人，工程师，本科学士，研究方向：发动机匹配与计算安装。某型挖掘机产品进入市场后，在某些区域出现集中故障，根据现场问题反馈进行信息统计和分类，故障现象主要有风扇轴承座断裂、轴承损坏、风扇皮带轮损坏、皮带断裂和风扇损坏等，故障品照片如图1所示。（a）风扇支撑座断裂 （b）轴承损坏（c）皮带断裂 （d）风扇损坏图1故障品照片2 、故障问题原因分析从故障品反馈可以基本确认故障比较集中，主要是风扇轴承损坏和因其引起的相关零部件的损坏。对于故障问题进行初步分析认为主要有两方面原因：1）一是产品本身零部件存在质量问题；2），二是由于用户使用不当或者工况特殊而造成的损坏，。因此，首先从这两个方面进行了排查。21.1 发动机质量确认对于某一部件集中发生的故障问题，最大可能是发动机零部件质量不合格引起的，此挖掘机使用的是康明斯发动机，康明斯厂家根据发动机序列号进行反向排查，同批次生产的其他发动机也没有出现此类故障现象，而且此风扇轴承是比较成熟的产品，由此可初步判断发动机零部件质量没有问题。21.2 风扇允许不平衡量确认风扇属于高速旋转部件，圆周线速度可高达60m/s100 m/s，如果静平衡量不合格，会使风扇局部产生不平衡质量，进而使风扇旋转时产生的离心惯性力的分布，相对于轴承中心不对称，而不能相互抵消，导致风扇受到巨大的离心惯性偏心力，在高速旋转时会产生巨大的离心力，使风扇轴承受到的不平衡力超载，从而导致风扇轴承损坏。如果轴承损坏初期不能及时发现，会导致轴承抱死而使轴承座和皮带承受巨大的拉力，最终导致轴承座断裂或皮带断裂，风扇也会与导风罩剧烈碰撞而损坏。此产品款风扇选用风扇的厂家是按照ISO01940-1973（E）平衡精度等级为G6.3 mm/s级进行生产风扇的，其中G的数值作为精度等级标号51。此款产品风扇直径d为696 mm，质量M为2 842 g，风扇最高转速n为2 211 r/min，由此可以计算最大允许不平衡量，其计算公式为21-54：UA=MG1 （1）式中：UA为允许不平衡量，gmm； M为风扇的质量，g； G为风扇的平衡精度等级，mm/s； 为风扇旋转角速度，rad/s，其中= 2n60。；经计算，AU为77.37 gmm。通过对同批次的风扇进行抽检测试，允许不平衡量的测试值都在范围内，说明风扇本身不平衡量是符合要求的。但即使风扇允许不平衡量符合生产标准，但如果最大允许不平衡量产生的离心惯性偏心力超过风扇轴承的承受弯矩，同样也会造成轴承的损坏，。假设最大不平衡量集中在风扇半径处，则允许最大不平衡质量计算公式为21-54：mper=AUr （2）式中：mper为允许最大不平衡质量，g； rR为风扇半径，mm,其中r=d2。；经计算，mper为0.222 g。不平衡质量产生的离心力的计算公式为：F0=mper1000r10002mperr2v2r 10-6 （3）式中：F0为离心力，N； mper为允许最大不平衡质量，g；为风扇旋转角速度，rad/s，其中= 2n60；v为线速度，m/s，其中v=r1000； rR为风扇半径，mm。；经计算，F0为4.14 N。发动机风扇端要求的弯矩最大T0为7 Nm，风扇中心与风扇轴承距离L为76.2 mm，当惯性离心惯性偏心力和风扇重力重合时为弯矩最大点，此时风扇端弯矩计算公式为：T=（F0+ Mgg1000）L1000 （4）式中：T为弯矩，Nm；F0为离心力，N；g为g重力加速度，Kgkg/N，取值9.8； M为风扇质量，g。；经计算，T为2.44 Nm7 Nm。由此可见风扇的最大不平衡质量是满足发动机弯矩要求的，而高速旋转风扇的最大力矩点只是瞬时的，风扇端力矩正常是在1.81Nm2.44 Nm范围之间，此弯矩范围符合发动机轴承设计要求，不会对轴承造成破坏性损坏。12.3 现场调查和故障分析为了尽快找出故障的原因和解决方案，对于问题比较集中的区域进行了调研和现场考察，通过考察发现，出现故障的车辆基本都工作在风沙比较大的区域，主要现象就是风扇护圈上粘附有大量的沙土，甚至有的风扇护圈上清理掉近1Kg1 kg的沙土，现场的状态如图2所示。 图2 故障现场风扇护圈粘土照片前面已经提到，风扇属于高速旋转的部件，周圈粘附很少的沙土都会产生巨大的离心力，假设风扇护圈局部粘有质量m为25 g的沙土，根据公式可以计算出由此产生的离心力：FN=m1000mr1000r2v2r 10-6 =465.9 （N）此时对风扇端产生的弯矩为：T1=（FN+ Mgg1000）L1000=37.62 Nm7 Nm此时风扇端的弯矩已经大于发动机要求的弯矩，而25 g沙土产生的离心力则相当于一个46.59 Kgkg的重物作用在旋转的风扇上，这个重量足以造成高速旋转风扇轴承的损坏。通过现场考察和分析计算可以看出，造成此类故障的主要原因是风扇护圈粘附大量沙土风扇带有一个护圈。护圈很容易造成沙土粘附，随着沙土粘附质量的增加或者工作时间的推移，风扇端的弯矩会超出轴承承受弯矩，从而会造成轴承的损坏，如果不及时发现则会导致轴承支撑座或皮带断裂。3 、解决方案和效果根据故障问题，主机厂立即采取措施，对故障车辆更换无护圈的风扇，并提醒司机及时清理粘附在风扇叶片上的沙土，售后服务人员也会在做定期保养过程中对风扇叶片进行清理。截止目前，此款产品已有两千2 000余台的市场保有量，工作时间有些已超过一万小时10 000 h，没有用户反应过类似的问题，提高了产品的可靠性。更换风扇后的状态如图3所示。图3 更换风扇后的状态4 、经验总结虽然风扇的护圈可以适当增大风扇利用效率、降低风扇噪声，但是挖掘机工作环境一般都比较恶劣，尤其是在矿山上，空气中灰尘含量特别高，沙土很容易在风扇护圈上粘附。如果在风沙较小或者驾驶人员保养及时情况下，这种故障现象或许不会出现。但是如果在灰尘含量较高的环境下，又不及时清理风扇上粘附的沙土，会使风扇护圈上粘附的沙土增多，从而使轴承承受较大的不平衡力，导致轴承或皮带损坏，造成巨大的经济损失。因此，在挖掘机用风扇设计选型过程中，尽量不要选择带有护圈的风扇或者要求用户根据工况定期清理护圈上的沙土，避免沙土在护圈和叶片上积累。参考文献：1ISO1940-1973（E）Balancing quality of rigid bodies.12李晓东. 砂轮在线液体自动平衡系统及其平衡精度的研究D. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）博士论文.2004.李正美，周琼，安琦，唐建平.不平衡量对汽车水泵轴承载荷及寿命的影响NJ.华东理工大学学报（自然科学版）,2010，（4）：596-602.23王树林，王成贵，梁彦学，韩继光. 高速加工工具系统动平衡精度等级的确定原则J.工具技术. 2004（9）:84-86.邹英永，温建民，于广滨.浅径向力和弯矩联合作用下滚子轴承的刚度计算J.中国机械工程，2006,17（15）:1572-1575.34沈春根，王成贵，王树林.HSK主轴工具系统不平衡精度等级的计算和控制J.工具技术. 2004（12）:50-52.45谢黎明，唐林虎，张季惠.高速旋转刀具系统动平衡技术研究J.工