某型电动机轴承跑外圈原因分析及抑制措施

某型电动机轴承跑外圈原因分析及抑制措施中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000）摘要：针对某型电动机用免维护滚动轴承出现跑外圈现象，对滚动轴承跑外圈的成因分析，明确了滚动轴承跑外圈与浮动端轴承外圈和轴承室配合公差设计有关，通过加抗蠕动剂、O型圈和修改配合公差三种方案的对比试验，验证改配合是更为有效的抑制措施。关键词：电动机；免维护轴承；轴承跑圈；公差配合CauseanalysisandcontrolmeasuresofamotorbearingrunningoutsideringChaozhi-Li

NieHe（CRRCZhuzhouElectricCo.,Ltd，Zhuzhou412000，China）Abstract:Aimingatthephenomenonofmaintenance-freerollingbearingrunningouterringinacertaintypeofmotor,throughtheanalysisofthecauseofrunningouterringofrollingbearing,itisclearthattherunningouterringofrollingbearingisrelatedtothedesignoffittingtolerancebetweenfloatingendbearingouterringandbearingchamber,andthecorrespondingeffectivecontrolmeasuresareputforward.Keywords:Motor;Maintenance-freebearing;Bearingrunningring;Tolerancematching引言目前在普通工业应用领域，大多数小型电机采用一端轴承固定，一端轴承浮动加波垫预紧的免维护滚动轴承布置方式，本文中的某型驱动电机的轴承配置也为这种方式，端盖为带钢套的铝合金材质，两端为同型号的免维护深沟球轴承，固定端轴承内圈与转轴以过盈配合进行径向和周向定位、轴肩以及轴用弹性挡圈轴向定位，外圈以轴承压板以及端盖台阶轴向定位，浮动端轴承内圈与转轴以过盈配合进行径向和周向定位、轴肩及轴用弹性挡圈进行轴向定位，外圈浮动，通过波形弹垫施加一定的预紧力，如图1所示。图1电机轴承布置方式该电机轴承的特性是在高温、低温等环境下能持久高速运行，且存在急变速、频繁启停等工况，轴承性能可靠性影响因素诸多且复杂。电机在运行时若存在滚动轴承跑外圈的现象，一方面由于轴承跑圈会把大量能量转化成了无用的热能和噪声，降低了运行效率，另一方面则会加剧配合部件的磨损，降低了机器精度，严重则会损坏设备。拆解电机发现，固定端轴承的配合公差为H7，外圈外径面和轴承室表面良好，未见轴承外圈与轴承室的异常。而浮动端轴承的配合公差为G7，外圈的外径面上有明显的锈蚀现象，用于给外圈施加预紧力的波形弹垫与外圈接触面有明显的相对磨痕，轴承室有明显的锈蚀痕迹，如下图2-图3所示，可见该电机的浮动端轴承出现明显的跑外圈现象。

图2轴承外圈外径面锈蚀

图3波形弹垫明显磨痕1.滚动轴承跑外圈原因分析在接触表面作微小往复摆动时，传递载荷的配合面会发生微动腐蚀，表面微凸体出现氧化并被磨去，最后发展成粉状锈蚀（如氧化铁），轴承表面发亮或者变成黑红色，这种失效现象一般是由于不合适的配合（配合不当或表面太粗糙）以及载荷和（或）振动造成的。微动腐蚀初期宏观上的表象是配合面呈现类似生锈的形貌。随着材质的迁移，配合面的配合进一步被破坏，微动腐蚀加剧则可能出现配合面大幅度的相对移动，就是我们俗称的“跑圈”现象。轴承跑圈是轴承内圈与转轴产生相对滑动（即轴承跑内圈）或轴承外圈与轴承座产生相对滑动（即轴承跑外圈），是轴承在运转过程中常见的一种轴承故障现象。轴承与轴的相互挤压力产生静摩擦，静摩擦力大于使他们相对滑动的扭力，所以轴承与轴、孔能保持相对静止，靠滚动体与内圈（或外圈之间）的旋转传递机械能。避免配合面产生摩擦-磨损的合理办法是正确选择轴承外圈的配合[1]。配合公差的选取原则：根据使用功能，滚动轴承内外圈相应地在轴和轴承座上进行轴向、径向和周向定位。轴承套圈和配合件之间不得有相对微动，否则会损伤配合表面。配合的松紧，应考虑即使在承受载荷、在运行中内圈与轴存在温差或者外圈与轴承座存在温差的情况下，也能保证过盈量。承受静止载荷套圈，由于与轴或轴承座之间不存在打滑的条件，故而，采用间隙配合或者过渡配合。其程度以运行条件要求的精度及套圈发生变形后，不造成载荷分布范围过小而定。1）轴承配置固定端轴承在轴的一端作径向支承，同时用于另个方向的轴向定位。因此固定端轴承必须同时固定在轴和轴承座上。径向及周向通常靠配合力实现，即轴承套圈采用过盈配合。一般采用结构锁紧件进行轴向定位；浮动端轴承仅用于径向支承，因需要具备轴向移动的功能，避免轴承之间产生相互的作用力，因此轴承套圈与其相连接的部件可轴向位移。2）载荷轴承的配合主要和轴承承受的载荷性质有关，承受旋转载荷的套圈，为了避免配合面产生剥落及磨损，原则上要采用过盈配合。如果采用间隙配合，套圈就会在轴或轴承座的配合面发生打滑，在载荷较大时，就会损伤配合面或造成微动磨损。3）端盖材质与工作温度为了减轻实现设备轻量化重量并便于及批量生产，滚动轴承专用的轴承座常采用非铁材料如铝基轻合金或塑料等（聚缩醛树脂）。在轴承座采用非铁材料时，因其轴承座与轴承（外圈）的线膨胀系数不同，故而，因此当轴承在运行中温度升高时，外圈与轴承室配合面的间隙或过盈量将与常温状态下不同。如果有不同于铸铁或钢的材料用于相邻结构，则必须考虑该材料的弹性模量和不同的热膨胀系数，以便能得到足够的紧配合。电机采用的是嵌钢套的铝合金端盖，测量端盖轴承室径向和轴向热膨胀量。表1端盖径向尺寸公差随温度变化情况温度实测值1实测值2实测值3实测值4平均值-40℃-55-65-60-60-60-20℃-25-30-25-25-26.250℃0-50-5-3.7520℃2025303026.2540℃4540404542.560℃5565606561.2580℃110100100110105100℃120120125120121.25表2端盖轴向尺寸随温度变化情况序号N端温度/℃N端端盖轴向尺寸/mmD端温度/℃D端端盖轴向尺寸/mm130.50.37230.50.952500.4537.80.933590.5244.10.91460.10.5950.70.9568.70.63555.70.896730.6761.90.877810.73630.85881.30.7973.80.835984.90.83574.80.821091.10.8879.90.81192.50.92580.10.7912940.9581.50.78根据测试结果可知：（1）采用嵌钢套的铝合金端盖轴承室相比较纯铝合金端盖轴承室有更趋向于钢的材料特性。（2）端盖轴承室公差为G7（0.012，0.047）mm，轴承尺寸公差（-0.013，0），轴承与端盖轴承室之间的配合间隙为（0.012，0.06）mm。根据测量值可知温升50K时，嵌钢套的铝合金端盖的径向膨胀变形量ΔL约为0.050～0.060mmm。受温度和端盖材质影响，轴承与轴承室之间的间隙增大至（+0.062～+0.12）mm，当电机的运行工况处于频繁的启停和高温时，轴承易因配合间隙过大而导致外圈跑圈。（3）根据测量值可知温升50K时，N端轴向膨胀量为0.358mm，D端轴向膨胀量为0.16mm，电机两端盖总体轴向膨胀量为0.518mm，转轴的轴向热膨胀量为0.16mm。因此电机总体约有0.358mm的轴向伸长量的变化。根据波垫的预紧力为5～10倍的轴承内径，轴承预紧力的估算值为275～550N，电机的原始波垫预紧力为270N。受温度影响，端盖轴向伸长使得波垫的压缩高度减小，预紧力减小。（4）根据端盖径向和轴向热膨胀量测量，以及滚动轴承跑圈原因分析，电机采用带钢套铝合金端盖，轴承与轴承室之间的配合间隙会随温度升高而增大，应采用更小的间隙配合或者过渡配合，采用过渡配合时必须满足有效工作游隙。2.抑制措施电机在实际的运行过程中存在急变速、频繁启停等工况，采用图4所示的快速启停试验模式，试验通65°热水进行轴承室优化措施的试验验证，10s加速至稳定速度，稳速运行20s，10s降速，暂停2s，正反转为一个试验周期。分别进行轴承室加抗蠕动剂、轴承室加O型圈、轴承室配合公差更改等三种优化措施的试验验证，出现跑圈则试验暂停，未出现跑圈则运行5760个循环周期停止。内圈跑套和外圈跑套都属于旋转松动，所以会有旋转松动频谱结构，但从结构分析滚动轴承跑外圈在频谱中会产生明显的4X，2X和3X，但是4X的幅值会略高，上述现象为间歇性跑套，如果是连续跑套，则底噪升高、将频谱连成一片[3]；采集轴承试验数据，进行滚动轴承跑圈故障特征频谱分析，可有效识别严重滚动轴承跑圈故障，如图5所示。（1）采用加抗蠕动剂、O型圈方案：电机经过一定循环周期的快速启停试验模式运行后，轴承外圈与轴承室之间很快发生严重的跑外圈现象，仅可用作解决滚动轴承跑圈的临时修补方案。（2）轴承室配合公差由G7改H6的方案：浮动端轴承的轴承室配合公差尺寸调整后，电机运行平稳，在整个循环周期内仅出现滚动轴承微动现象，因此配合尺寸公差调整为电机轴承跑圈现象的更佳解决方案。图4快速启停试验模式

图5加抗蠕动剂方案的振动频谱3.结束语明确了带钢套铝合金端盖电机滚动轴承跑外圈故障与电机浮动端轴承外圈与轴承室的配合公差有关。测定电机端盖的径向和轴向热膨胀量是了解材料特性和选择合适轴承外圈配合公差的一种手段，为后续同类电机的轴承室配合公差选取提供了指导依据。通过加抗蠕动剂、O型圈和改轴承室配合公差三种方案的对比试验，为发生该类现象提