李俊卿，李興林,張琳娜,張永恩

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 470001；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司 ，杭州 310022；3.浙江大學(xué) 機(jī)械與能源學(xué)院,杭州 310027)

某品牌的6303和6202軸承分別用于轎車交流發(fā)電機(jī)的皮帶驅(qū)動端和電刷端，在該轎車出廠檢測的過程中發(fā)現(xiàn)交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動端出現(xiàn)異常聲響，而該轎車的運(yùn)行總里程還不超過20 km?，F(xiàn)對其出現(xiàn)異常聲的原因進(jìn)行分析。

1 交流發(fā)電機(jī)異常聲分析

在滾動軸承運(yùn)行的過程中，軸承元件的表面損傷點(diǎn)反復(fù)撞擊與之接觸的其他元件表面而產(chǎn)生低頻振動，這些頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率。通過對監(jiān)測到的振動信號進(jìn)行技術(shù)處理，分離和突出故障特征信息，從而對軸承的早期故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷[1-2]。

拆下該交流發(fā)電機(jī)，用專用振動儀器在水平和垂直兩個方向分別測發(fā)電機(jī)5 000 r/min時的振動速度信號，并做包絡(luò)處理,其頻譜如圖1和圖2所示。

圖1 水平方向振動包絡(luò)頻譜圖

圖2 垂直方向振動包絡(luò)頻譜圖

滾動軸承故障特征頻率可以通過以下計(jì)算公式計(jì)算得到。

外圈故障特征頻率:

內(nèi)圈故障特征頻率：

鋼球故障特征頻率：

式中：Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節(jié)圓直徑；α為接觸角；Z為鋼球數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。對于6303軸承，Dw=8.731 mm,Dpw=32 mm,α=0,Z=7；對于6202軸承，Dw=6.000 mm,Dpw=25.260 mm,α=0,Z=8。由此可得，在5 000 r/min下6303軸承的內(nèi)、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=371.25 Hz，fe=212.09 Hz，fw=282.69 Hz；6202軸承的內(nèi)、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=412.51 Hz，fe=254.16 Hz，fw=331.04 Hz。

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電機(jī)的振動速度頻率譜中存在明顯的6303軸承內(nèi)、外圈及鋼球故障特征頻率，且軸承內(nèi)、外圈的故障特征頻率的幅值明顯比鋼球的要高,可以初步判斷交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動端軸承已經(jīng)出現(xiàn)故障，交流發(fā)電機(jī)的異常聲應(yīng)該由此引起。軸承失效的根本原因需進(jìn)一步分析。

2 軸承檢測和失效分析

2.1 摩擦力矩的檢測

用手旋轉(zhuǎn)該軸承，有輕微的間歇卡滯感。

2.2 振動速度的檢測

在軸承振動速度專用檢測儀上用電感式傳感器[3]檢測該軸承的振動速度和噪聲水平。其噪聲水平和振動數(shù)值均很高，其中振動速度值超過了1 mm/s，大大超出振動速度的質(zhì)量控制范圍。檢測結(jié)果與交流發(fā)電機(jī)的振動頻譜圖相吻合。

2.3 尺寸公差和徑向游隙檢測

在軸承專用檢測儀上檢測該軸承尺寸公差和徑向游隙，均在質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)(表1)，排除了制造精度引起軸承損傷的可能性。

2.4 拆分檢測

去掉該軸承的密封圈，觀察軸承內(nèi)部的情況，潤滑脂已經(jīng)變成黑褐色,且聚酰胺保持架已變成黑色，很明顯軸承內(nèi)部已經(jīng)受到了嚴(yán)重污染。分拆并清洗掉軸承的潤滑脂，在立式顯微鏡下檢查軸承內(nèi)、外溝道和鋼球，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外溝道上均有7處等間距的銹蝕點(diǎn)，且這些銹蝕點(diǎn)分布在溝道的同一側(cè)，鋼球上也有局部銹蝕點(diǎn)，如圖3所示。這些特征表明，軸承溝道和鋼球的局部已經(jīng)產(chǎn)生了典型的濕氣腐蝕，是軸承處于平放狀態(tài)或安裝到交流發(fā)電機(jī)上之后由水或潮氣引起的。

圖3 滾道銹蝕點(diǎn)示意圖

2.5 潤滑脂紅外光譜對比檢測

為了進(jìn)一步確定軸承內(nèi)部受到何種程度的污染,在紅外光譜儀上對該軸承的潤滑脂和新潤滑脂做了紅外光譜的對比檢測,檢測結(jié)果如圖4所示。由圖4知，兩者沒有明顯差異，說明軸承潤滑脂性能未嚴(yán)重劣化。但在元素分析中發(fā)現(xiàn)，舊油脂中含有較高的鐵、鈉、鈣等元素，此為外界污染物侵入潤滑脂并引起軸承磨損或銹蝕所致[4-7]。此結(jié)論和軸承拆分檢測結(jié)果基本相吻合。

圖4 新、舊潤滑脂的紅外光譜對比檢測

3 失效模式的討論

3.1 汽車模擬測試過程中水/水汽進(jìn)入軸承的可能性

該汽車在終檢模擬測試過程中，在運(yùn)轉(zhuǎn)的交流發(fā)電機(jī)處安裝了5個水平噴水嘴和15只垂直噴水嘴，噴水嘴噴出的水具有一定的壓力和流量。理論上高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封深溝球軸承的密封圈是不能有效防止動態(tài)壓力水侵入的，因此在該試驗(yàn)驗(yàn)證條件下很可能會引起水/水汽侵入軸承內(nèi)部。如果要有效地防止動態(tài)壓力水的侵入，則需要附加專門的工業(yè)密封。但是由于該應(yīng)用條件下的軸承通常處于交流發(fā)電機(jī)皮帶和殼體之間的半封閉狀態(tài)的空間里(圖5)，試驗(yàn)驗(yàn)證表明其在實(shí)際的應(yīng)用中是不太可能受到動態(tài)壓力水的直接沖擊，而僅僅會受到水汽或少量飛濺水的入侵，因此該汽車終檢方法有待商榷。

圖5 交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動端軸承位置

3.2 密封圈損傷的可能性

為了證實(shí)軸承的密封圈是否存在損傷，檢查了軸承密封圈的外表面和隔圈的尺寸。結(jié)果表明：密封圈完好，隔圈的尺寸也在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，均未有異常情況。

3.3 防動態(tài)液壓水性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證軸承的密封是否具有防動態(tài)壓力水的性能，對5套軸承依照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分別做了靜態(tài)水、靜態(tài)壓力水、動態(tài)壓力水(且軸承旋轉(zhuǎn))

等試驗(yàn)，結(jié)果表明該軸承內(nèi)部未侵入大量液體，防水性能良好。這說明在實(shí)際應(yīng)用中，軸承本身的密封可以在一定程度上防止較小壓力和流量的動態(tài)壓力水侵入軸承內(nèi)部。

4 結(jié)束語

通過診斷和分析可知，該交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動端軸承的異常聲主要是由于水或潮氣侵入其內(nèi)部，使其受到濕氣腐蝕而產(chǎn)生失效所致。另外，考慮到實(shí)際使用工況，汽車制造企業(yè)應(yīng)對汽車交流發(fā)電機(jī)的測試方法作適當(dāng)改進(jìn)，且對該軸承采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性工業(yè)密封，以避免該軸承在試驗(yàn)階段的非正常失效。