减少滚子轴承擦伤的轴承参数选择及环境条件改善方法

摘要

一种减少滚子轴承擦伤的参数选择及环境条件改善方法，通过生产、维修组装时对轴承参数的科学选择，合理减小轴承的整体游隙和局部滚子直径偏小所致的局部动态大游隙，通过在传动系统设计或维修时，创造避免轴承发生突然加载或突然改变承载区和避免滚子加速旋转的条件，取得大幅度地降低轴承的擦伤故障率，有效地提高机器的安全性、可靠性和轴承使用寿命，并节约维修费用、工时的良好效果。

说明书

技术领域

本发明属于轨道交通等含有轴承或/和齿轮的传动系统可靠性设计技术领域，具体涉及一种减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择及环境条件改善方法。

背景技术

在飞机机轮轴承、航空发动机主轴承、轨道交通车轮轴承、轨道交通驱动电机轴承中，比较多见的故障是所使用的圆柱或圆锥滚子轴承发生擦伤故障，有的轴承外环擦伤、内环擦伤，也有滚子擦伤。这些擦伤故障如未及时发现、维修、更换、排除，就会引起严重的事故，轻则引起强烈的振动、冲击，危害轴承及相邻部件安全，重则引起热轴固死，导致机毁人亡的事故。

例如文献《TB飞机起落架机轮轴承失效的原因》报道：“B8913号TB20飞机在执行本场起落训练过程中，飞行教员发现飞机着陆滑跑、起飞滑跑及起飞以后，飞机发生剧烈的抖动甚至于越来越剧烈，造成飞机滑跑困难。飞行教员果断采取措施，退出飞行训练。经机务人员检查发现：前机轮轴承由于高温而熔化咬死，带动轮轴旋转，轮轴与轮叉发生滑动干摩擦，产生的热量将轮轴和轮叉部分熔化，产生巨大的变形，机轮组件几乎从轮叉上脱落。由于飞行教员果断的抉择，才避免了一场安全事故的发生。”

该文献在分析故障原因时指出“着陆时，机轮接地的瞬间首先主要是受到巨大的静止垂直冲击载荷，继而机轮以很高的加速度加速达到与飞机同样的速度在地面滑跑。如果飞机产生了重着陆，轴承在未运转的状态下承受这种冲击载荷的危害是很大的。”

此类故障的类似表现，是常见的飞机机轮与机场跑道的擦伤：着陆时，不转的机轮突然接触相对线速度很高的跑道，橡胶的机轮被擦伤，在跑道上留下很长的橡胶印痕。

除了上述这种极端的从不转突然加速到高速旋转的旋转体表面出现擦伤之外，两个突然接触的表面之线速度不同时，也同样出现擦伤，例如轴承中滚动体从在非承载区的低旋转线速度状态进入到承载区需立即加速到正常的线速度时，常常引起滚动体圆周、内环滚道和外环滚道擦伤。

防止这些轴承的此类故障引发事故的常规方法，是频繁地定期更换轴承，例如某些飞机机轮轴承的维修规程规定为每半年更换一次轴承；较为科学的方法是通过故障诊断发现故障或或扩展到邻近风险时维修、更换轴承，例如我国当前的轨道交通轴承便加装了在线故障诊断系统来防止轴承故障引发事故。至于为何某些机器的轴承故障多发，例如SS3Z机车的轴箱轴承便大量发生擦伤故障，而同样的轴承用于其它车却很少甚至不发生擦伤故障的原因及如何防止发生此类故障的理论、方法，却鲜有研究，更没有发现相关报道。

发明内容

通过调查、分析轴承擦伤故障多发的轴承参数、环境条件及擦伤故障的形态特征，研究其发生擦伤故障的机理，归纳发生擦伤故障的内因和外因，提出减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择方法及环境条件改善方法，达到减少此类故障率、保障安全、减少维修工作量、减少备品消耗、提高经济效益的目的。

轴承承受径向载荷的部位是承载区。例如，飞机机轮轴承的内环不转动，连接于不转的轴，通过该轴支撑起落架和飞机，而外环通过轴承座与可旋转的橡胶机轮连接，其静态承载区位于垂直线的下方；轨道交通车轮轴承的外环不转动，连接到轴承座，支撑转向架和车体，而内环与旋转的车轴及车轮连接，其静态承载区位于垂直线的上方。在理想的正常状况下运转时，相互接触的(内环、外环、滚子)零件表面的相对线速度相等，使两者处于纯滚动、不滑动的状态，就不会发生擦伤。例如：外环固定的轴承，结构设计为既保证滚子表面与不转的外环表面有相对相同的线速度，即两者表面在“瞬心”处的相对线速度差为零，又保证滚子表面与转动的内环表面有相对相同的线速度，即两者表面的相对线速度差也为零。但若某种因素使得相互接触的滚子与内环或滚子与外环的相对线速度不同，就会在从不同变为相同的瞬间出现相对滑动而相互擦伤。例如在着陆瞬间，不转动的飞机机轮突然接触跑道而突然加载、旋转时，飞机机轮轴承的外环也从不承载、不转动突然加载并加速到高速旋转，滚子便从不转而通过与转动外环的加载摩擦加速到高速自转，于是，在此瞬间发生滚子、外环的擦伤。轨道交通车轮的轴箱因为存在游隙，并因轴承的承载区在上方而使游隙集中在下方，则当滚子处于承载区内时，滚子因被内外环对其加载压紧而合理滚动，具有正确的自转速度。但它转出承载区，进入轴承的旋转前方和下方的非承载区，以及公转到即将再次进入承载区时，由于不承受内外环对其压力，即载荷，由于润滑脂对其自转的阻尼，其自转的速度大幅度降低，以致当它公转到再次进入承载区时，便发生突然承载、突然加速到正常自转速度的过程，加之滚子同时因受到内外环突然对其加载压紧的作用力，而又与内外环发生瞬间的打滑，从而使自身和内外环与之接触的表面擦伤。

在工业领域，对于在出厂时已经组装为一体的所谓“整套轴承”，所述轴承游隙，是指轴承在未安装于轴或轴承箱时，将其内圈或外圈的一方固定，然后使轴承游隙未被固定的一方做径向或轴向移动时的移动量。根据移动方向，可分为径向游隙和轴向游隙。这类轴承的原始游隙由制造决定。但用于不同行业、用于不同的机械、用于同一机械的不同载荷的部位，游隙合理选择均有不同规定，一般均应根据国家标准GB/T4604《滚动轴承径向游隙》决定。

在工业领域，对于在出厂时没有组装为一体的，而是在转轴上安装后各零部件才相对定位的轴承，由于安装条件(相对位置)最终决定游隙，故所述轴承游隙，通常就是“安装游隙”。不当的、所谓“不到位”的安装通常是引起游隙不合理的(超大)因素，因此，凡是由安装决定轴向游隙的轴承，至少需在安装后保障安装游隙符合GB/T4604《滚动轴承径向游隙》。

更优的轴承参数选择，还应当充分调查其运行条件对游隙的影响，做出预先选择修正，以使轴承的“工作游隙”，即轴承在实际运转条件下的游隙符合GB/T4604《滚动轴承径向游隙》的要求。

归纳的上述引起擦伤的机理分析规律为：

1，轴承的游隙越大，包括直径小的滚子对应的局部游隙越大，则发生上述擦伤的几率也越大；

2，造成突然加载和加速旋转的外因环境条件的机会越多，发生擦伤的几率也越高。

因此，一种减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择及环境条件改善方法，其特征是，改善内因的轴承参数选择方法是合理减小轴承的游隙；改善外因即环境条件的方法是避免发生突然加载或突然改变承载区和加速旋转。

所述合理减小轴承的游隙或间隙，至少含有下述公知的操作步骤：

步骤1，按照国家标准GB/T4604《滚动轴承径向游隙》选择整体轴承；

步骤2，凡是由安装决定轴向游隙的轴承，至少需在安装后保障安装游隙符合GB/T4604《滚动轴承径向游隙》；

步骤3，对轴承游隙做出预先选择修正，以使轴承的“工作游隙”，即轴承在实际运转条件下的游隙符合GB/T4604《滚动轴承径向游隙》的要求。

诊断检测进一步发现：不仅在轴承的整体游隙偏大时发生擦伤，而且在整体游隙合格时，由于个别小滚子的直径偏小，它对应的局部游隙偏大，也会因上述机理而发生擦伤。

因此，合理减小轴承游隙，还包括减小轴承的小直径滚子所致的局部动态大游隙，即剔除引起局部大游隙的小直径滚子，更换为与其它滚子直径相同的滚子。

进一步，使用本发明对飞机机轮进行改进时，设置一个“附加叶轮”，“附加叶轮”与飞机机轮的轴承座同轴连接，利用着陆前相对飞机和起落架高速运动的空气，驱动“附加叶轮”的下半部，使机轮顺着着陆后旋转的方向旋转。

进一步，为使相对飞机和起落架高速运动的空气只能吹到“附加叶轮”下半部，驱动机轮发生的转动为顺着机轮着陆后的旋转方向的转动，在飞机机轮的轴承座上同轴加装附加叶轮的同时，还在起落架或/和不转轴上加装一个“上半叶轮挡风罩”。通过对叶轮系统的流体力学和空气动力学计算或/和通过试验修正，实现在着陆时使机轮的转动线速度从低速接近着陆后的线速度。

进一步，为了改善引起轴箱轴承擦伤的外因，即环境条件，避免所述环境条件导致轴箱轴承发生突然改变承载区并突然加载和避免新的承载区内滚子突然加速旋转所导致的擦伤，不仅维修发生擦伤故障的轴箱轴承或更换为新轴承，而且关键是维修或更换为有合理间隙即游隙的抱轴承，间隙或游隙符合GB/T4604《滚动轴承径向游隙》的要求。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

通过生产、维修组装时对轴承参数的科学选择，合理减小轴承的整体游隙和局部滚子直径偏小所致的局部动态大游隙，通过在传动系统设计或维修时，创造避免轴承发生突然加载或突然改变承载区和避免加速旋转的条件，便能取得轴承的擦伤故障率大幅度地下降的效果，有效地提高了机器的安全性、可靠性和轴承使用寿命。

说明书附图

附图1为飞机机轮附加启动叶轮的示意图，

附图2为轨道交通轴箱轴承的正常承载区和齿轮传动示意图，

附图3为抱轴承间隙增大而车轮左行时轴箱轴承副承载区左移示意图，

附图4为抱轴承间隙增大而车轮右行时轴箱轴承副承载区右移示意图，

附图5为滚子擦伤引起诊断系统报警的信息图。

图中：1——飞机的轴承座；2——飞机的轴承；3——飞机的不转轴；4——飞机的起落架；5——附加叶轮；6——上半叶轮挡风罩；7——飞机的胶轮；8——转向架；9——主承载区；10——弹簧；11——轴箱；12——车轮；13——大齿轮；14——电动机；15——小齿轮；16——左行副承载区；17——右行副承载区。

具体实施方式：

实施例一，合理减小轴承的游隙防止轴承擦伤

在某些火车客车轴箱轴承中常见的滚子和外环擦伤，是因为维修时轴承被拆散检修，或生产时的内环、外环和滚子是分别加工的，在组装为轴承时，先测量外环的滚道直径DW、内环的滚道直径DN，然后测量大量滚子的直径d，按照轴承的游隙Y符合规程规定的游隙范围，即Y大于最小允许游隙Y1并且Y小于最大允许游隙Y2的规程，按照公式：

d1＝0.5*(DW-DN)-Y1，

d2＝0.5*(DW-DN)-Y2，

式中，d1表示滚子最大允许值，d2表示滚子最小允许值，由公式计算出滚子直径的允许范围d1>d>d2，选用符合所需直径d的并尽量一致的滚子组装成轴承。对组装后的轴承进行整体游隙测量，以保证整体游隙合格。

由于存在测量误差和选配偏差等因素，使得某些组装后的轴承的整体游隙Y实际超过最大允许值Y2，或者虽然整体游隙合格，但因个别滚子的直径接近甚至小于允许的最小值d2，它所引起的局部游隙实际超过最大允许值Y2，并因为组装后测量的整体游隙实际上是由直径大的那些滚子所决定的，于是，在运转中至少发生直径偏小的滚子因实际游隙偏大而在非承载区自转速度降低，当它公转到进入承载区时，因为突然承受内外环所施加的载荷并强迫驱动其加速而发生沿着滚子轴向的贯通式擦伤，同时也发生外环的沿着滚子轴向的贯通式擦伤，或还有内环的沿着滚子轴向的贯通式擦伤。

对车载在线自动监测时发生滚子圆周(即滚双)报警的轴承分解检查时发现，一套轴承中往往只有几个滚子擦伤；进一步的测量表明：所述擦伤的滚子是该轴承所有滚子中直径最小的滚子，或还有最小直径滚子旁边的大直径滚子。因为当大直径滚子在前而小直径滚子在后时，通常只发生小滚子擦伤；而当小直径滚子在前而大直径滚子在后时，则小滚子和大滚子都会擦伤。

上述发生擦伤的原因符合归纳因素1所述的“轴承的游隙越大，特别是直径小的滚子对应的局部动态游隙越大，发生擦伤的几率也越大”的特征。因此，一种旨在改善内因以减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择及环境条件改善方法之一，是合理减小轴承游隙，包括减小小直径滚子所致的局部动态大游隙，即剔除引起局部大游隙的小直径滚子，更换为与其它滚子直径相同的滚子。

实施例二，加装机轮气动驱动装置减缓机轮和轴承擦伤

飞机机轮轴承如果不发生着陆时的突然加载和滚子加速旋转，将基本上不会发生擦伤故障。但防止出现“造成突然加载和加速旋转的外因环境条件”之“突然加载”是不可避免的，而防止“突然加速旋转”是可通过本实施例的方法实现的，从而也就能缓解或减少轴承擦伤。

此前，已有许多人在探索该技术途径，但都因为其技术方案是要给机轮增加驱动装置，将带来如电源、电机、变速器、速度检测器、速度控制器、机轮是否接触跑道的监测、在机轮接触跑道后停止驱动等复杂传动机构，和因为这些复杂机构存在出现故障的因素等，而始终未能实现。

飞机机轮轴承的故障机理分析表明：在着陆之前，如能令轴承能够(顺着着陆后的旋转方向)旋转起来，使轴承的滚动工作面之间建立油膜，以防止未建立油膜时的突然加载转动所致的金属直接接触擦伤，便能取得较好的防止擦伤的效果；如能使上述着陆前的机轮转速增加到接近着陆后的转速，则能取得较完美的防止擦伤的效果。

因此，提出一种不用上述复杂传动机构的减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择及环境条件改善方法是，对飞机机轮进行改进，利用着陆前相对飞机高速运动的空气，驱动一个与机轮轴承外环轴承座同轴连接的叶轮的下方，使机轮顺着着陆后旋转的方向旋转，则可降低机轮对跑道的相对线速度差，缓解飞机胶轮的磨损；同时，也因为在着陆前轴承已经高速旋转而防止从静态突然加速到高速旋转时的轴承擦伤。

如附图1所示，在机轮轴承座1上同轴加装一个“附加叶轮”5，在起落架4或/和不转轴3上加装一个“上半叶轮挡风罩”6。相对飞机和起落架4高速运动的空气因只能吹到“附加叶轮”5的下半部，而使它驱动机轮发生的转动为顺着机轮着陆后的旋转方向的转动。通过对叶轮系统的流体力学和空气动力学计算或/和通过试验修正，可望在着陆时使机轮的转动线速度从低速接近着陆后的线速度，而达到至少防止从不转动突然加速到高速转动的胶轮7擦伤和轴承2擦伤的环境条件改善的效果。为了减轻重量，附加叶轮和上半叶轮挡风罩可以使用铝合金制造。

实施例三，防止轨道交通轴箱轴承突然加载和滚子加速旋转外因导致擦伤的环境条件改善方法

轴承必须有必要的游隙，以防止热膨胀之类的原因导致轴承卡死。在轴承的整体游隙及局部动态游隙合理(较小)的前提下，虽然滚子转动到非承载区因不承受内外环相对转动的磨擦力而可能降低转速，但在再次进入承载区前，因为整体游隙较小而使滚子在与内外环之间的间隙也减到很小，滚子的自转速度已经开始增加到接近于在承载区中不打滑的自转速度，并且其所承受的载荷是逐渐增加而不是突然增加的，因此不会发生打滑擦伤。

但是，在轨道交通领域的车轮轴箱轴承却存在着因为突然改变承载区而发生擦伤的因素。

附图2为轨道交通动力车轮的传动系统及轴箱轴承示意图。电动机14通过同轴安装的小齿轮15驱动大齿轮13，大齿轮13与车轮12同轴安装，从而驱动车轮12运转。电动机14安装在车体下方的转向架8上，车轴与抱轴承的内环固定，抱轴承的(外环)轴承座与电动机14连接，以期保证车轴与电机轴(亦即大齿轮轴与小齿轮轴)有固定的距离。车轴的两端安装在轴箱轴承的内环中，由于车重通过转向架8和车轮轴箱11(即轴承的外环轴承座)之间的弹簧10施加在在轴箱上，而车重通常大于牵引力，所以轴箱轴承的设计承载区为轴箱轴承上方的主承载区9。

当抱轴承的间隙因为磨损而增大时，如附图3所示，若车轮向左行驶，即车轮在前电动机14在后时，则因为抱轴承内环与外环因间隙增大不能正确限位，则大齿轮13将向左离开小齿轮12，而迫使轴箱轴承的内环随车轴左移，而因为外环及轴承座与车体及电动机14相对固定，于是，轴箱轴承左边变为副承载区16。特别是在牵引力增大时更甚。

当抱轴承的间隙因为磨损而增大时，如附图4所示，若车轮向右行驶，即车轮12在后电动机14在前时，则因为抱轴承内环与外环因间隙增大不能正确限位，则大齿轮13将向右靠近小齿轮15，而迫使轴箱轴承的内环随车轴右移，而因为外环及轴承座与车体及电动机14相对固定，于是，轴箱轴承右边变为副承载区17。特别是在牵引力增大时更甚。

在惰行(即因惯性自由滑行)、下坡时，电动机14不输出扭矩。此时，即使抱轴承的间隙已经增大，轴箱轴承的承载区仍在轴承上方的主承载区。但是，车轮踏面不免出现损伤，特别是轨道存在接缝或者焊缝，在车轮越过踏面损伤或轨道焊接缝之前，车轮将因为受到突然出现的阻力而突然滞后，轴箱轴承的承载区将由主承载区突然变为与行进方向相反方向的副承载区，而在越过阻力位置之后则突然超前，轴箱轴承的承载区将由主承载区突然变为与行进方向相同方向的副承载区，这都将引起位于副承载区的、自转速度低于承载区自转速度的滚子突然承载并加速到正常的自转速度，于是在副承载区发生滚子的甚至外环、内环的擦伤，车载诊断系统发出轴箱轴承的滚子圆周(滚双)故障报警如附图5，特别是在更换为新轴承后仍然很快发生擦伤故障，而同样型号的轴承在其他型号的车上则长期正常。

调查发现：特别多发轴箱轴承发生擦伤故障的车，其抱轴承绝大多数使用的是滑动轴承，它由装载轴承座中的巴氏合金的抱轴瓦与车轴组成，由于长期运用磨损，该抱轴承的间隙严重扩大，或使用了非正规加工的再生瓦本身就存在局部缺陷(瓦与瓦座即轴承座之间存在间隙)，以致引起了上述机理分析所述的故障形式。

为解决上述轴箱轴承擦伤故障多发的问题，提出了一种减少滚子轴承擦伤故障的轴承参数选择及环境条件改善方法，改善引起轴箱轴承擦伤的外因，即环境条件，避免该环境条件导致轴箱轴承发生突然改变承载区并突然加载和避免新的承载区内滚子加速旋转所导致的擦伤。具体的方法是：不仅维修车载监测系统发现已经发生擦伤故障的轴箱轴承或更换为新轴承，而且关键是维修或更换抱轴承，使其有合理的间隙(等同于游隙)。

根据所提出的抱轴承参数(间隙)选择方法维修或更换抱轴承，实现了轴箱轴承的环境条件改善，防止了轴箱轴承的擦伤故障多发现象，取得了良好的提高了机器的安全性、可靠性和轴承使用寿命并节约维修费用、工时的效果。