16V240ZJD型柴油机中间齿轮轴承装配故障分析及防止措施

　　通过调查表1中6例故障有如下特点：
　　（1）支架轴断裂部位在退刀槽处，靠法兰侧Ø75mm轴颈过热发兰，断口上折皱呈纤维状，沿齿轮顺时针（面对柴油机输出端）旋转方向分布，属于明显扭转断裂。
　　（2）D7215轴承预紧M64×1.5螺母松旷，必伴随有开口销剪断或螺母崩块，外轴承内圈在轴颈上能转动，保持架飞边、变形，小隔套两侧、垫片压边磨损。
　　（3）发生在中修过的D型柴油机上。
　　2　原因分析
　　2.1 中间齿轮装配结构不合理
　　D型柴油机齿轮系统采用圆柱直齿齿轮传动，曲轴齿轮通过中间齿轮，左右侧大、小过轮传递凸轮轴齿轮，具体结构如图1，中间齿轮同时与3个齿轮啮合，其装配为悬臂式支架轴安装型式，用2个圆柱销定位，6个M22×1.5螺钉把中间支架轴紧固于机体自由端侧壁上，齿轮内孔装配有双列背对背圆锥滚柱轴承，承受轴向和径向负荷，用M64×1.5螺母对轴承进行轴向定位预紧，大隔套定位轴承外圈，小隔套调整齿轮轴向间隙，即轴承的工作游隙。从其结构特点来看，悬臂式齿轮轴结构稳定性差，在轴根退刀槽外容易产生应力集中，是整个支架轴Z薄弱的环节；支承轴承采用双列背对背圆锥滚柱轴承排列，虽然传动精度高、刚度大，结构紧凑，但由中间齿轮装配结构尺寸可知，两个轴承外圈锥尖是相交的，支承件工作时，因温差影响，内、外圈径向膨胀量大于轴向膨胀量， 工作游隙减少甚至消失，影响轴承性能。
　　2.2 中间齿轮装配工艺性差
　　中间齿轮装配工艺差，一是结构特点决定的，中间齿轮与曲轴齿轮，左、右两侧大过轮同时啮合，其齿轮加工精度、装配要求高，而在实际检修作业中，往往存在着齿轮啮合间隙调整偏上限或者齿轮支架轴间不平行，齿轮装置传递力矩过程中，出现附加力矩，并与齿轮啮合力，因振动而形成的冲击力叠合，对支架轴产生一个很大的弯曲力矩，当轴根危险截面处所承受的Z大弯曲应力大于许用应力[δ_w]_max，很容易发生支架轴断裂。其次，轴承设计使用寿命为一个厂修期，而大部分轴承在一个中修期后必须更换，D型柴油机中间齿轮轴承轴向定位预紧有两种方式：①外轴承内圈用M64×1.5螺母紧固，开口销防松；②外轴承内圈用压板、螺钉紧固， 弹簧垫片和钢丝防松，不在支架轴上另外加工M64×1.5螺纹。前者组装调整轴承游隙时，支架轴上开口销孔与螺母上槽口往往产生干涉，轴承内圈与轴颈配合过盈量为0.01~0.03mm，拆卸、装配内圈必须在不超过100℃油温中预热处理，作业者具体调整时，需反复多次，将造成轴承内圈产生变形，轴颈拉伤，达不到装配要求；后者组装时不能进行轴向间隙调整，需靠设计尺寸保证。
　　2.3 中间齿轮轴承游隙调整不当
　　滚动轴承的游隙分为径向游隙u_r和轴向游隙u_o， 两者之间有一定对应关系。合理地选择轴承工作游隙，应在原始游隙的基础上， 考虑到配合，内外圈温度以及负荷等因素所引起的变化决定Z佳值，D型柴油机段修规程规定中间齿轮轴承工作游隙（即轴向间隙）为0.10~ 0.25mm，此间隙值调整不当会极大影响轴承工作可靠性。
　　（1）轴承游隙过小，会引起滚柱犯卡、烧结等故障。可以对轴承进行受力分析，如图2（以外侧轴承一个滚柱为例）。
　　外侧D7215轴承负荷，可以简化为垂直支架轴轴线的径向力F_r，当推力圆锥滚柱轴承受径向力F_r时，会产生一个附加的轴向力S， 设F_ri为某一承载滚柱的径向分力，产生的附加轴向分力为S_i，则存在如下关系
　　式中Y——当量负荷系数。
　　而实际附加轴向力应是所有承载滚柱之和，即
　　这个力迫使轴承内圈及滚柱向外侧（即向螺母方向）移动，其结果是滚柱的端面挤压到内圈的大端边上。当轴承游隙过小时，滚柱因挤压超限，破坏了内圈大端边的润滑油膜，形成混合摩擦而产生一个巨大的转动力矩，这个力矩的危害结果有可能带动内圈转动或者直接碾伤内圈滚道。对于外侧轴承内圈，因处于较好滴油润滑状态，内圈与轴颈发生相对转动，转动力矩只带动垫片，从而松动螺母；对于内侧轴承内圈，因油润状态恶劣，完全处于干摩擦状态，会严重拉伤轴颈，破坏支架轴强度。
　　（2）轴承油隙过大，滚柱对保持架形成交变冲击载荷，影响保持架使用寿命，尤其当柴油机高负载工况发生突变时更为明显。圆锥滚柱轴承属于线接触轴承，根据应力按半椭圆分布关系，滚柱两端部的边缘应力高于中部应力，边缘应力对滚柱的承载能力影响很大，当轴承工作油隙调整过大，滚柱会在滚道内作曲线冲击运行，即承载滚柱对保持架冲击与分离，使保持架产生飞边、变形，同时产生的附加轴向力松动M64×1.5螺母。
　　2.4 中间齿轮轴承润滑状态差
　　D型柴油机自由端盖内设计布置了4根油管供油给齿轮啮合润滑，然而没有专门油管供油给D7215轴承润滑，中间齿轮支架轴的两套D7215轴承仅能得到齿轮等飞溅来的机油，加上轴承组装是卧嵌式，其端面有压盖及螺母，阻碍油流进入轴承，因此能进入轴承的机油比较少，根本保证不了轴承各摩擦副有持续稳定的油膜。
　　3　防止措施
　　通过前面的分析，认为D型柴油机中间齿轮设计结构、装配工艺存在某些不合理，是轴承故障的外界因素，中间齿轮装配正常状态使用应是一个厂修期，但由于轴承工作游隙调整不当，又会使这些不合理的结构和工艺的影响更为突出。因此，在D型中修柴油机上制定了如下技术措施，并收到良好效果。
　　（1）严格按有关工艺要求组装支架轴、各齿轮、轴承组件，控制标准重新规定为中间齿轮与曲轴齿轮啮合侧隙为0.25~0.40mm， 与左、右大过轮齿轮副侧隙为0.20~0.40mm；同一齿上均分三点压铅检测啮合间隙，其差值不允许超过0.005mm；D7215轴承内圈与轴颈，外圈与齿轮孔必须进行预热装配，但温度不超过100℃。
　　（2）更换D7215轴承时，必须重新调整轴向间隙，其方法如下：
　　①用假支架轴（轴颈为Ø85.5mm，便于拆卸内圈与小隔套）进行轴向间隙预调整。
　　②若间隙不对，可对Ø85mm小隔套进行磨削调整，禁止使用其它方式来调整轴向间隙。
　　③轴向间隙值由规定的0.10~0.25mm改变为0.12~0.15mm更为合理，减少冲击载荷对轴承的损坏。
　　（3）在柴油机自由端盖板内侧加装供中间齿轮轴承润滑的机油管，对D7215轴承进行油浴润滑。
　　参考文献
　　[1]徐灏.机械设计手册.北京:机械工业出版社,1991.
　　[2]铁道部大连机车车辆工厂.240/275系列柴油机原理、结构、维修及故障处理.大连:大连理工大学出版社,1993.
　　[3]16V240ZJD柴油机运用和保养说明书.大连机车车辆厂,1996.