某深溝球軸承的故障分析與改進

高 亮，王松濤，劉軍和

（中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

某深溝球軸承的故障分析與改進

高 亮，王松濤，劉軍和

（中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

通過對故障軸承的檢查分析，找出軸承產(chǎn)生故障的原因，并從設計角度采取了改進措施，對改進結(jié)果進行了驗證，提高了軸承的可靠性。

深溝球軸承；故障分析；軸承設計；改進措施；可靠性

1 前言

某深溝球軸承為燃油增壓泵配套，在使用到壽復檢時，發(fā)現(xiàn)多起軸承保持架斷裂故障。經(jīng)過對該軸承制造過程的人、機、料、法、環(huán)、測等幾方面影響因素的深入復查，未發(fā)現(xiàn)軸承存在制造質(zhì)量問題。對使用到壽的34套軸承進行了復檢，多數(shù)軸承出現(xiàn)保持架異常磨損、兜孔局部變薄、套圈溝道表面接觸軌跡偏向一側(cè)等情況。由此可以判斷，即使燃油增壓泵壽命周期內(nèi)沒有發(fā)生故障，但仍舊存在一定的安全風險，該型軸承不能滿足燃油泵的可靠性要求。找出故障原因，制定有效改進措施，勢在必行。

2 故障件的檢測

針對已到壽的典型故障軸承進行檢查分析，可以看出：

（1）軸承外觀整體顏色光亮，內(nèi)、外套圈表面未見損傷，一粒鋼球所在保持架兜孔根部靠近一側(cè)鉚釘鉚合處已開裂斷開，開裂形貌見圖1。

圖1 故障軸承整體外觀

（2）將故障軸承外圈剖開分解后發(fā)現(xiàn)，外圈溝道底部靠近打字端一側(cè)有較明顯的變色接觸軌跡，接觸軌跡距離溝中心約1mm，寬度約為1mm，已變粗糙，見圖 2。

（3）內(nèi)圈溝道沿溝底出現(xiàn)了圓周方向的斷續(xù)剝落，接觸軌跡略偏向非打字端一側(cè)，距離溝中心約1.5～2mm，寬度約為1mm，呈輕度爬坡特征，見圖 3。

圖2 外圈溝道底部接觸軌跡

圖3 內(nèi)圈滾道溝底剝落形貌

（4）保持架兜孔接近斷裂處已明顯磨損變薄并產(chǎn)生飛邊，拆掉鉚釘分離保持架后，可見保持架兜孔內(nèi)表面被鋼球摩擦變光亮，開裂兜孔內(nèi)表面更明顯，見圖 4。

圖4 保持架開裂兜孔磨損形貌

（5）軸承的7粒鋼球表面完整，均有不同程度的高溫變色，但仍有金屬光澤，開裂兜孔處的鋼球外觀未見異常，見圖 5。

圖5 故障軸承的鋼球形貌

以上故障形貌中，內(nèi)溝道剝落部位經(jīng)掃描電鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)夾雜等材料缺陷，剝落源處有金屬凸棱，凸棱呈弧形分布并向剝落心部逐漸擴展，該剝落性質(zhì)為疲勞剝落，見圖 6。

圖6 掃描電鏡下觀察剝落處形貌

圖7 能譜分析結(jié)果

圖8 軸向載荷過大時深溝球軸承內(nèi)、外溝道失效模擬圖

圖9 極限推力載荷下的球-滾道接觸模式

對剝落部位進行能譜分析，未發(fā)現(xiàn)除基體以外的其它元素，見圖 7。

對故障軸承的內(nèi)、外套圈及鋼球進行淬回火組織及硬度檢測，其淬回火組織及硬度均符合GJB 269B-2012的規(guī)定，見表 1。進一步檢查內(nèi)圈金相試樣，未見高溫特征及組織異常。

表1 理化檢測結(jié)果

3 故障原因分析

失效軸承內(nèi)、外圈溝道均有較明顯的變色接觸軌跡，且接觸軌跡偏向一側(cè)。故障現(xiàn)象表明，軸承在工作中受到了較大的軸向載荷，其接觸軌跡與較大的軸向載荷造成的軸承失效模式相近，如圖8所示。當軸承受到較大的軸向載荷，會使鋼球脫離承載區(qū)運轉(zhuǎn)，軸承徑向游隙減小，導致很高的接觸應力和表面摩擦切應力，增大軸承運轉(zhuǎn)卡滯、拉伸保持架的機率，致使軸承運轉(zhuǎn)過程時溫度迅速升高，降低疲勞壽命。

內(nèi)圈滾道接觸軌跡偏向非打字端一側(cè)溝道，距離溝中心約1.5～2mm，寬度約為1mm，可以計算出滾道的接觸橢圓長半軸a=1，軸承的工作接觸角為20°左右，見圖 9。初步估算在正常工作條件下（徑向載荷768N，轉(zhuǎn)速9 210r/min時）軸承承受的軸向載荷為300～500N，套圈接觸應力為2 000MPa左右。該型軸承材料為GCr15軸承鋼，在溫度升高時接觸應力水平低于2 000MPa，硬度會大幅降低，導致軸承疲勞壽命降低，產(chǎn)生疲勞剝落。

根據(jù)該軸承使用工況，利用Cobra-AHS軟件對軸承進行仿真分析發(fā)現(xiàn)，軸承在受到軸向載荷時，鋼球與內(nèi)、外圈溝道的接觸角有很大變化。以300N軸向載荷為例，接觸角大小具體明細見表2。從表中可以看出：當軸承運轉(zhuǎn)時，7粒鋼球與內(nèi)、外圈溝道的接觸角始終都在不停變化。取1號、4號鋼球為例，假設軸承承受的軸向載荷方向向右，1號鋼球處在承載區(qū)域，與內(nèi)圈滾道的接觸角為4.02°，4號鋼球處在非承載區(qū)域，與內(nèi)圈滾道的接觸角為20.19°，具體信息如圖 10所示。

表2 鋼球與內(nèi)、外圈溝道接觸角明細

通過計算可知，1號鋼球相對與內(nèi)圈滾道中心偏移了0.012mm，4號鋼球相對與內(nèi)圈滾道中心偏移了0.060mm，兩鋼球之間軸向最大偏移量達到0.048mm。當保持架兜孔深度尺寸處于下限時，容易出現(xiàn)鋼球與保持架兜孔底部相接觸，產(chǎn)生異常磨損。當鋼球從承載區(qū)域運動到非承載區(qū)域時，鋼球?qū)Ρ３旨芏悼资冀K存在著異常摩擦、磨損，伴隨著軸承高速的運轉(zhuǎn)，異常摩擦、磨損逐漸加劇，直到保持架斷裂。

根據(jù)以上分析，該軸承故障原因為：

（1）保持架斷裂為個別兜孔兩側(cè)均勻漸進性磨損，與采用的沖壓保持架材料及結(jié)構(gòu)形式有關。

圖10 推力載荷作用下的鋼球-滾道接觸示意圖

圖11 某型軸承保持架改進示意圖

（2）根據(jù)溝道表面爬坡接觸痕跡，說明軸承承受了一定的軸向載荷，與燃油增壓泵的工作狀態(tài)變化是一致的。

（3）個別軸承存在內(nèi)圈溝底疲勞剝落現(xiàn)象，表明軸承承受的徑向載荷較高，軸承承載能力裕度不足。

4 軸承改進設計

從以上故障分析結(jié)果判斷，如果燃油增壓泵的工況條件不變的情況下，該軸承無法滿足可靠性工作要求。為了解決該問題，需要對其重新進行改進設計。經(jīng)分析論證，確定了改進方案如下：

（1）將軸承套圈及滾動體材料改用Cr4Mo4V高溫鋼，以提升軸承承載能力。原軸承溝底出現(xiàn)疲勞剝落，顯示出軸承材料承載能力裕度不足的缺陷。采用Cr4Mo4V高溫鋼后，其極限接觸應力在2 000MPa左右，且在溫度達到150℃時，接觸應力不會下降，與GCr15軸承鋼相比具有更好的材料穩(wěn)定性，可以提高軸承疲勞壽命。

（2）增大滾動體尺寸，降低接觸應力，進一步提高軸承承載能力裕度。鋼球尺寸由8.731mm調(diào)整為9.525mm，鋼球占軸承有效面積系數(shù)由0.58提高到0.635，鋼球數(shù)量不變，軸承填球角由187°增大為204.5°。通過計算可知，軸承的額定動負荷由13.6kN增大到15.5kN，說明軸承的承載能力裕度得到提高。

（3）將鋼板沖壓浪形保持架改為鋁青銅車制實體保持架（見圖 11），提高了保持架高速性能和抗磨損能力，同時保持架采用內(nèi)引導，減小保持架運動阻力。鋁青銅車制實體保持架與沖壓鋼板浪形保持架相比，具有更高的轉(zhuǎn)速性能，且在航空軸承領域大量應用，具有成熟的應用經(jīng)驗。鋁青銅車制實體保持架在結(jié)構(gòu)設計上加強了保持架耐沖擊、耐磨損的能力，兜孔間隙也由0.109mm增大到0.275mm，降低了鋼球與保持架兜孔異常磨損的幾率。將保持架引導方式改為內(nèi)引導，引導間隙調(diào)整為0.3mm，可以減小保持架的運動阻力，也保證了潤滑油流量。同時，保持架表面進行鍍銀處理，增加了保持架引導表面的自潤滑性能，降低保持架與鋼球、套圈間的異常摩擦、磨損。

5 計算驗證

在徑向載荷為768N，軸向載荷為300N，轉(zhuǎn)速為9 210r/min條件下，采用COBAR-AHS計算軸承的受力狀態(tài)。改進后的軸承接觸應力水平明顯降低，內(nèi)圈接觸應力由1 967MPa下降到1 827MPa，如圖 12 所示。軸承保持架受力情況有所改善，兜孔受力最大值由33.21N下降到22.68N，如圖 13 所示。

圖12 軸承內(nèi)、外圈接觸應力曲線圖

圖13 軸承保持架兜孔受力曲線圖

改進后的軸承鋼球與內(nèi)、外圈的接觸角明顯增大，鋼球與內(nèi)圈的最大接觸角由20.19°增大到25.36°；鋼球與外圈的最大接觸角由19.4°增大到24.0°，如圖 14 所示。

圖14 軸承鋼球與套圈接觸角變化曲線圖

根據(jù)上述對比分析發(fā)現(xiàn)：該軸承在改進后，軸承內(nèi)、外圈接觸應力降低，保持架兜孔受力降低，鋼球與套圈接觸角增大，軸承壽命增大，說明軸承的承載能力增強，整體性能提高。改進后的軸承壽命由2 554h提高到5 816h（材料系數(shù)均取1）。

6 結(jié)束語

改進后的軸承經(jīng)過裝機試驗到壽后返廠復檢，軸承的外觀良好，尺寸精度和旋轉(zhuǎn)精度沒有較大的變化，軸承仍具有一定的壽命，沒有出現(xiàn)保持架磨損及軸承滾道疲勞剝落的現(xiàn)象。試驗證明，以上改進措施有效提高了軸承的可靠性能，確保了用戶的使用安全，并且為其他軸承的同類故障處理提供了參照依據(jù)。

（編輯：王立新）

Faulty analysis and improvement of deep groove ball bearing

Gao Liang, Wang Songtao, Liu Junhe
( Military Delegate Office of PLA Residing Harbin Bearing Group Corporation,Harbin 150036,China ）

Through the inspection and the analysis for the faulty bearing, the reasons of causing the bearing fault was found, and the improvement measures were used from the design, the improvement results were verified, the bearing reliability was increased.

deep groove ball bearings; faulty analysis; bearing design; improvement measures; reliability

TH133.33+1

B

1672-4852（2014）03-0027-04

2014-05-06.

高 亮（1977 -），男，工程師.