雙列圓錐滾子軸承失效分析

歐亮龍，馬　越，李魯江，徐　紅，任文亮

（1.國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南洛陽471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽471039）

雙列圓錐滾子軸承失效分析

歐亮龍1，馬越2，李魯江1，徐紅1，任文亮1

（1.國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南洛陽471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽471039）

對3506/355.6/YA-1雙列圓錐滾子軸承的失效原因進行分析。通過斷口分析、痕跡對比、硬度、熱酸洗、非金屬夾雜物、碳化物不均勻性、淬回火組織及網(wǎng)狀碳化物等檢測，對軸承本身材質(zhì)及熱處理情況進行排查，材質(zhì)及熱處理工藝均符合標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致軸承提前失效的原因為內(nèi)圈A側(cè)其中一粒滾子反向裝入軸承，由于滾子大端側(cè)工作面與內(nèi)圈滾道接觸處應(yīng)力較大，使得內(nèi)圈產(chǎn)生周向裂紋，最終使得軸承出現(xiàn)異常。

雙列圓錐滾子軸承；滾子；開裂；裝配失誤

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對石油的需求也不斷提升，開采設(shè)備的穩(wěn)定性直接影響石油的生產(chǎn)效率［1］。天車在石油開采過程中至關(guān)重要，是石油鉆井機的部件之一，承擔(dān)著鉆井過程中起鉆、停鉆、下鉆等鉆井過程的全部載荷［2］，所以天車的故障將直接影響石油的開采工作。

圓錐滾子軸承具有承載能力大，可同時承受軸向、徑向載荷，壽命長等優(yōu)點，廣泛用于汽車、鐵路貨車、軋機、工程機械、機床、石油等行業(yè)［3］。軸承裝配是保證軸承整體質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，裝配質(zhì)量的高低直接影響到相關(guān)設(shè)備的安裝和使用性能［4］。

本文對一套石油鉆井天車上裝配的、如圖1所示的雙列圓錐滾子軸承進行了失效分析，從軸承運轉(zhuǎn)痕跡、斷口、原材料等方面對失效原因進行判斷，對這種失效形式的特征進行闡述。

圖1　雙列圓錐滾子軸承Fig.1　Double-row cone roller bearing

1　試驗過程與結(jié)果

1.1故障宏觀特征

雙列圓錐滾子軸承使用在石油鉆井天車的滑輪組上，滑輪在使用約30 d出現(xiàn)異常，拆卸后發(fā)現(xiàn)滑輪上軸承斷裂。在對送檢軸承一側(cè)內(nèi)圈（A側(cè)）保持架組件進行外觀檢查時，發(fā)現(xiàn)一粒剝落滾子，滾子剝落處靠近內(nèi)圈小端面（圖2），而軸承外圈、另一側(cè)內(nèi)圈（B側(cè)）保持架組件、滾子全部完好。

1）A側(cè)內(nèi)圈斷口宏觀及微觀形貌。

A側(cè)內(nèi)圈內(nèi)徑表面存在圓周方向裂紋和軸向裂紋，A側(cè)內(nèi)圈小端面迸裂，部分區(qū)域掉塊，并且部分區(qū)域存在微動腐蝕痕跡（圖3a）。滾道表面靠近小端面處存在圓周一周的剝落，部分區(qū)域發(fā)生斷裂。未剝落區(qū)域表面布滿壓坑，并存在輕微軸向壓痕（圖3b）。

圖2　A側(cè)內(nèi)圈剝落滾子裝配狀態(tài)Fig.2　A side inner ring assembly state of spalled roller

選取軸承內(nèi)圈滾道斷裂區(qū)域進行檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂均是由滾道表面剝落處向內(nèi)延伸，而且斷裂源多處近乎平行（圖4）。這說明由于滾道表面先發(fā)生剝落，在載荷作用下繼續(xù)運轉(zhuǎn)，剝落向滾道內(nèi)部延伸，從而造成內(nèi)圈周向斷裂［5］。

圖3　A側(cè)內(nèi)圈宏觀形貌Fig.3　Macroscopic morphology of A side inner ring

圖4　內(nèi)圈斷口形貌Fig.4　Fracture appearance of inner ring

選取軸承A側(cè)內(nèi)圈一剝落區(qū)域進行觀察，剝落源區(qū)域位于靠近小端面?zhèn)葷L道表面（圖5矩形框處），剝落沿圖中箭頭方向擴展。圖5a中橢圓區(qū)域的微觀形貌如圖5b所示，可以看出，剝落源位于圓圈處，以剝落源為源頭，剝落向一側(cè)和下方（大端面一側(cè)）擴展。結(jié)合剝落處宏觀觀察以及電鏡觀察，可以看出，剝落源位于內(nèi)圈滾道表面靠近小端面?zhèn)?，以剝落源為中心向滾道中央（圖5a箭頭方向）、大端面?zhèn)葦U展（圖5b箭頭方向）［6-7］。

2）剝落滾子形貌。

A側(cè)滾子共52粒，損壞滾子的一端嚴重剝落（圖6）。對剝落處進行觀察發(fā)現(xiàn)，剝落源位于圖6a中矩形區(qū)域，向另一側(cè)擴展（圖6a箭頭方向）。

3）保持架兜孔形貌。

A側(cè)保持架一個窗孔內(nèi)小端兩側(cè)過梁及底部存在擠壓痕跡（圖7），剝落滾子在運轉(zhuǎn)過程中對保持架兜孔產(chǎn)生了擠壓和磨損。其他窗孔正常，B側(cè)保持架未見異常。

圖5　軸承內(nèi)圈剝落形貌Fig.5　Spalling morphology of bearing inner ring

圖6　剝落滾子形貌Fig.6　Morphology of spalled roller

圖7　A側(cè)保持架一窗孔異常形貌Fig.7　Abnormal morphology of one pocket of A side cage

1.2硬度檢驗

對軸承的外圈、內(nèi)圈、滾子的硬度、熱酸洗、非金屬夾雜物、碳化物不均勻性、淬回火組織及網(wǎng)狀碳化物進行檢測。軸承表面硬度檢測由于軸承尺寸較大，故將外圈、內(nèi)圈切割后，對每一段進行硬度檢測［8］，檢測結(jié)果見表1。由表1可知，軸承硬度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，未見異常。

1.3熱酸洗檢驗

依據(jù)JB/T 1255—2014［8］對軸承的外圈、內(nèi)圈、滾子樣品進行熱酸洗檢驗。經(jīng)檢驗，送檢軸承零件材質(zhì)致密，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

1.4非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢驗

依據(jù) GB/T 18254—2002［9］對軸承外圈、內(nèi)圈、滾子的非金屬夾雜物及碳化物不均勻性進行檢驗，檢驗結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，軸承的非金屬夾雜物及碳化物不均勻性符合國家標(biāo)準(zhǔn)，未發(fā)現(xiàn)問題。

1.5淬回火組織及網(wǎng)狀碳化物檢驗

依據(jù)JB/T 1255—2014［8］對軸承外圈、內(nèi)圈、滾子進行淬回火組織和碳化物網(wǎng)狀檢驗，檢驗結(jié)果見表3，軸承的熱處理質(zhì)量未發(fā)現(xiàn)異常。

表1　軸承硬度檢測結(jié)果Table 1　Hardness test result of bearing

表2　軸承非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢測結(jié)果Table 2　Inhomogeneity examination result of non-metallic inclusions and carbide of bearing

表3　軸承熱處理質(zhì)量檢測結(jié)果Table 3　Examination result of microstructure of bearing

2　故障機理分析與討論

綜上所述，軸承的失效性質(zhì)為滾子與一側(cè)內(nèi)圈發(fā)生點接觸，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得內(nèi)圈出現(xiàn)疲勞剝落。

通過對失效軸承的熱處理狀況及材質(zhì)進行分析，軸承本身材料、熱處理等質(zhì)量未發(fā)現(xiàn)異常。為找到軸承失效原因，隨后重新對軸承的斷口及受力狀況進行排查，通過對軸承破損內(nèi)圈剝落處斷口進行分析發(fā)現(xiàn)，剝落由內(nèi)圈小端面向大端面擴展，即內(nèi)圈小端面?zhèn)仁艿捷^大的載荷。通過對保持架兜孔進行重新檢查，只有一個兜孔存在嚴重磨損，而其他兜孔完好。重新對破損滾子進行觀察，并與正常滾子進行對比，發(fā)現(xiàn)破損滾子磨損嚴重的部位在大端面處，由此可以得出結(jié)論:導(dǎo)致軸承失效的直接原因就是其中一粒滾子反向裝入軸承A側(cè)內(nèi)圈。由于軸承尺寸較大（內(nèi)徑355.6 mm）且滾子錐度很小，所以當(dāng)一粒滾子反向裝入軸承內(nèi)圈后，該粒滾子對整個內(nèi)圈的影響很難被發(fā)現(xiàn)。在內(nèi)圈裝入軸承后，由于保持架的束縛及本身存在的游隙，在軸承整體裝機前，不經(jīng)過仔細檢查，不會發(fā)現(xiàn)此類異常。當(dāng)軸承裝入設(shè)備之后，由于內(nèi)圈與主軸之間通常采用過盈配合，造成軸承徑向游隙變小，而滾子反裝處游隙則更小或變?yōu)樨撚蜗?，在運轉(zhuǎn)過程中，該處接觸應(yīng)力將遠大于其他位置，甚至在運轉(zhuǎn)中該處無法形成正常工作的油膜，故在軸承運轉(zhuǎn)后不久，使得反裝處滾子表面形成剝落，由于剝落物在軸承內(nèi)部反復(fù)擠壓工作表面，在軸承內(nèi)圈滾道形成大量碾壓坑。同時，由于反裝滾子擠壓軸承內(nèi)圈滾道，內(nèi)圈滾道沿反裝滾子運轉(zhuǎn)痕跡處逐漸產(chǎn)生剝落，在反裝滾子的反復(fù)擠壓下，剝落向軸承內(nèi)圈內(nèi)部擴展，最終導(dǎo)致內(nèi)圈斷裂。此類滾子反向裝入軸承導(dǎo)致的失效特征非常典型，即失效軸承中只有個別滾動體及內(nèi)圈失效，其他部件基本完好。當(dāng)滾子反向裝入軸承后，由于反裝滾子被保持架束縛，所以滾子大端倒角與內(nèi)圈產(chǎn)生點接觸，而未與外圈接觸，這就造成了內(nèi)圈已經(jīng)嚴重損壞的情況下，外圈卻完好無損的現(xiàn)象。所以這類軸承失效分析可先從外觀形貌、斷口、剝落方向等宏觀方面進行分析，推斷軸承零部件的受力狀況，然后從細節(jié)中找到失效原因。

目前，我國大多數(shù)軸承生產(chǎn)廠家對于圓錐滾子軸承滾動體正反裝的檢測主要是靠人工肉眼進行的，這種檢測方式容易引起視覺疲勞而漏檢［10］。這種情況在小錐度圓錐滾子軸承中極其容易出現(xiàn)。因此在軸承組裝過程中應(yīng)仔細辨別滾子的大小端面，成品軸承應(yīng)進行振動檢測，在裝入設(shè)備后應(yīng)仔細檢查軸承是否存在異?；虍愴?。

3　結(jié)論

1）軸承材料及熱處理情況均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2）雙列圓錐滾子軸承的失效原因是A側(cè)一粒滾子反向裝入軸承內(nèi)圈。

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［8］全國滾動軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/T 1255—2014滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2014:26-36.

［9］全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 18254—2002高碳鉻軸承鋼［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:7-11.

［10］肖強.圓錐滾子軸承視覺檢測研究動測量［D］.南昌:華東交通大學(xué)，2009: 9-14.

Failure Analysis on Double-row Cone Roller Bearing

OU Liang-long1，MA Yue2，LI Lu-jiang1，XU Hong1，REN Wen-liang1
（1.State Center of Bearing Quality Supervision and Inspection，Henan Luoyang 471039，China；2.Luoyang Bearing Science and Technology Co.，Ltd.，Henan Luoyang 471039，China）

The failure reason of 3506/355.6/YA-1 double-row cone roller bearing was studied by fracture surface analysis，trace comparison，hardness testing，and microstructure examination.The results show that the failure of the bearing has nothing to do with the material and heat treatment process it had experienced.It is found that one of the rollers had been reversely installed into the inner ring of the bearing，causing bearing failure in advance.There existed excessive contact stress at the contacting zone between the side face of the roller big end and inner ring raceway，resulting in circumferential crack on the inner ring and eventually making the bearing abnormal.

double-row cone roller bearing；roller；cracking；assembly errors

TH133.332

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.007

1673-6214（2016）02-0095-05

2015年12月23日

2016年2月28日

歐亮龍（1988年-），男，碩士，主要從事軸承材料分析檢測及失效分析等方面的研究。