某型泵用推力球軸承的磨損失效分析

徐 雷，趙 燕,劉 洲

（1.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；2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心,黑龍江 哈爾濱 150025；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100028 ）

某型泵用推力球軸承的磨損失效分析

徐 雷1，趙 燕2,劉 洲3

（1.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；2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心,黑龍江 哈爾濱 150025；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100028 ）

對某泵用推力球軸承的損傷特征開展系統(tǒng)的宏觀和微觀分析，并結(jié)合該軸承的具體安裝使用狀態(tài)及工作機理，找到其嚴(yán)重磨損失效的原因，采取預(yù)防措施保證了該泵用軸承的使用安全，避免了此類問題再次發(fā)生。

推力球軸承；微觀組織分析；磨損；失效分析

1 前言

某型液壓泵在使用過程中，出現(xiàn)輸出壓力明顯脈動、斷續(xù)以及工作振動加劇、異響等現(xiàn)象。為了找出引發(fā)該異?，F(xiàn)象的原因，將液壓泵進行拆解。拆解后發(fā)現(xiàn)液壓泵內(nèi)部液壓分油盤、柱塞、調(diào)節(jié)套筒以及泵體封嚴(yán)裝置未見明顯異常，進一步檢查發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)的推力球軸承嚴(yán)重磨損失效。

2 軸承故障形貌

該推力球軸承由軸圈、座圈、保持架和 11粒鋼球組成。其中軸圈滾道磨損嚴(yán)重，局部可見粗糙的凹坑，受磨損和擠壓作用滾道的邊緣部分凸起出現(xiàn)“爬坡”現(xiàn)象（見圖 1、圖2）；座圈整體損傷較輕，滾道表面呈金黃色較光滑，局部可見小的點坑和碾壓溝槽（見圖3）。11粒鋼球均出現(xiàn)高溫變色呈暗黑色，3粒鋼球破碎（紅箭頭所指部位）， 8粒鋼球相對完整均出現(xiàn)不同程度的磨損或擠壓損傷，個別鋼球卡死于兜孔內(nèi)無法轉(zhuǎn)動；保持架兜孔磨損，邊緣部分凸起（見圖4）。

圖1 軸圈滾道整體磨損形貌

圖2 軸圈滾道放大形貌

圖3 座圈滾道放大形貌

圖4 鋼球和保持架外觀損傷情況

3 理化分析

3.1 鋼球斷口特征

破碎斷裂的3粒鋼球斷口特征基本相同,斷口宏觀表面呈藍(lán)黑色，表面磨損嚴(yán)重；微觀以韌窩特征為主，局部可見沿晶+韌窩混合特征，呈過載斷裂特征（見圖5）。

圖5 鋼球斷口宏觀和微觀圖

3.2 金相觀察

對典型的 1#、2#、6#、8#鋼球制取截面金相試樣，打磨拋光后腐蝕觀察其金相組織。低倍觀察 1#鋼球可見其外圓周整圈都有一層白亮層。高倍可見明顯的擠壓磨損變形流線（見圖6）存在較深的非淺表裂紋。裂紋特征為內(nèi)部裂紋，部分裂紋擴展至表面，裂紋內(nèi)部的張口程度相對表面較寬，且裂紋兩側(cè)的組織相對附近未見明顯差異。由以上特征可判斷裂紋并非接觸疲勞裂紋或原始裂紋，應(yīng)為使用過程中受高溫冷卻后內(nèi)應(yīng)力引起的開裂?？拷琢翆拥臏\灰色區(qū)域，高倍可見亮色組織和暗色組織的交替分布，心部深灰色區(qū)域則可見晶界。1#鋼球整體均受到明顯的高溫?zé)嵊绊?其他 3 個鋼球的截面金相特征基本相同。

圖6 1#鋼球截面金相圖

在座圈明顯碾壓痕跡處和溝道光滑位置處分別截取金相試樣。座圈溝道光滑表面未見明顯的白亮層，存在碾壓痕跡處截面可見較薄的金屬層，表層組織未見明顯熱影響。光滑溝道處的表面組織與心部組織未見明顯差異。觀察軸圈的溝道表面則可見明顯的白亮層熱影響區(qū)域，呈月牙形，可見碾壓擠入基體內(nèi)的金屬塊，能譜分析為該軸圈機體成分。心部位置組織變化較小，為隱晶馬氏體+碳化物組織（見圖 7）。

3.3 硬度檢測

對1#、2#、6#、8#鋼球硬度測試，受磨損高溫影響，鋼球硬度明顯下降，其心部硬度值分別為39.2 HRC、 44HRC、43.8HRC、45.6HRC；軸圈心部硬度52.3 HRC硬度值明顯下降，說明整體仍受到磨損高溫的影響；座圈硬度基本符合60～64HRC的硬度要求，說明未受到明顯的熱影響。

圖7 軸圈截面金相圖

3.4 理化分析結(jié)果

通過以上對故障零件的宏觀和微觀觀察，結(jié)合斷口分析、金相組織及硬度的檢測結(jié)果， 形成理化分析結(jié)論如下：

（1）軸承軸圈和座圈滾道表面未觀察到明顯的疲勞剝落痕跡，破碎鋼球斷口呈過載斷裂特征。

（2）鋼球及軸圈滾道表面的白亮層均為二次淬火組織，與故障過程中產(chǎn)生的高溫磨損有關(guān)。

4 機理分析

故障軸承軸圈、座圈及鋼球均未見疲勞剝落痕跡，說明軸承故障初期主要表現(xiàn)應(yīng)是磨損，查閱前期資料，發(fā)現(xiàn)該軸承以往故障形貌基本相似，軸承軸圈磨損嚴(yán)重，多數(shù)鋼球表面均有大面積磨損和變黑現(xiàn)象，卡滯在保持架兜孔內(nèi)不能轉(zhuǎn)動。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，應(yīng)是軸承在故障發(fā)生過程中，磨損產(chǎn)生的大量金屬屑擠夾在保持架兜孔內(nèi)，阻礙了鋼球的轉(zhuǎn)動，直至卡死，最終軸承軸圈與鋼球保持架組件產(chǎn)生嚴(yán)重滑動磨損。

該推力軸承在泵內(nèi)裝配使用時座圈外徑無定位，主要靠6根彈簧壓緊外端面產(chǎn)生的預(yù)緊力實現(xiàn)定位，軸承在工作過程中要承受交變軸向偏心載荷，軸承座圈難免會出現(xiàn)一定的徑向擺動，產(chǎn)生徑向偏移，隨著座圈徑向移動量的增加，接觸角會明顯減小，嚴(yán)重時可使鋼球出現(xiàn)“爬坡”狀態(tài)，這種“爬坡”狀態(tài)的產(chǎn)生最終可從軸圈或座圈溝道的異常接觸痕跡中得到判斷。

如果軸承安裝時，軸圈出現(xiàn)定位不準(zhǔn)，形成初始偏心，加之工作過程中在交變軸向偏心載荷作用下，軸承座圈再出現(xiàn)一定的徑向擺動，兩者疊加，就會使座圈徑向移動量明顯增加，這必將導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，偏離正常工作軌跡，從而導(dǎo)致軸承零件工作表面早期磨損。

本次故障軸承軸圈溝道邊緣磨損嚴(yán)重，受磨損和擠壓作用，溝道的邊緣部分凸起出現(xiàn)典型的“爬坡”現(xiàn)象, 且軸圈、座圈及鋼球均未見疲勞剝落痕跡，說明軸承故障初期主要表現(xiàn)應(yīng)是磨損，磨損的產(chǎn)生應(yīng)與軸承工作過程中出現(xiàn)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，鋼球與滾道接觸位置偏離正常工作軌跡有關(guān)。

5 分析結(jié)論

（1）本次故障軸承失效形式為高溫磨損失效。

（2）軸承零件工作表面異常磨損與軸承工作過程中工況條件或安裝使用狀況等因素有關(guān)，造成軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，鋼球偏離正常工作軌跡。

6 采取措施

（1）增大該軸承在泵上的安裝預(yù)緊力，避免預(yù)緊力不足導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定問題的發(fā)生。

（2）減小座圈外徑與軸承座間的配合間隙，保證座圈的有效定位。

（編輯：王立新）

Failure analysis of thrust ball bearing for a hydraulic pump

Xu Lei1, Zhao Yan2, Liu Zhou3
(1.Military Delegate Office of PLA Residing Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036,China; 2.Bearing R&D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China; 3. AVIC Failure Analysis Center ,Beijing 100028,China)

According to the pump thrust ball bearing’s damage, the macro-analysis or micro- analysis were developed, combined with the specific installation status and working mechanism of the bearing, to find the cause of serious wear failure, to take preventive measures to ensure the use safety of the pump bearings and to avoid such problems from happening again.

thrust ball bearing; microstructure analysis;wear; failure analysis

TH133.33+1

B

1672-4852（2015）04-0015-03

2015-09-30.

徐 雷（1977-），男，工程師.