高速脂潤滑軸承失效分析

劉良勇，何峰濤，王玉飛，梁華

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

脂潤滑軸承由于簡便的潤滑方式得以廣泛應(yīng)用，但由于潤滑脂的稠度大，脂潤滑軸承一般僅適用于中、低轉(zhuǎn)速工況。高速運轉(zhuǎn)時，由于剪切發(fā)熱較為嚴重，而其本身起不到冷卻的作用，所以高速時不宜采用脂潤滑［1］。脂潤滑軸承省去了油潤滑軸承所需的供油系統(tǒng)，使?jié)櫥到y(tǒng)簡化，具有體積小、重量輕、損耗能量小的特點，從而可實現(xiàn)武器裝備的結(jié)構(gòu)簡化和低成本設(shè)計目標。因此，脂潤滑更適于國防工業(yè)中普遍存在的短壽命、不重復(fù)使用的軸承［2］。滾動軸承的失效機理受軸承自身材料、加工、應(yīng)用等多因素的影響［3］，其中潤滑失效是導(dǎo)致軸承出現(xiàn)故障的重要原因，因此，對臺架試驗時某裝備用高速重載脂潤滑軸承的失效過程和軸承材料特性進行分析，為該軸承的設(shè)計改進提供方向。

1 試驗

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

試驗軸承為雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，套圈材料為Cr4Mo4V高溫軸承鋼，球材料為Si3N4，保持架材料為40CrNiMoA，防塵蓋材料為GCr15，彈簧圈材料為12Cr18Ni9，潤滑脂為某高溫高速潤滑脂，其參數(shù)見表1，填脂量為軸承內(nèi)部空間的20%。

表1 潤滑脂參數(shù)Tab.1 Parametrics of grease

為了防止在軸承高速運轉(zhuǎn)時潤滑脂被甩出軸承而影響潤滑效果，采用帶有凹槽的防塵蓋。軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。計算得軸承的徑向基本額定動載荷為13 020 N，徑向基本額定靜載荷為6 968 N。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bearing

表2 軸承參數(shù)Tab.2 Parametrics of bearing

1.2 試驗條件

根據(jù)主機要求，軸承在工作時主要承受軸向載荷和較小的徑向載荷（轉(zhuǎn)子重量），軸向載荷隨著轉(zhuǎn)速變化而改變，具體試驗條件見表3。主機要求軸承進行8個循環(huán)，累計壽命為36 000 s。

表3 試驗條件Tab.3 Test condition

從表3中可以看出，軸承的徑向當量動載荷Pr與徑向基本動載荷C之比均大于15%，軸承外徑與轉(zhuǎn)速乘積均大于1×105mm·r／min，表明軸承屬于高速重載軸承。

1.3 試驗方法

由于潤滑脂不能帶走熱量，還會因為球的攪拌、剪切作用使軸承產(chǎn)生大量的熱量，使軸承溫升過快，因此溫升成為高速脂潤滑軸承的突出問題［4-5］。根據(jù)主機結(jié)構(gòu)，在軸承外圈外徑表面通循環(huán)航空潤滑油4050進行冷卻。試驗過程中利用溫度和振動傳感器對外圈溫度進行實時監(jiān)測，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

為使?jié)櫥鶆蚍植?，正式試驗開始前對軸承進行啟停間歇操作，防止接觸面過熱，造成損害。在停機期間，軸承零件間的溫度會平衡調(diào)節(jié)，因此不會造成預(yù)壓損害。在靠近軸承外圈端面處用溫度傳感器監(jiān)測潤滑脂磨合及之后連續(xù)運轉(zhuǎn)時的溫度變化。在任何情況下均須避免因過載而造成持續(xù)溫升。軸承溫度穩(wěn)定時即結(jié)束潤滑脂磨合，再進行正式試驗。

1.4 試驗結(jié)果

軸承裝機運轉(zhuǎn)到10 948 s（第3個循環(huán)）時主機振動超限，試驗機停機。停機前43 s主機振動和外圈溫度曲線如圖3所示。由圖可以看出，軸承內(nèi)部溫度持續(xù)上升，振動相對平穩(wěn)，在最后3 s內(nèi)主機振動急劇升高。軸承外圈溫度在停機前40 s內(nèi)溫度升高25℃，表明軸承可能出現(xiàn)了熱不平衡，在停機前5 s內(nèi)主機振動急劇增大，表明內(nèi)圈過度膨脹，直至最后抱軸。

圖3 溫度和振動曲線Fig.3 Curves of vibration and temperature

2 失效分析

將軸承拆卸后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部潤滑脂嚴重碳化。對軸承清洗后發(fā)現(xiàn)，外圈溝道外觀良好，內(nèi)圈溝道表面嚴重?zé)齻?，這與溫升和振動異常相符。

2.1 宏觀形貌

經(jīng)觀察，2個半內(nèi)圈均已變色，其中受載半內(nèi)圈呈現(xiàn)為暗黑色，已失去金屬光澤，溝道表面材料呈條、塊狀剝落，擋邊明顯變窄；非受載半內(nèi)圈呈現(xiàn)為深藍色且具有金屬光澤，溝道面及擋邊完好無損（圖4）。

圖4 內(nèi)圈溝道宏觀形貌Fig.4 Appearance of groove of inner ring

2.2 硬度檢查

對內(nèi)圈端面打磨后，采用HR-150A洛氏硬度計（加載力為1 500 N）測試其硬度，結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)圈兩端面硬度Tab.4 Hardness of end face of inner ring HRC

由表4可以看出，非受載半內(nèi)圈的硬度及其均勻性均符合 JB／T 2850—2007《滾動軸承Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》要求（硬度為60～65 HRC）；受載半內(nèi)圈硬度值符合標準要求，但局部硬度明顯下降，導(dǎo)致同一零件硬度差超標（標準要求硬度差不大于1）。

2.3 金相檢驗

失效軸承淬、回火組織按JB／T 2850—2007評定為3級，符合標準要求。在顯微鏡下觀察剝落內(nèi)圈縱剖面的金相組織（圖5）發(fā)現(xiàn)：溝道面剝落坑兩側(cè)存在分別向兩側(cè)擴展的小裂紋，深度最深處為0.05 mm，并有明顯的塑性變形（圖5a）；剝落內(nèi)圈溝道表面（靠近擋邊一側(cè)）存在一層熔融金屬層（圖5b），深度約0.09 mm。

圖5 溝道及擋邊金相分析Fig.5 Metallographic analysis of groove and lip

2.4 掃描電鏡顯微觀察

從剝落的內(nèi)圈溝道上切取試樣，經(jīng)清洗烘干后放置在JSM6380LV掃描電鏡下進行變倍觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，剝落區(qū)凹凸不平，無磨損及疲勞特征。

圖6 剝落區(qū)表面形貌Fig.6 Apprearance of spalling region

2.5 原因分析

結(jié)合溝道表面材料的塑性變形以及溝道的擴展裂紋情況判定軸承內(nèi)圈的失效模式為粘著磨損，直接原因是軸承溫升過高，根本原因是潤滑不能滿足軸承工況條件。失效過程為：軸承在給定潤滑條件下產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)的熱量，使其溫度不斷升高，造成套圈和球發(fā)生膨脹，產(chǎn)生較大的負游隙，從而使兩者間產(chǎn)生過大的接觸應(yīng)力。在應(yīng)力和熱的綜合作用下發(fā)生潤滑失效，進一步加劇軸承溫升，最終造成了塑性變形及金屬熔融層、套圈硬度的降低（溫升超過回火溫度）。

綜上，可以判定軸承失效的原因是潤滑不能滿足軸承工況條件。

3 結(jié)束語

通過軸承試驗初步確定軸承失效是因為試驗中的熱不平衡，根據(jù)對失效軸承內(nèi)圈的宏觀形貌、硬度、金相等分析，進一步確定了熱不平衡的原因是溫度過高導(dǎo)致潤滑失效，可采取改善軸承自身的散熱條件、選用性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)潤滑脂等措施延長軸承使用壽命。