軋輥用四列圓柱滾子軸承失效分析

徐 巍

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300）

1 前言

軋輥用四列圓柱滾子軸承的失效形式主要有疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂和開裂[1-4]。四列圓柱滾子軸承承載能力主要取決于滾動(dòng)體列數(shù)、滾動(dòng)體數(shù)量、滾動(dòng)體直徑和長(zhǎng)度[5-9]。但是實(shí)際中軋輥用四列圓柱滾子軸承滾動(dòng)體剝離，出現(xiàn)異常損壞失效形式較為嚴(yán)重。本文首先從材料質(zhì)量角度對(duì)失效軸承進(jìn)行理化檢測(cè)分析，并在此基礎(chǔ)上，從軸承運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度對(duì)滾子承載特征進(jìn)行剖析。最終得出滾動(dòng)體剝離失效的根本原因主要是由于制造過程中幾何精度質(zhì)量控制不當(dāng)導(dǎo)致。

2 失效軸承狀態(tài)

某軋輥用四列圓柱滾子軸承采用的是滲碳鋼，安裝到軋輥軸上運(yùn)行一個(gè)周期，溫升急劇。拆機(jī)檢查軸承狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一粒滾動(dòng)體表面存在塊狀剝離，長(zhǎng)約 45 mm，寬約 40 mm（見圖 1）。

圖1 滾動(dòng)體疲勞剝離狀態(tài)

3 理化檢測(cè)

3.1 硬度檢驗(yàn)

采用 HR-150A 洛氏硬度計(jì)（檢測(cè)范圍：20～67HRC）按 GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)方法》、MH-6 型顯微硬度計(jì)（檢測(cè)范圍：8～1000HV）按 GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)方法》對(duì)滾動(dòng)體進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表 1 和表 2。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，滾動(dòng)體硬度及硬化層深度均符合 JB/T 8881—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 滾動(dòng)體硬度及硬化層深度檢驗(yàn)

表2 滾動(dòng)體硬度梯度變化值

3.2 金相檢驗(yàn)

（1）非金屬夾雜物檢驗(yàn)

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡檢驗(yàn)，滾動(dòng)體來樣非金屬夾雜物質(zhì)量符合 GB 3203—1982《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果見表 3。

表3 滾動(dòng)體夾雜物檢驗(yàn)

非金屬夾雜物符合 GB/T 34891—2017《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）熱處理質(zhì)量顯微組織檢驗(yàn)

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡檢驗(yàn)，滾動(dòng)體熱處理組織符合 JB/T 8881—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果見表 4，試樣如圖 2 所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，滾動(dòng)體顯微組織符合 JB/T 8881—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 滾動(dòng)體金相組織檢驗(yàn)

圖2 非金屬夾雜物檢測(cè)試樣

3.3 化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用 ARL4460 直讀光譜分析儀按 GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)滾動(dòng)體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)材料牌號(hào)為 G20Cr2Ni4A，檢驗(yàn)結(jié)果見表 5。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，滾動(dòng)體化學(xué)成分符合 GB 3203—1982 《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，表面含碳量符合JB/T 8881—2011《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 滾動(dòng)體化學(xué)成分檢驗(yàn) %

4 理化檢驗(yàn)結(jié)果判定

失效滾動(dòng)體滾動(dòng)表面出現(xiàn)塊狀疲勞，且疲勞起源于滾動(dòng)體次表層剝離中心區(qū)域，疲勞起源為條狀形貌，這種條狀起源形貌的疲勞剝離通常是由典型的材料缺陷引起。但經(jīng)材料理化檢驗(yàn)分析，軸承材料熱處理質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)疲勞剝離部位進(jìn)行切割，對(duì)其周圍 4 個(gè)樣塊，12個(gè)截面進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的非金屬夾雜。

5 滾子制造精度的影響

為提高軸承承載能力，本次四列圓柱滾子軸承選用的圓柱滾子為Φ50mm×100mm，屬于長(zhǎng)圓柱滾子。我們?cè)賹D 1 放大可以看出滾子左端有明顯的燒傷發(fā)黑，右端卻沒有。我們?cè)購(gòu)臐L子運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度分析，見圖 3。

圖3 滾動(dòng)體進(jìn)入載荷區(qū)狀態(tài)

軸承在工作中，由于游隙的存在，滾子在非載荷區(qū)由于沒有正壓力，理論上講滾動(dòng)體處于滑動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)滾動(dòng)體回轉(zhuǎn)到載荷區(qū)，隨著載荷的加大，滾動(dòng)體由滑動(dòng)逐漸進(jìn)入滾動(dòng)。由于這一過程是漸進(jìn)的，所以這一過程是滾動(dòng)伴隨滑動(dòng)。這種滑動(dòng)，如果在油膜形成不完全時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。

對(duì)于長(zhǎng)滾子錐度比較容易出現(xiàn)問題。假如有一粒滾子出現(xiàn)錐度問題，錐度的大端在進(jìn)入載荷區(qū)時(shí)要比錐度小端承受載荷大。在潤(rùn)滑不良的情況下，大端首先由于摩擦發(fā)熱，并且在內(nèi)圈帶動(dòng)下首先進(jìn)入載荷區(qū)，這時(shí)滾子在進(jìn)入載荷區(qū)是大端在前，小端在后，處于傾斜狀態(tài)。大端和小端截面見圖 3 最大載荷區(qū)域中的兩個(gè)虛線圓圈。從圖 4 中俯視的角度，可以直觀地看出滾動(dòng)體進(jìn)入載荷區(qū)的狀態(tài)。

圖4 由于錐度導(dǎo)致滾動(dòng)體在載荷區(qū)形態(tài)

在這種狀態(tài)下，我們沿傾斜滾子中心線做一截面，見圖 5。在圖中可以看出，滾動(dòng)體在外圈滾道上是兩端接觸；內(nèi)圈滾道處于中部一點(diǎn)接觸。根據(jù)圖 5 受力狀況可以簡(jiǎn)化一個(gè)簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型，見圖 6。

圖5 傾斜滾子中心線截面示意圖

圖6 滾子受力模型

圖6 中，P為滾子所受的最大載荷；L=100為滾子長(zhǎng)度；d=50 為滾子直徑。這時(shí)，滾子所受最大彎矩Mmax可由（1）式求得：

圖6 中，Z軸為中性軸，距離中性軸最遠(yuǎn)距離Ymax=d/2。Z軸慣性矩IZ可由（2）式求得：

注釋：圓柱截面慣性矩IZ

最大彎曲正應(yīng)力σmax可用（3）式求得：

將（1）和（2）式代入（3），整理后得：

將本例數(shù)據(jù)代入（4）式中得：

滾動(dòng)體最大載荷由（6）式估算：

式中：Cor為軸承額定靜載荷，這里為28 100 kN

i為軸承列數(shù)，本例i=4

Z為每列滾子個(gè)數(shù)，本例Z=36

α為接觸角，本例α=0

在實(shí)際工作中，考慮安全系數(shù)，一般取1/2倍軸承額定靜載荷為實(shí)際工作載荷。因此，在此例中，最大滾子所承受載荷應(yīng)選擇F=Cor/2 來計(jì)。

將F=Cor/2=28100/2=14050 kN 替代（6）式中的Cor計(jì)算。將有關(guān)參數(shù)代入（6）式中，得：

本例中滾動(dòng)體采用的是滲碳鋼，熱處理后表面是強(qiáng)度較高的高碳馬氏體組織；內(nèi)部是強(qiáng)度較低的低碳馬氏體組織。其抗拉強(qiáng)度σb=1850MPa。

將P代入（5）式中求得最大正應(yīng)力為：

比較上述計(jì)算結(jié)果，發(fā)生在滾動(dòng)體中部最表面的最大正應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)大于材料的抗拉強(qiáng)度，勢(shì)必要導(dǎo)致最大正應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生崩裂。

在上述情況下，最大剪切力τmax可用（7）式求得：

式中：h為滾子直徑

為驗(yàn)證上述分析，我們從在制品中抽取100粒滾子進(jìn)行錐度檢查，發(fā)現(xiàn)有 2 粒錐度超差。

綜上分析，得出本次軸承滾子失效是由于滾子錐度不好引起的，其失效過程是：

錐度超差的滾子傾斜進(jìn)入最大載荷區(qū)→滾子在外滾道最大載荷區(qū)中間處于懸空→在最大載荷作用下產(chǎn)生彎矩→彎矩導(dǎo)致滾子外徑中部崩裂→在反復(fù)彎曲應(yīng)力作用（同時(shí)剪應(yīng)力作用）下，滾子中部低碳區(qū)產(chǎn)生斷裂。

改進(jìn)建議：

（1）控制滾動(dòng)體外徑錐度，滿足標(biāo)準(zhǔn)；

（2）控制滾動(dòng)體外徑母線形狀相對(duì)于中線的對(duì)稱性；

（3）控制滾動(dòng)體坡長(zhǎng)的對(duì)稱性；

（4）控制滾動(dòng)體外徑粗糙度一致性。

6 結(jié)論

通過對(duì)軋輥用四列圓柱滾子軸承失效滾動(dòng)體分析，得出此種滾動(dòng)體失效應(yīng)是滾子錐度不好引起。因此，在加工制造過程中要嚴(yán)格控制滾子錐度；同時(shí)也要控制滾子外徑母線相對(duì)于滾子中線的對(duì)稱度。