單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承失效分析

錢建國(guó)，盧 浩，王 濤

(1. 南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，南京 210038；2. 空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 210016)

0 引 言

雷達(dá)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)的重要組成部分，其功能是驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線進(jìn)行高精度的方位旋轉(zhuǎn)。一型雷達(dá)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由齒輪減速電機(jī)、圓柱直齒輪、回轉(zhuǎn)支承、方位同步機(jī)構(gòu)組成。雷達(dá)采用單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承,此種回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是滾柱呈 1∶1交叉排列，其承受綜合載荷能力較強(qiáng)，回轉(zhuǎn)精度較高，結(jié)構(gòu)緊湊[1-2]，在雷達(dá)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較多；缺點(diǎn)是一旦回轉(zhuǎn)支承出現(xiàn)故障，整個(gè)雷達(dá)將無(wú)法正常工作。該型雷達(dá)已批量生產(chǎn)列裝多年，僅發(fā)生1次回轉(zhuǎn)支承失效問(wèn)題。

本文通過(guò)復(fù)核回轉(zhuǎn)支承的受力情況和額定壽命、復(fù)查生產(chǎn)過(guò)程、內(nèi)外圈理化檢驗(yàn)、外圈滾道斷口分析等，排查和分析失效原因，最后針對(duì)回轉(zhuǎn)支承的失效原因提出了預(yù)防措施。

1 回轉(zhuǎn)支承失效情況

該型雷達(dá)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈通過(guò)螺栓聯(lián)接，緊固在天線座車安裝平臺(tái)上，外圈通過(guò)螺栓聯(lián)接與天線轉(zhuǎn)臺(tái)緊固。方位齒輪減速電機(jī)通過(guò)主動(dòng)圓柱直齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈齒輪，實(shí)現(xiàn)天線方位旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈材料采用42CrMo合金鋼，整體調(diào)質(zhì)后對(duì)滾道部位進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火、低溫回火，滾道表面硬度要求為55～62 HRC，硬化層深度要求為不小于4 mm。滾柱采用GCr15SiMn軸承鋼，硬度要求為61～65 HRC，滾柱直徑為Φ35 mm，長(zhǎng)度為34.5 mm，數(shù)量為76只。滾道中心直徑為Φ994 mm。該回轉(zhuǎn)支承工作時(shí)轉(zhuǎn)速為6 r/min，采用人工補(bǔ)充添加寬溫潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑方式。

圖1 方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該雷達(dá)在戶外工作，每天運(yùn)轉(zhuǎn)約12 h。使用期間，天線轉(zhuǎn)臺(tái)與天線座車的方位防塵圈之間間隙變小，逐漸不均勻，甚至出現(xiàn)局部與防塵圈發(fā)生干涉摩擦現(xiàn)象，如圖2所示。該雷達(dá)使用3 a左右發(fā)生方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)卡死問(wèn)題。

圖2 天線轉(zhuǎn)臺(tái)與防塵圈間隙情況

拆除天線和方位轉(zhuǎn)臺(tái)后，采用撬杠撬動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承軸向游隙很大，約2 mm，而該型回轉(zhuǎn)支承的軸向游隙指標(biāo)為不大于0.05 mm。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承卡死，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。

拆卸該回轉(zhuǎn)支承，檢查情況如下：外圈滾道剝落嚴(yán)重，長(zhǎng)度約10 cm，如圖3所示；掉塊殘留體僅剩兩小塊，其中1塊嵌在尼龍隔離塊上，下部已燒結(jié)，如圖4所示；內(nèi)圈滾道嚴(yán)重磨損，存在明顯壓痕，如圖5所示；采用夾球測(cè)量，尺寸變動(dòng)量為1.5 mm；滾柱及尼龍隔離塊均保持完整，滾柱表面有明顯熱變色，如圖6所示。

圖3 外圈滾道剝落情況

圖4 掉塊殘留體情況

圖5 內(nèi)圈滾道磨損情況

圖6 滾柱及尼龍隔離塊情況

2 受力情況和額定壽命復(fù)核

根據(jù)該回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)部主參數(shù)，繪制靜態(tài)負(fù)荷能力曲線(見(jiàn)圖7)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷能力曲線(見(jiàn)圖8)。按照該回轉(zhuǎn)支承承受的最大綜合載荷計(jì)算靜態(tài)載荷安全系數(shù)和額定壽命，由計(jì)算結(jié)果可知均滿足使用要求。

圖7 靜態(tài)負(fù)荷能力曲線

圖8 動(dòng)態(tài)負(fù)荷能力曲線

3 生產(chǎn)過(guò)程復(fù)查

追溯該回轉(zhuǎn)支承的生產(chǎn)過(guò)程控制、工序檢驗(yàn)、成品檢驗(yàn)情況，生產(chǎn)過(guò)程控制、檢驗(yàn)記錄均符合設(shè)計(jì)、工藝要求。

4 內(nèi)外圈理化檢驗(yàn)

4.1 化學(xué)成分檢測(cè)

使用合金分析儀對(duì)該回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)圈、外圈化學(xué)成分(單位：%)

由檢測(cè)結(jié)果可知，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈的主要化學(xué)成分滿足GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

4.2 滾道金相檢驗(yàn)

制取該回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈滾道截面金相試樣，對(duì)滾道中部顯微組織及晶粒度進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)JB/T 9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》進(jìn)行評(píng)級(jí)。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)圈、外圈滾道顯微組織情況

由檢測(cè)結(jié)果可知，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈的顯微組織級(jí)別滿足JB/T 9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》規(guī)定的3～7級(jí)要求。

4.3 滾道表面硬度和硬化層深度檢測(cè)

制取該回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈、外圈滾道截面金相試樣各兩件，外圈滾道1取自靠近剝塊部位。對(duì)滾道中部位置檢測(cè)其表層硬度及有效硬化層深度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)圈、外圈滾道表層硬度及有效硬化層深度

由檢測(cè)結(jié)果可知，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈滾道表層硬度低于55～62 HRC的指標(biāo)要求，有效硬化層深度低于4 mm的指標(biāo)要求；回轉(zhuǎn)支承外圈滾道表層硬度滿足55～62 HRC的指標(biāo)要求，靠近剝塊的部位有效硬化層深度略低于4 mm的指標(biāo)要求。

5 外圈滾道斷口分析

5.1 斷口宏觀分析

回轉(zhuǎn)支承外圈滾道的剝落部位宏觀形貌如圖9所示，對(duì)斷面進(jìn)行取樣觀察，斷口表面存在過(guò)熱氧化現(xiàn)象，斷面存在嚴(yán)重磨損痕跡，源區(qū)位于滾柱接觸部位，向內(nèi)擴(kuò)展，見(jiàn)圖9中圈出部位。

圖9 斷面宏觀形貌

5.2 斷口微觀分析

將斷口經(jīng)10%稀鹽酸水溶液除銹，清洗吹干后放入掃描電鏡進(jìn)行觀察，斷口源區(qū)形貌如圖10所示。進(jìn)一步放大源區(qū)后觀察，邊緣部位為磨損痕跡，其余部位主要為沿晶形貌，如圖11～圖13所示；斷口擴(kuò)展區(qū)高倍形貌如圖14所示，為沿晶+穿晶形貌。

圖10 斷口源區(qū)低倍形貌 22×

圖11 斷口源區(qū)磨損形貌 100×

圖12 斷口源區(qū)高倍形貌 1200×

圖13 斷口源區(qū)高倍形貌 2400×

圖14 斷口擴(kuò)展區(qū)高倍形貌 2400×

對(duì)斷口進(jìn)行能譜檢測(cè)，除基體元素外，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素和夾雜物，如圖15所示。

圖15 斷口能譜檢測(cè)結(jié)果

5.3 斷口金相分析

對(duì)斷口取樣進(jìn)行金相觀察：拋光態(tài)未發(fā)現(xiàn)有塊狀和條狀非金屬夾雜物。腐蝕后觀察，滾道表面感應(yīng)淬硬層外深內(nèi)淺，組織存在帶狀偏析，如圖16所示。

圖16 金相高倍組織 100×

靠近斷口處硬化層高倍組織為針狀馬氏體+殘余奧氏體，如圖17所示。心部組織為回火索氏體，如圖18所示。

圖17 斷口金相高倍組織 500×

圖18 心部金相高倍組織 500×

按照J(rèn)B/T 9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》對(duì)硬化層不同區(qū)域進(jìn)行組織評(píng)級(jí)，近表層硬化層顯微組織級(jí)別為3級(jí)，晶粒度為7級(jí)；距表層一定距離處硬化層顯微組織級(jí)別為5級(jí)，晶粒度為10級(jí)，分別如圖19、20所示，表層硬化層顯微組織較為粗大，應(yīng)為表面磨損發(fā)熱所致。

圖19 近表層淬硬層高倍組織 400×

圖20 距表層較深處淬硬層高倍組織400×

垂直表面對(duì)感應(yīng)淬火層深度方向進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)感應(yīng)淬火層近表面隨機(jī)選取多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯龈袘?yīng)淬火層硬度分布不均，局部點(diǎn)存在高于或者低于技術(shù)要求的現(xiàn)象。

表4 感應(yīng)淬火層硬度梯度

表5 感應(yīng)淬火層表面橫向硬度

6 失效分析與討論

6.1 微觀分析

該回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈滾道表面存在嚴(yán)重磨損痕跡，淬硬層有效硬化層深度較低，表面硬度較低。

該回轉(zhuǎn)支承外圈滾道斷口表面存在磨損痕跡，斷口主要為沿晶、穿晶斷裂特征形貌，斷裂源區(qū)位于滾道外側(cè)淬硬層部位，斷口垂直面光學(xué)金相顯微圖片顯示表層硬化層組織較為粗大，符合斷口沿晶、穿晶斷裂特征。該回轉(zhuǎn)支承外圈滾道基體組織存在偏析，在進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理后，感應(yīng)淬火層硬度分布不均，硬度高、低點(diǎn)差值較大，局部甚至出現(xiàn)高于或者低于硬度技術(shù)要求上下限的現(xiàn)象。

6.2 材料工藝分析

該回轉(zhuǎn)支承外圈滾道低倍組織觀察表面存在明顯組織偏析，出爐材料的熔煉均勻性存在不足的可能性較大，后續(xù)熱加工未能有效改善宏觀偏析，經(jīng)調(diào)質(zhì)、中頻感應(yīng)淬火、低溫回火處理后，硬化層硬度分布不均，影響回轉(zhuǎn)支承滾道表面承載強(qiáng)度的均一性。

6.3 結(jié)論

綜上所述，該回轉(zhuǎn)支承失效的原因如下：

(1) 外圈滾道淬硬層表面發(fā)生嚴(yán)重磨損，宏觀可見(jiàn)斷口表面存在過(guò)熱氧化現(xiàn)象，微觀可見(jiàn)表層淬硬層在磨損過(guò)程中組織因受熱而較為粗大，同時(shí)組織偏析引起的硬度分布不均、組織應(yīng)力和淬硬層熱應(yīng)力的存在綜合導(dǎo)致了回轉(zhuǎn)支承外圈滾道失效[2-3]；

(2) 回轉(zhuǎn)支承外圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈固定，外圈滾道剝塊夾于滾柱、尼龍隔離塊、內(nèi)圈滾道間，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)剝塊與內(nèi)圈滾道持續(xù)摩擦，摩擦力矩變大，溫度升高，在不能及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑脂的情況下，內(nèi)圈滾道出現(xiàn)二次高溫回火，降低了滾道表面硬度，從而導(dǎo)致內(nèi)圈滾道加劇磨損[4]；

(3) 由于內(nèi)圈滾道表面硬度下降，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致內(nèi)圈滾道嚴(yán)重磨損，使得回轉(zhuǎn)支承的游隙不斷變大，內(nèi)外圈傾斜，滾柱與滾道接觸角發(fā)生較大變化，導(dǎo)致卡死，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)失效原因，應(yīng)采取以下預(yù)防措施：

(1) 原材料把關(guān)，增加原材料顯微組織分析，調(diào)質(zhì)處理前增加擴(kuò)散退火，以降低組織成分偏析，促進(jìn)雜質(zhì)分散和均勻化，提高調(diào)質(zhì)處理的準(zhǔn)備組織均勻性，提高淬透性和過(guò)渡層組織變化連續(xù)性[6]；

(2) 加強(qiáng)對(duì)回轉(zhuǎn)支承的潤(rùn)滑維護(hù)保養(yǎng)，按照使用維護(hù)說(shuō)明書要求定期添加潤(rùn)滑脂[7]。在回轉(zhuǎn)支承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，注意監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)支承工作狀態(tài)，關(guān)注噪音、溫升情況；

(3) 在研制新產(chǎn)品時(shí)應(yīng)用回轉(zhuǎn)支承故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，將回轉(zhuǎn)支承納入雷達(dá)健康管理系統(tǒng)[8-9]。另外，回轉(zhuǎn)支承的潤(rùn)滑可采用自動(dòng)注脂潤(rùn)滑技術(shù)或稀油潤(rùn)滑，以簡(jiǎn)化回轉(zhuǎn)支承的日常潤(rùn)滑維護(hù)保養(yǎng)工作。