卜鋒斌，曹贊新，張 路

● （1．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031；2．中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

快速擺動裝置承載滾輪失效分析

卜鋒斌1，曹贊新2，張 路2

● （1．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031；2．中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

通過滲透著色探傷、斷面電鏡掃描、相關(guān)區(qū)域截面金相檢測、截面硬度測定和化學(xué)元素測量對快速擺動裝置的承載滾輪在試驗中出現(xiàn)的異常磨損和裂紋進行了分析，指出了軸承內(nèi)圈破斷原因并提出改進建議。

滾輪；擺動機構(gòu)；失效分析

1 失效分析與處理

1.1 滾輪失效概述

在綜合試驗場進行例行拆檢調(diào)整時，需拆下快速擺動機構(gòu)中擺動曲柄與驅(qū)動曲柄之間的連接部件——滾輪，拆卸過程以鐵榔頭敲擊滾輪軸使其與滾輪分離。滾輪軸拆下后檢查發(fā)現(xiàn)，兩軸均有橫向與周向拉傷痕跡，以右側(cè)滾輪軸為甚。滾輪軸承內(nèi)圈局部有金屬粘結(jié)，并且右側(cè)滾輪的雙列圓錐滾子軸承靠外側(cè)的內(nèi)圈有一道軸向 Y形裂紋，如圖2所示。

圖2 失效的右側(cè)滾輪

進一步拆檢失效的右側(cè)滾輪，可見外側(cè)破斷軸承內(nèi)圈的大端面近外圓處周向磨損，內(nèi)側(cè)未破斷軸承內(nèi)圈的大端面近外圓處也周向磨損（見圖 3）。為了比較，給出了正常的、未破斷軸承內(nèi)圈大、小端面形貌（見圖4）。

圖3 破斷軸承內(nèi)圈大、小端面形貌

圖4 未破斷軸承內(nèi)圈大、小端面形貌

1.2 滾輪失效分析

1.2.1 軸承內(nèi)圈破斷機理分析

1）滲透著色分析。在兩軸承內(nèi)圈大端面上進行滲透著色探傷，結(jié)果見圖5，兩軸承內(nèi)圈大端面的磨損區(qū)域內(nèi)均有多條長短不一的徑向裂紋。

圖5 內(nèi)圈大端面著色探傷形貌

2）掃描電鏡分析。破斷內(nèi)圈的斷面宏觀形貌如圖 6所示。

圖6 破斷內(nèi)圈的斷面宏觀形貌

對破斷內(nèi)圈斷面近大端面的起始區(qū)、斷面中部臺階區(qū)域、斷面近小端面區(qū)域和近斷面的大端面進行掃描電鏡分析，如圖7所示（圖中斷面是與圖6斷面相對應(yīng)的另一斷面）。圖7(a)右上方為大端面（頂面）近外圓處，斷面基本平整，隱約可見由近端轉(zhuǎn)角起始的擴展條紋，在近端平面邊緣處有幾處突起，擬與表面先期龜裂有關(guān)。圖7(b)左、右側(cè)為內(nèi)、外圓表面，上接大端，下接小端，中間為斷面轉(zhuǎn)折臺階處，可見該處斷面起伏。圖7(c)左上側(cè)為小端內(nèi)圓表面，斷面平整，可見由上向下推進的條紋。圖7(d)左側(cè)為斷面，大端面磨損區(qū)域平面上可見平行的周向分布的摩擦條痕，局部拉傷狀[4]。

圖7 斷面低倍形貌

圖8 大端近外圓切線方向截面

3）金相分析。截取破斷軸承內(nèi)圈大端近外圓切線方向截面，可以看見，由端面起始并垂直于表面（端面）、平行于斷面的裂紋，裂紋曲折分布，深約0.49mm，見圖8。高倍下形貌（圖9(a)）可見表層呈白亮色，且局部有剝落現(xiàn)象。疑似表層經(jīng)摩擦后二次淬火，淬火層深約0.012mm。次表層呈深色，組織有流變，懷疑是受高溫回火。開口處裂紋分布與組織流變相關(guān)。裂紋尾段組織分布形貌見圖9(b)所示，裂紋曲折，穿晶及沿晶狀分布，附近組織為：針狀馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀碳化物，馬氏體組織大于5級，呈過熱形態(tài)。

圖9 裂紋及附近組織分布形貌

同樣截取破斷軸承內(nèi)圈位于斷面部位的大端近外圓切線方向截面，組織分布形貌見圖10所示，圖中左側(cè)為斷面。斷面處截面上部為平面表層（圖10(a)），可見表層呈白色，為二次淬火層，次表層呈深色，為高溫回火層；斷面處截面中部表層組織分布形貌見圖 10(b)所示，局部斷面沿晶分布。斷面較平整，斷面表層組織為針狀馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀碳化物，馬氏體組織大于5級，見圖11(a)；網(wǎng)狀碳化物評為1級，見圖11(b)。

圖10 斷面處截面組織分布形貌

圖11 斷面表層基體組織和碳化物分布形貌

截取未破斷軸承內(nèi)圈大端近外圓切線方向截面，該區(qū)域組織分布形貌見圖12，平面表層呈白亮色，為二次淬火層，深約0.044mm；次表層呈深色，為高溫回火層，裂紋垂直于表面，曲折分布。高倍下可見裂紋開口處垂直表面，后折向內(nèi)擴展，見圖13(a)。裂紋尾段區(qū)域組織分布形貌見圖13(b)，裂紋沿晶及穿晶分布?；w組織為：針狀馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀碳化物，馬氏體組織大于5級，見圖14(a)；網(wǎng)狀碳化物為1級，見圖14(b)。

圖12 大端近外圓切線方向截面

圖13 裂紋及附近組織分布形貌

圖14 裂紋尾段基體組織和碳化物分布形貌

4）硬度測定。在破斷軸承內(nèi)圈截面上測定維氏硬度，結(jié)果見表1。

表1 在破斷軸承內(nèi)圈截面上測定的硬度值

5）化學(xué)分析。在破斷軸承內(nèi)圈上取樣對下列元素進行化學(xué)分析，結(jié)果見表2。

表2 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2.2 軸承內(nèi)圈破斷原因

根據(jù)上述軸承內(nèi)圈破斷機理分析，軸承內(nèi)圈破斷原因為：滾輪運行中軸承內(nèi)圈大端面受異常摩擦損傷，誘發(fā)了軸承內(nèi)圈大端面的疲勞開裂，加上軸承內(nèi)圈基體組織脆性較大，后續(xù)使用中在外力的作用下，大端面處裂紋由大端起始向小端發(fā)展，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈最終脆性斷裂。因此，防止軸承內(nèi)圈破斷的關(guān)鍵是消除引發(fā)軸承內(nèi)圈大端面異常摩擦損傷的因素。

1.2.3 軸承內(nèi)圈大端面摩損機理分析

1）機構(gòu)運動原理與滾輪受力機理分析?？焖贁[動機構(gòu)實質(zhì)上是一組平面多桿機構(gòu)，包括7個低副（5個轉(zhuǎn)動副、2個移動副）。其中油缸繞機架上的固定軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成一組轉(zhuǎn)動副，活塞桿沿著油缸移動構(gòu)成一組移動副（主動運動副），活塞桿繞著驅(qū)動曲柄上的固定軸轉(zhuǎn)動構(gòu)成一組轉(zhuǎn)動副，驅(qū)動曲柄繞機架上的固定軸轉(zhuǎn)動構(gòu)成一組轉(zhuǎn)動副；另外擺動曲柄繞固定軸轉(zhuǎn)動構(gòu)成一組轉(zhuǎn)動副，滾輪自身可繞著滾輪軸轉(zhuǎn)動形成最后一組轉(zhuǎn)動副，同時滾輪又可沿著擺動曲柄上的軌道槽移動組成一對移動副。機構(gòu)運動簡圖如圖15所示。

圖15 快速擺動機構(gòu)運動簡圖

快速擺動機構(gòu)的運動極限位置如圖1、15所示，驅(qū)動曲柄豎直狀態(tài)（圖1中以雙點劃線表示的狀態(tài)）為機構(gòu)升起到位狀態(tài)，此時外力F通過滾輪傳遞至驅(qū)動曲柄。驅(qū)動曲柄在承受外力 F情況下由油缸活塞桿帶動逆時針向下擺動，并帶動滾輪沿擺動曲柄上的軌道槽移動。

圖16 滾輪與滾輪軸裝配圖

圖17 滾輪剖視圖

滾輪裝配關(guān)系見圖16，滾輪結(jié)構(gòu)見圖17。滾輪內(nèi)部軸承為雙列圓錐滾子軸承，軸承兩內(nèi)圈以背靠背形式安裝，軸承兩內(nèi)圈與隔圈的總長小于滾輪外殼內(nèi)側(cè)與螺紋端蓋內(nèi)側(cè)的間距。滾輪安裝于驅(qū)動曲柄頂端槽口內(nèi)凸臺面處，并通過長、短套筒實現(xiàn)對軸承內(nèi)圈的軸向限位，以保持軸承內(nèi)圈與滾輪外殼內(nèi)側(cè)及螺紋端蓋內(nèi)側(cè)的間隙，防止發(fā)生相互間的端面磨損。外力F沿徑向作用于滾輪，在此力作用下，軸承兩內(nèi)圈有向外側(cè)軸向移動的趨勢，并通過兩端套筒擠壓驅(qū)動曲柄頂端槽口內(nèi)凸臺面，迫使驅(qū)動曲柄凸臺面外移，凸臺面間距變大，增加軸承內(nèi)圈的軸向可移動量。防止軸承內(nèi)圈外移的因素有二：一是長、短套筒對軸承內(nèi)圈的軸向限位必須足夠，與驅(qū)動曲柄凸臺面間不能留有太大的間隙；二是驅(qū)動曲柄必須有足夠剛性，使安裝滾輪處寬度為102mm的凸臺面間距在受力狀態(tài)下的變動量保持在一定范圍。在兩因素共同作用下，軸承內(nèi)圈的軸向可移動量小于其與滾輪外殼內(nèi)側(cè)或螺紋端蓋內(nèi)側(cè)的間隙，則軸承內(nèi)圈與滾輪外殼內(nèi)側(cè)及螺紋端蓋內(nèi)側(cè)不會發(fā)生端面磨損。

根據(jù)滾輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實際拆檢情況，失效的右側(cè)滾輪的軸承內(nèi)圈大端面的異常磨損部位在近外圓處，即軸承兩內(nèi)圈大端面分別與滾輪外殼內(nèi)側(cè)及螺紋端蓋內(nèi)側(cè)接觸擠壓，并在存在周向相對轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下發(fā)生了端面磨損，說明軸承兩內(nèi)圈存在沿軸向向外側(cè)竄動的現(xiàn)象，即軸承兩內(nèi)圈的軸向限位不足。拆檢同時更換左側(cè)滾輪的軸承內(nèi)圈，在相同部位則未發(fā)現(xiàn)磨損跡象。

2）尺寸分析。查看原始設(shè)計，軸承兩內(nèi)圈大端面與滾輪外殼內(nèi)側(cè)及螺紋端蓋內(nèi)側(cè)各存在1.25mm的理論間隙（圖17），滾輪軸承內(nèi)圈與兩側(cè)用于軸向限位的長、短套筒的總長為102mm（圖16），與驅(qū)動曲柄頂端槽口安裝滾輪處凸臺面間距的名義尺寸一致。

測量失效的右側(cè)滾輪軸承，其兩內(nèi)圈高度分別為27.940、27.955mm，隔圈高度10.40mm，總高66.295mm；測量同時換左側(cè)滾輪軸承，兩內(nèi)圈高度都為27.95mm，隔圈高度10.40mm，總高66.3mm。

實際測量的右側(cè)驅(qū)動曲柄槽寬為 103.66mm～104.60mm，長套筒高度 21.44mm～21.46mm，短套筒高度14.18mm～14.22 mm。套筒最大長度和為35.68mm，加上軸承內(nèi)圈總高66.295mm后總長度為101.975mm，最小槽寬103.66mm，兩者差1.685mm，因此證實初始裝配狀態(tài)下右側(cè)滾輪軸承內(nèi)圈的軸向限位不足。測量左側(cè)驅(qū)動曲柄實際槽寬為 102mm，說明初始裝配狀態(tài)下左側(cè)滾輪軸承內(nèi)圈的軸向限位足夠。由此證明：在同樣的徑向力作用下，初始裝配狀態(tài)下軸向限位不足的右側(cè)滾輪軸承內(nèi)圈端面更易磨損。

2 分析結(jié)果及改進措施

2.1 分析結(jié)果

綜上分析結(jié)果，結(jié)合裝置實際使用情況，滾輪軸承內(nèi)圈斷裂是由于軸承兩內(nèi)圈的軸向限位不足，在承受徑向力情況下兩內(nèi)圈沿軸向外移，導(dǎo)致兩內(nèi)圈大端面分別與滾輪外殼內(nèi)側(cè)及螺紋端蓋內(nèi)側(cè)接觸擠壓，在滾輪滾動時滾輪外殼及螺紋端蓋與軸承兩內(nèi)圈發(fā)生周向相對轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致內(nèi)圈大端面異常磨擦損傷并誘發(fā)疲勞開裂，大端面存在疲勞開裂的軸承內(nèi)圈在后續(xù)使用中由于承受徑向力、瞬間擺動沖擊以及裝拆時的大力敲擊，使該處裂紋由大端起始向小端發(fā)展，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈最終脆性斷裂[5]。

2.2 改進措施

加工新的長、短套筒并進行更換。針對測量結(jié)果：驅(qū)動曲柄槽寬為103.66mm～104.60mm，滾輪軸承兩內(nèi)圈與隔圈總高66.3mm，以驅(qū)動曲柄槽寬103.66mm計算，若要使軸承兩內(nèi)圈軸向不竄動，則長套筒高度必須由21.44mm～21.46mm 改為 22.18mm，短套筒高度必須由14.18mm～14.22mm改為15.18mm。在實際操作中，因更換了新的滾輪，因此必須測量新的滾輪的軸承內(nèi)圈總高，在留有方便安裝的必要間隙t的前提下(0＜t＜0.3mm)，確定長、短套筒的應(yīng)有長度尺寸，以保證滾輪軸承內(nèi)圈的軸向限位。

3 結(jié)束語

根據(jù)失效原因分析及驗證結(jié)果，建議后續(xù)設(shè)計中對相關(guān)部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對影響裝配尺寸鏈的零件尺寸在后續(xù)機加工時應(yīng)嚴(yán)格控制。裝置使用過程中加強對滾輪的檢查與維修。

[1]朱海建, 黃廣茂. 南通船舶裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J]. 南通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2009(1): 88-90.

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[5]關(guān)文秀, 姜濤, 陶春虎, 等. 從失效案例分析軸承的早期失效[J]. 材料工程, 2012(12): 14-20.

ABB在首屆上交會全面展示智能制造裝備技術(shù)

ABB公司近日攜旗下工業(yè)機器人、高效電機和變頻器等一系列產(chǎn)品和解決方案，亮相首屆中國（上海）國際技術(shù)進出口交易會（“上交會”），全面展示了ABB在智能制造裝備領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)和實力。

工業(yè)機器人是ABB在本屆上交會上展出的最大亮點之一。由中國本地研發(fā)團隊開發(fā)的ABB全球最小機器人IRB 120和全球最快碼垛機器人IRB 460，通過鼠標(biāo)裝配和智能繪圖等應(yīng)用演示，向現(xiàn)場觀眾全面展示了其卓越的性能以及ABB在工業(yè)機器人領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。其中，碼垛機器人主要用于生產(chǎn)線末端的高速碼垛作業(yè)，其操作節(jié)拍最高可達(dá)每小時循環(huán)2190次，運行速度比同類常規(guī)機器人提升了15%；同時，其占地面積也比一般碼垛機器人節(jié)省20%，適用于在狹小的空間內(nèi)進行高速作業(yè)，為客戶大大節(jié)省廠房空間。

在上交會“全球創(chuàng)新企業(yè)高峰論壇”上，ABB中國離散自動化與運動控制業(yè)務(wù)部北亞區(qū)及中國負(fù)責(zé)人顧純元介紹了以工業(yè)機器人為代表的ABB智能制造裝備并分享了經(jīng)典案例。 以蘇泊爾集團為例，ABB為其衛(wèi)浴產(chǎn)品生產(chǎn)線提供了交鑰匙工程的機器人解決方案，幫助客戶將產(chǎn)品單件生產(chǎn)成本降低近50%，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量和緩解了招工壓力。而在國內(nèi)計算機無線外設(shè)產(chǎn)品領(lǐng)域最大的提供商之一深圳雷柏科技股份有限公司的鼠標(biāo)生產(chǎn)線上，70臺ABB 機器人幫助客戶實現(xiàn)生產(chǎn)效率的成倍提高，同時這些機器人的柔性特點還幫助客戶將自動設(shè)備的開發(fā)時間縮短15%。

另外，ABB還展示了新一代全能型工業(yè)傳動ACS880系列和低壓電機等產(chǎn)品和解決方案。ACS880采用通用架構(gòu)，為不同行業(yè)的客戶和應(yīng)用提供高水準(zhǔn)的兼容性、靈活性和易用性，大幅增效節(jié)能。在瑞士FIskeby造紙廠，ABB提供的ACS880工業(yè)變頻器幫助其稀釋水泵降低能耗達(dá)80%。ABB展出的低壓電機可廣泛適用于造紙、冶金、船舶等領(lǐng)域，因其高效穩(wěn)定的特點，能有效幫助客戶提高生產(chǎn)效率。

中國（上海）國際技術(shù)進出口交易會由中國商務(wù)部、科技部、知識產(chǎn)權(quán)局和上海市人民政府聯(lián)合主辦，是國內(nèi)外先進技術(shù)展示、交流和交易的盛會。首屆上交會以“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，保護知識產(chǎn)權(quán)，促進技術(shù)貿(mào)易”為主題，包括展覽展示、論壇活動和交易服務(wù)等內(nèi)容，其中展覽展示分為專業(yè)技術(shù)展區(qū)和組團展區(qū)，專業(yè)技術(shù)展區(qū)重點展示智能制造、新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保等板塊。

智能制造裝備是國務(wù)院確定的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)“高端裝備制造業(yè)”的重點發(fā)展方向之一。 根據(jù)“十二五”規(guī)劃，中國將大力發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)以加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，計劃到2015年，產(chǎn)業(yè)銷售收入超過10,000億元，年均增長率超過25%。作為全球自動化技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，ABB擁有完美的產(chǎn)品系列全面支持中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，幫助國內(nèi)客戶提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

Failure Analysis on Bearing Roller of Quick Swing Device

BU Feng-bin1, CAO Zan-xin2, ZHANG Lu2
(1. Naval Representative Office Stationed at CSIC No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. CSIC No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

Through the penetration color detection, the electron microscope scanning in fracture surface, the metallography detection in relevant regional cross section, the hardness testing and chemical element measurement on section, abnormal wear and cracks in the test for bearing roller of fast swing device are analyzed. Bearing inner ring breaking reasons are pointed out and some suggestions for improvement are put forward .

roller; swing mechanism; failure analysis

U664.6

A

0 引言

隨著船舶功能的不斷擴展，針對船用特種裝置的研究也迅猛發(fā)展[1]。本文介紹的船用特種裝置用于實現(xiàn)瞬間快速擺動功能。該裝置的核心為快速擺動機構(gòu)（圖 1），主要由油缸、滾輪、擺動曲柄、驅(qū)動曲柄和機架組成。滾輪、擺動曲柄、驅(qū)動曲柄各有兩件，位于油缸的左右兩側(cè)。快速擺動機構(gòu)的工作原理為：油缸在液壓控制系統(tǒng)的驅(qū)動下，通過活塞桿快速縮回帶動驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)，使擺動曲柄快速轉(zhuǎn)動。在正常使用過程中，整個機構(gòu)動作靈活，無異常雜音和阻滯現(xiàn)象。該機構(gòu)在油缸伸出即驅(qū)動曲柄豎直狀態(tài)時外力F通過擺動曲柄作用于滾輪，進而作用于驅(qū)動曲柄。研究滾輪在承載狀態(tài)下出現(xiàn)的異常磨損和裂紋等現(xiàn)象有助于延長滾輪的使用壽命[2-3]。

圖1 快速擺動機構(gòu)

1-油缸；2-滾輪；3-擺動曲柄；4-驅(qū)動曲柄；5-機架

卜鋒斌（1978-），男，工程師。專業(yè)：機電方向。