劉良勇，何峰濤，王玉飛，梁華

（1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039）

脂潤(rùn)滑軸承由于簡(jiǎn)便的潤(rùn)滑方式得以廣泛應(yīng)用，但由于潤(rùn)滑脂的稠度大，脂潤(rùn)滑軸承一般僅適用于中、低轉(zhuǎn)速工況。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于剪切發(fā)熱較為嚴(yán)重，而其本身起不到冷卻的作用，所以高速時(shí)不宜采用脂潤(rùn)滑［1］。脂潤(rùn)滑軸承省去了油潤(rùn)滑軸承所需的供油系統(tǒng)，使?jié)櫥到y(tǒng)簡(jiǎn)化，具有體積小、重量輕、損耗能量小的特點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)武器裝備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和低成本設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，脂潤(rùn)滑更適于國(guó)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(dòng)軸承的失效機(jī)理受軸承自身材料、加工、應(yīng)用等多因素的影響［3］，其中潤(rùn)滑失效是導(dǎo)致軸承出現(xiàn)故障的重要原因，因此，對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)某裝備用高速重載脂潤(rùn)滑軸承的失效過(guò)程和軸承材料特性進(jìn)行分析，為該軸承的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供方向。

1 試驗(yàn)

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)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(rùn)滑脂為某高溫高速潤(rùn)滑脂，其參數(shù)見(jiàn)表1，填脂量為軸承內(nèi)部空間的20%。

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

為了防止在軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑脂被甩出軸承而影響潤(rùn)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(jiàn)表2。計(jì)算得軸承的徑向基本額定動(dòng)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(yàn)條件

根據(jù)主機(jī)要求，軸承在工作時(shí)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(yàn)條件見(jiàn)表3。主機(jī)要求軸承進(jìn)行8個(gè)循環(huán)，累計(jì)壽命為36 000 s。

表3 試驗(yàn)條件Tab.3 Test condition

從表3中可以看出，軸承的徑向當(dāng)量動(dòng)載荷Pr與徑向基本動(dòng)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(yàn)方法

由于潤(rùn)滑脂不能帶走熱量，還會(huì)因?yàn)榍虻臄嚢?、剪切作用使軸承產(chǎn)生大量的熱量，使軸承溫升過(guò)快，因此溫升成為高速脂潤(rùn)滑軸承的突出問(wèn)題［4-5］。根據(jù)主機(jī)結(jié)構(gòu)，在軸承外圈外徑表面通循環(huán)航空潤(rùn)滑油4050進(jìn)行冷卻。試驗(yàn)過(guò)程中利用溫度和振動(dòng)傳感器對(duì)外圈溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

為使?jié)櫥鶆蚍植?，正式試?yàn)開(kāi)始前對(duì)軸承進(jìn)行啟停間歇操作，防止接觸面過(guò)熱，造成損害。在停機(jī)期間，軸承零件間的溫度會(huì)平衡調(diào)節(jié)，因此不會(huì)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(cè)潤(rùn)滑脂磨合及之后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度變化。在任何情況下均須避免因過(guò)載而造成持續(xù)溫升。軸承溫度穩(wěn)定時(shí)即結(jié)束潤(rùn)滑脂磨合，再進(jìn)行正式試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

軸承裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到10 948 s（第3個(gè)循環(huán)）時(shí)主機(jī)振動(dòng)超限，試驗(yàn)機(jī)停機(jī)。停機(jī)前43 s主機(jī)振動(dòng)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(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，在最后3 s內(nèi)主機(jī)振動(dòng)急劇升高。軸承外圈溫度在停機(jī)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(jī)前5 s內(nèi)主機(jī)振動(dòng)急劇增大，表明內(nèi)圈過(guò)度膨脹，直至最后抱軸。

圖3 溫度和振動(dòng)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(rùn)滑脂嚴(yán)重碳化。對(duì)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(yán)重?zé)齻?，這與溫升和振動(dòng)異常相符。

2.1 宏觀形貌

經(jīng)觀察，2個(gè)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(lán)色且具有金屬光澤，溝道面及擋邊完好無(wú)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(duì)內(nèi)圈端面打磨后，采用HR-150A洛氏硬度計(jì)（加載力為1 500 N）測(cè)試其硬度，結(jié)果見(jiàn)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)要求，但局部硬度明顯下降，導(dǎo)致同一零件硬度差超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)要求硬度差不大于1）。

2.3 金相檢驗(yàn)

失效軸承淬、回火組織按JB／T 2850—2007評(píng)定為3級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(jìn)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(wú)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(kuò)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(guò)高，根本原因是潤(rùn)滑不能滿足軸承工況條件。失效過(guò)程為：軸承在給定潤(rùn)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(fù)游隙，從而使兩者間產(chǎn)生過(guò)大的接觸應(yīng)力。在應(yīng)力和熱的綜合作用下發(fā)生潤(rùn)滑失效，進(jìn)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(guò)回火溫度）。

綜上，可以判定軸承失效的原因是潤(rùn)滑不能滿足軸承工況條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)軸承試驗(yàn)初步確定軸承失效是因?yàn)樵囼?yàn)中的熱不平衡，根據(jù)對(duì)失效軸承內(nèi)圈的宏觀形貌、硬度、金相等分析，進(jìn)一步確定了熱不平衡的原因是溫度過(guò)高導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)滑脂等措施延長(zhǎng)軸承使用壽命。