張 麗，蔣 菲，武 鑫

(1.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

目前220 kV及以上電壓等級的斷路器主要采用彈簧機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)或液壓彈簧機(jī)構(gòu)[1-4]，液壓機(jī)構(gòu)具有動(dòng)作快、反應(yīng)靈敏、輸出功率大、維護(hù)工作量少、操作噪聲小、可靠性高、出力特性和斷路器負(fù)載特性匹配好等特點(diǎn)[5-8]。軸承將運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓機(jī)構(gòu)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失。軸承可以支承轉(zhuǎn)動(dòng)的軸及軸上零件，并保持軸的正常工作位置和旋轉(zhuǎn)精度，且使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于一般機(jī)械設(shè)備。但在使用中，受到滾動(dòng)體載荷分布不均勻，沖擊力大等因素影響，軸承出現(xiàn)磨損、刮傷、噪聲甚至斷裂的情況也較常見。

以西北地區(qū)某330 kV變電站斷路器液壓機(jī)構(gòu)軸承事件為例，通過外觀檢查、材質(zhì)分析、金相檢驗(yàn)及掃描電鏡微觀形貌及能譜分析等試驗(yàn)手段，分析查找軸承破碎的真實(shí)原因，為全面開展同類問題的排查處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 事件概述

2020年6月10日，某供電公司發(fā)現(xiàn)330 kV變電站斷路器液壓機(jī)構(gòu)軸承斷裂，鏈接軸銷表面有多處劃傷痕跡。采用宏觀檢查、材質(zhì)分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡微觀形貌及能譜分析等試驗(yàn)手段開展了失效機(jī)理分析。

該斷路器為河南平高電氣股份有限公司生產(chǎn)，配CYT型液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，2013年08月08日生產(chǎn)，2013年09月18日投入運(yùn)行。

2 檢驗(yàn)分析

2.1 宏觀檢查

對軸承進(jìn)行編號，外觀較為完整的編為#1軸承，外觀破損較為嚴(yán)重的編為#2軸承(如圖1、2)。由#1軸承內(nèi)圈鋼印(LYC)可知(如圖3)，該軸承生產(chǎn)廠家為洛陽軸承廠，產(chǎn)品型號為42208H(現(xiàn)型號改為NJ208M)。經(jīng)過宏觀檢查發(fā)現(xiàn)#1軸承靠近與拐臂相連側(cè)發(fā)生損傷，#2軸承整體破損嚴(yán)重(如圖4、5、8)，軸承內(nèi)圈外圈破損為許多碎片(如圖6、7)，由于碎片缺失未能將其完整拼接。鏈接軸銷表面有多處劃傷痕跡，長度為10～15 mm，最大劃傷深度為1.8 mm(如圖9)。

圖1 #1、#2軸承所在位置 圖2 #1軸承內(nèi)表面

圖3 #1軸承內(nèi)圈外表面 圖4 #1軸承內(nèi)圈內(nèi)表面

圖5 #2軸承外圈內(nèi)表面 圖6 #2保持架及部分滾柱

圖7 #2軸承碎片 圖8 #2軸承部分滾柱

2.2 材質(zhì)成分檢測檢驗(yàn)

對樣品進(jìn)行光譜材質(zhì)成分檢測，軸承內(nèi)圈及外圈用大型直讀光譜儀進(jìn)行檢測，滾柱和軸銷由于尺寸原因使用便攜式光譜儀進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)詳見表1，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分析要求見表2、3。

圖9 鏈接軸銷

根據(jù)平高集團(tuán)有限公司提供資料顯示，軸承材料牌號為GCr15，軸銷材料牌號為20CrMnMo。依據(jù)GB/T 18254《高碳鉻軸承鋼》牌號GCr15軸承鋼成分規(guī)定與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)#1軸承內(nèi)圈碳含量超過GCr15上限0.2%，鉻含量最低的#2軸承滾柱低于標(biāo)準(zhǔn)下限0.12%，隨著碳含量的增加,材料的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度將會(huì)增加，但降低了可塑性，鉻在低合金鋼中主要提高鋼的淬透性及強(qiáng)度和硬度，同時(shí)會(huì)降低伸長率和斷面收縮率。軸銷的牌號為20CrMnMo，經(jīng)過檢測，軸銷的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 樣品元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 GB/T 18254《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的成分要求

表3 GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的成分要求

2.3 材料硬度檢測

分別對2個(gè)軸承的外圈、內(nèi)圈及滾柱進(jìn)行了硬度檢測，檢測數(shù)據(jù)詳見表4。參照J(rèn)B/T 1255-2014 《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》中對GCr15的硬度要求，檢測發(fā)現(xiàn)所檢部件均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對軸銷周向進(jìn)行了硬度檢測，檢測數(shù)據(jù)詳見表4。由于平高集團(tuán)有限公司未能提供軸銷熱處理方面的具體供貨技術(shù)條件，經(jīng)查詢工程機(jī)械公司質(zhì)量技術(shù)部關(guān)于軸銷材質(zhì)熱處理等方面的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對于直徑小于Φ50的軸銷，整體淬火后硬度要求為45～50 HRC。樣品檢測結(jié)果顯示軸銷的硬度在45 HRC以上，軸銷周向硬度值符合一般供貨條件。

表4 洛氏硬度檢測值 /HRC

2.4 金相檢驗(yàn)

分別對#1軸承外圈、#2軸承外圈、#2軸承內(nèi)圈，#1軸承滾柱、#2軸承滾柱進(jìn)行金相檢查。從金相圖可見#1軸承外圈、#2軸承外圈、#2軸承內(nèi)圈組織均為回火馬氏體組織，#1軸承外圈、#2軸承內(nèi)圈組織評級為1級，#2軸承外圈組織評級為2級(如圖10、11、12)。#1軸承滾柱、#2軸承滾柱為淬回火屈氏體組織，組織評級為1級(如圖13、14)。金相組織評級滿足JB/T 1255-2014 《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》中對GCr15 的顯微組織評級要求。

圖10 #1軸承外圈 500倍 圖11 #2軸承外圈 500倍

圖12 #2軸承內(nèi)圈 500倍 圖13 #1軸承滾柱 500倍

2.5 掃描電鏡和能譜檢查

抽取一塊#2軸承碎片進(jìn)行掃描電鏡檢查。在200倍下能明顯的看到放射形及人字形山脊?fàn)罨y(如圖15、16)，在10 000倍下發(fā)現(xiàn)其斷裂面均是韌窩(如圖17)，說明該軸承屬于韌性斷裂。對樣品進(jìn)行能譜線掃描，結(jié)果顯示該軸承主要化學(xué)元素有Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo(如圖18)，符合之前對該軸承的光譜分析結(jié)果。

圖14 #2軸承滾柱500倍 圖15 掃描電鏡200倍照片

圖16 掃描電鏡500倍照片 圖17 掃描電鏡1萬倍照片

圖18 能譜合金圖

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過對軸承的檢測發(fā)現(xiàn)其化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值存在一定偏差，但硬度、金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 經(jīng)對斷裂軸承殘骸部分?jǐn)嗫谶M(jìn)行宏觀及微觀檢測，未發(fā)現(xiàn)有疲勞及其它損傷斷裂跡象，造成材料斷裂的主要原因是過載。

(3) 通過對宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)軸承均在一側(cè)方向發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，說明該軸承失效前承受較大的軸向力，此類型滾柱軸承徑向承載能力較強(qiáng)，但承受軸向載荷及彎曲載荷的能力很弱，由破損方向判斷軸承及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有可能存在裝配問題，造成軸承在使用過程中承受過大的軸向力或扭轉(zhuǎn)彎矩，使軸承局部過載破損造成卡澀，最終使得整個(gè)軸承完全破壞。通過此次分析實(shí)驗(yàn)對實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修提出了合理實(shí)用的意見與建議，采取改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似的失效在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)再次發(fā)生，對設(shè)備管理提供了有力的技術(shù)支撐。