高速脂潤滑軸承失效分析

劉良勇，何峰濤，王玉飛，梁華

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

脂潤滑軸承由于簡便的潤滑方式得以廣泛應用，但由于潤滑脂的稠度大，脂潤滑軸承一般僅適用于中、低轉速工況。高速運轉時，由于剪切發熱較為嚴重，而其本身起不到冷卻的作用，所以高速時不宜采用脂潤滑［1］。脂潤滑軸承省去了油潤滑軸承所需的供油系統，使潤滑系統簡化，具有體積小、重量輕、損耗能量小的特點，從而可實現武器裝備的結構簡化和低成本設計目標。因此，脂潤滑更適于國防工業中普遍存在的短壽命、不重復使用的軸承［2］。滾動軸承的失效機理受軸承自身材料、加工、應用等多因素的影響［3］，其中潤滑失效是導致軸承出現故障的重要原因，因此，對臺架試驗時某裝備用高速重載脂潤滑軸承的失效過程和軸承材料特性進行分析，為該軸承的設計改進提供方向。

1 試驗

1.1 軸承結構

試驗軸承為雙半內圈角接觸球軸承，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，潤滑脂為某高溫高速潤滑脂，其參數見表1，填脂量為軸承內部空間的20%。

表1 潤滑脂參數Tab.1 Parametrics of grease

為了防止在軸承高速運轉時潤滑脂被甩出軸承而影響潤滑效果，采用帶有凹槽的防塵蓋。軸承結構如圖1所示，主要結構參數見表2。計算得軸承的徑向基本額定動載荷為13 020 N，徑向基本額定靜載荷為6 968 N。

圖1 軸承結構Fig.1 Structure of bearing

表2 軸承參數Tab.2 Parametrics of bearing

1.2 試驗條件

根據主機要求，軸承在工作時主要承受軸向載荷和較小的徑向載荷（轉子重量），軸向載荷隨著轉速變化而改變，具體試驗條件見表3。主機要求軸承進行8個循環，累計壽命為36 000 s。

表3 試驗條件Tab.3 Test condition

從表3中可以看出，軸承的徑向當量動載荷Pr與徑向基本動載荷C之比均大于15%，軸承外徑與轉速乘積均大于1×105mm·r／min，表明軸承屬于高速重載軸承。

1.3 試驗方法

由于潤滑脂不能帶走熱量，還會因為球的攪拌、剪切作用使軸承產生大量的熱量，使軸承溫升過快，因此溫升成為高速脂潤滑軸承的突出問題［4-5］。根據主機結構，在軸承外圈外徑表面通循環航空潤滑油4050進行冷卻。試驗過程中利用溫度和振動傳感器對外圈溫度進行實時監測，并記錄相關數據。

為使潤滑脂均勻分布，正式試驗開始前對軸承進行啟停間歇操作，防止接觸面過熱，造成損害。在停機期間，軸承零件間的溫度會平衡調節，因此不會造成預壓損害。在靠近軸承外圈端面處用溫度傳感器監測潤滑脂磨合及之后連續運轉時的溫度變化。在任何情況下均須避免因過載而造成持續溫升。軸承溫度穩定時即結束潤滑脂磨合，再進行正式試驗。

1.4 試驗結果

軸承裝機運轉到10 948 s（第3個循環）時主機振動超限，試驗機停機。停機前43 s主機振動和外圈溫度曲線如圖3所示。由圖可以看出，軸承內部溫度持續上升，振動相對平穩，在最后3 s內主機振動急劇升高。軸承外圈溫度在停機前40 s內溫度升高25℃，表明軸承可能出現了熱不平衡，在停機前5 s內主機振動急劇增大，表明內圈過度膨脹，直至最后抱軸。

圖3 溫度和振動曲線Fig.3 Curves of vibration and temperature

2 失效分析

將軸承拆卸后發現內部潤滑脂嚴重碳化。對軸承清洗后發現，外圈溝道外觀良好，內圈溝道表面嚴重燒傷，這與溫升和振動異常相符。

2.1 宏觀形貌

經觀察，2個半內圈均已變色，其中受載半內圈呈現為暗黑色，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；非受載半內圈呈現為深藍色且具有金屬光澤，溝道面及擋邊完好無損（圖4）。

圖4 內圈溝道宏觀形貌Fig.4 Appearance of groove of inner ring

2.2 硬度檢查

對內圈端面打磨后，采用HR-150A洛氏硬度計（加載力為1 500 N）測試其硬度，結果見表4。

表4 內圈兩端面硬度Tab.4 Hardness of end face of inner ring HRC

由表4可以看出，非受載半內圈的硬度及其均勻性均符合 JB／T 2850—2007《滾動軸承Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件熱處理技術條件》要求（硬度為60～65 HRC）；受載半內圈硬度值符合標準要求，但局部硬度明顯下降，導致同一零件硬度差超標（標準要求硬度差不大于1）。

2.3 金相檢驗

失效軸承淬、回火組織按JB／T 2850—2007評定為3級，符合標準要求。在顯微鏡下觀察剝落內圈縱剖面的金相組織（圖5）發現：溝道面剝落坑兩側存在分別向兩側擴展的小裂紋，深度最深處為0.05 mm，并有明顯的塑性變形（圖5a）；剝落內圈溝道表面（靠近擋邊一側）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

從剝落的內圈溝道上切取試樣，經清洗烘干后放置在JSM6380LV掃描電鏡下進行變倍觀察，結果如圖6所示。由圖可以看出，剝落區凹凸不平，無磨損及疲勞特征。

圖6 剝落區表面形貌Fig.6 Apprearance of spalling region

2.5 原因分析

結合溝道表面材料的塑性變形以及溝道的擴展裂紋情況判定軸承內圈的失效模式為粘著磨損，直接原因是軸承溫升過高，根本原因是潤滑不能滿足軸承工況條件。失效過程為：軸承在給定潤滑條件下產生的熱量大于散發的熱量，使其溫度不斷升高，造成套圈和球發生膨脹，產生較大的負游隙，從而使兩者間產生過大的接觸應力。在應力和熱的綜合作用下發生潤滑失效，進一步加劇軸承溫升，最終造成了塑性變形及金屬熔融層、套圈硬度的降低（溫升超過回火溫度）。

綜上，可以判定軸承失效的原因是潤滑不能滿足軸承工況條件。

3 結束語

通過軸承試驗初步確定軸承失效是因為試驗中的熱不平衡，根據對失效軸承內圈的宏觀形貌、硬度、金相等分析，進一步確定了熱不平衡的原因是溫度過高導致潤滑失效，可采取改善軸承自身的散熱條件、選用性能優良的優質潤滑脂等措施延長軸承使用壽命。