某型混凝土攪拌運輸車減速機滾動軸承失效分析

李杰，鄧云喆

（1.三一汽車制造有限公司 試驗測試中心，長沙 410100；2.中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083）

混凝土攪拌車兼有運載和攪拌混凝土的雙重功能，其主要工作原理是將發動機的動力傳遞給液壓油泵以驅動電動機高速旋轉，經行星齒輪減速機產生很大的扭矩從而驅動攪拌筒轉動。減速機在原動機和工作機或執行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，目的是降低轉速，增加轉矩。對于減速機的低速重載工況，通常使用圓柱滾子軸承作為支承件[1－3]。

某型攪拌車的減速機在工作一段時間后出現異常聲并卡死，拆解檢查發現減速機內部有不少磨損的鋼屑、銅屑及銅保持架的碎塊，而一、二級行星齒輪系各齒輪的齒圈、花鍵及花鍵槽的表面均完好，未見磨痕、裂紋、缺損，損壞的零件為二級行星齒輪支承調心滾子軸承，表現為保持架斷裂。為查明該減速機軸承的失效原因，需對失效零件進行綜合分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

失效調心滾子軸承的型號為24120，內徑100 mm，外徑165 mm，寬度65 mm，其尺寸示意圖如圖1所示。失效軸承內圈的宏觀形貌如圖2所示，從圖中可以看出上下兩側滾道面的宏觀形貌差別很大，上側滾道面較光滑，下側滾道磨損嚴重。磨損區域寬度約15 mm，偏向于外側，距離外側邊緣約3 mm。邊緣部位色澤較深，具有明顯的溫升特征。

圖1 失效調心滾子軸承的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of failure spherical roller bearing

圖2 軸承內圈宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of bearing inner ring

部分滾子和保持架的形貌如圖3所示，保持架已經碎裂成多塊，部分滾子表面的剝落非常嚴重，直徑已遠小于初始尺寸，另外一部分滾子基本保持原有尺寸。此外，軸承各部位均未觀察到腐蝕痕跡。

圖3 滾子和保持架的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of rollers and cage

保持架內側與滾子端面接觸的部位觀察到較嚴重的磨損，接觸面上沿滾動方向形成寬而深的犁痕式破壞特征，如圖4所示。此外，保持架斷口塑性變形較小，斷口覆蓋大量含磨削顆粒的灰黑色油泥狀潤滑脂且無法徹底清除，形貌被破壞，無法進一步觀察。

圖4 滾子與保持架接觸面的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of contact surface of rollers and cage

1.2 表面微觀形貌

使用JSM－6490LV掃描電鏡對滾子表面進行觀察，結果如圖5所示。從圖5a中可以看出，剝落處的底部平滑，深淺不一，剝落邊緣存在即將脫落的材料，還可觀察到部分二次裂紋形貌。視場右上角位置可見部分擠壓變形，未見明顯的冶金缺陷和外部污染。圖5b為另一剝落處的局部放大，其顯示了某個大顆粒脫落后的剝落坑，滾子表面還可見很多的細小刮傷，但并未觀察到外來的雜質碎屑。

圖5 圓柱滾子滾動表面的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of rolling surface of cylindrical rollers

使用NPFLEX－LA型非接觸式三維表面光學形貌儀對保持架和滾子的表面進行觀察，結果如圖6所示。從圖中可以看出，接觸表面呈現明顯的犁溝和接觸疲勞剝落的凹坑形貌，說明磨損剝落嚴重。

圖6 保持架和滾子表面的三維形貌Fig.6 Three－dimensional morphology of cage and roller surfaces

1.3 化學成分

使用SPECTROTEST便攜式光譜儀測試滾子的化學成分，檢測結果見表1。由表可知，滾子的主要元素符合 GB／T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中對GCr15鋼的要求。

表1 滾子的化學成分Tab.1 Chemical components of rollers w，%

1.4 硬度

使用HRSS－150型數顯洛氏硬度計測試滾子端面硬度為63.0～64.4 HRC。沿軸向中心線剖開，使用402MVD型維氏硬度計測試硬度分布，結果為760～810 HV1，根據 GB／T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算為62.7～64.3 HRC。硬度結果均符合GB／T 308.1—2013《滾動軸承 球 第1部分：鋼球》和JB／T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》的要求。

內圈基體硬度實測為740～780 HV1（換算為61.7～63.4 HRC），過熱位置實測為550～570 HV1（換算為52.4～53.5 HRC）。

保持架硬度實測為125～130 HV0.3，符合GB／T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術條件》和JB／T 11841—2014《滾動軸承零件 金屬實體保持架 技術條件》的要求。

1.5 顯微組織

對滾子縱剖面預磨拋光，然后使用4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用GX51型金相顯微鏡觀察顯微組織，結果如圖7所示。基體為隱晶、細小結晶馬氏體＋均勻分布的細小殘留碳化物＋少量殘留奧氏體（圖7a），這是高碳鉻軸承鋼的典型組織[4]。根據JB／T 1255—2014評級圖，淬回火馬氏體組織及碳化物網狀組織均為2級，符合GB／T 4661—2015《滾動軸承 圓柱滾子》的要求。此外，觀察到滾子工作表面出現大量微裂紋（圖7c）。根據裂紋發展過程判斷裂紋起源于表面，擴展路徑曲折，相鄰裂紋匯聚或者裂紋擴展至另一位置的表面時，所合圍區域的基體剝落。腐蝕后觀察到裂紋周圍呈現高溫回火組織（燒傷特征），同時裂紋內部未觀察到脫碳，說明裂紋產生于使用過程中。

圖7 滾子的顯微組織Fig.7 Microstructure of rollers

如圖8所示，內圈基體的顯微組織為正常的馬氏體＋碳化物形貌；過熱位置表面為二次淬火層（白色），次層為瞬時溫度低于臨界點時形成的高溫回火層（黑色）。

圖8 內圈的顯微組織Fig.8 Microstructure of inner ring

2 失效原因分析

攪拌車減速機的運行工況比較復雜，攪拌工作轉速時快時慢，經常造成對減速機和調心滾子軸承的沖擊轉矩；另外，攪拌車在崎嶇、拐彎路面，特別是上下坡時更會產生對減速機和調心滾子軸承的軸向沖擊載荷，造成瞬時超載，易導致軸承發生疲勞斷裂失效[5]。

從失效軸承的內圈形貌（圖2）可以看出，軸承工作時存在嚴重的偏載工況，說明攪拌車超載造成減速機傾斜角度超出其使用范圍，使輸出軸盤偏擺角過大（最大超過3°），超出軸承允許偏擺角（設計最大角度為1.5°），導致軸承過度偏斜，偏載運轉。這種偏載運轉使部分接觸位置上原本起到潤滑作用的油膜在壓力作用下失去效果，從而使內、外圈和滾子表面直接接觸，劇烈摩擦，產生大量的熱，導致局部燒傷[6]。

兩表面接觸時，除在接觸表面產生拉應力外，表層下部還存在剪切應力。軸承工作時，內、外圈與滾子接觸的表面將以tC為周期產生交變應力。在交變剪切應力作用下，表層產生周期性變形與位錯行為[2，7]，位錯塞積形成表面或亞表面微裂紋或空穴，且微裂紋沿近乎與表面平行的方向擴展，到達表面時即形成剝落形貌（圖4b中的滾子表面），即為滾動接觸疲勞[7]或疲勞磨損[8]。周期性載荷導致的變形會引起軸承材料先循環軟化再循環硬化，使彈性和韌性急劇下降，導致疲勞剝落[5]，這也是滾動軸承的主要損傷形式[9－11]。在滾子工作表面觀察到的微裂紋（圖7）正說明了這一點。此外，觀察到部分滾子發生嚴重疲勞剝落，而另外的滾子表面只有輕微磨損，表明偏載造成不同位置的滾子受力不均，因此磨損程度有所不同[12]。

剝落的顆粒仍存在于軸承內部，使各接觸面形成三體磨損，造成“犁溝”形貌（圖4b的保持架表面）。由于運轉過程中，滾動軸承并非完全在純滾動的狀態下工作，仍然存在不少滑動因素，造成磨損加劇。偏載造成受力不均而發生較大振動，使保持架與滾子之間的間隙過小，保持架變形將滾子卡緊，造成嚴重擦傷。由于固相焊合接觸表面的材料從一個表面轉移到另一個表面（保持架內側），同時涂抹在滾子上的金屬又拉削保持架兜孔表面形成犁溝（保持架工作面），保持架在交變應力和磨損的綜合作用下最終斷裂，滾子脫出，軸承損壞。

裝輸出軸盤的調心滾子軸承損壞后，內、外圈之間發生較大的軸向位移，與行星架、箱蓋相抵位置發生劇烈磨損，出現異響且噪聲越來越大，最后輸出軸盤卡死，導致減速機徹底無法運轉。

3 結束語

綜上分析，得出以下結論并提出相關建議：

1）攪拌車超載造成減速機輸出軸盤偏擺角過大，導致軸承過度偏斜，發生偏載運轉，從而使潤滑脂失去作用，內、外圈和滾子表面直接接觸，劇烈摩擦后導致失效。

2）失效模式主要為表面起源型疲勞剝落。

3）建議使用單位嚴格控制，避免過載。在惡劣路況下行駛時控制速度，減少沖擊和偏載的可能。按產品說明書定期進行設備維護保養，包括加強潤滑、易損件更換等，并對故障率高的部位進行重點監控。