推桿滾珠絲桿副墊珠損傷的機理分析

李平原

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

秦山核電70 萬生產(chǎn)單元是引進加拿大的重水堆，稱為CANDU 型重水堆。這種反應(yīng)堆使用重水作為慢化劑和冷卻劑，特點是不停堆換料，裝卸料機推桿是完成換料的關(guān)鍵設(shè)備[1]。推桿組件主要包括B 桿、L 桿和C 桿。B 桿和L 桿的液壓馬達將運動傳遞給減速齒輪箱，經(jīng)減速齒輪箱傳遞給滾珠絲桿副，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，從而驅(qū)動B 桿和L 桿相互配合完成換料任務(wù)（圖1）。這就要求滾珠螺母絲桿副具有較高的定位精度和良好的動態(tài)響應(yīng)。

圖1 裝卸料機推桿驅(qū)動原理

2 號推桿解體檢修時發(fā)現(xiàn)一個滾珠絲桿副內(nèi)墊珠損傷過半且部分被擠成啞鈴形。若墊珠磨損消失，會導(dǎo)致鋼珠直接接觸、磨損，發(fā)生傳動故障，甚至造成推桿功能失效，影響正常換料甚至導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。因此需要分析墊珠損傷機理及對設(shè)備可靠性的影響。

1 推桿滾珠絲桿副運行原理

滾珠絲桿組件主要由絲桿、滾珠螺母、滾珠（包括鋼珠和墊珠）、擋塊及返回管組成，如圖2 所示。絲桿滾道與螺母滾道內(nèi)的鋼珠作為運動以及動力的傳動載體，靠擋塊從滾珠螺母滾道進入返回管，通過返回管使鋼珠完成在閉合回路中的循環(huán)運動，把絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。為避免兩鋼珠直接接觸、磨損，在鋼珠間設(shè)計增加了一個塑料墊珠。

2 滾珠絲桿副檢修歷史

圖2 推桿滾珠絲桿副機械結(jié)構(gòu)

2 號推桿上次檢修完成、試驗合格，于2017 年8 月服役，服役期間各項參數(shù)正常，未出現(xiàn)額外超載操作，更換825 個通道后，于2018 年9 月退役。2 號推桿最近幾次檢修歷史:2013 年11 月，推桿檢修時，發(fā)現(xiàn)B 上和B 下滾珠螺母滾道異常磨損，更換新備件。2014 年12 月，2016 年12 月，推桿檢修時，根據(jù)維修規(guī)程要求，檢查B 上和B 下滾珠螺母滾道狀態(tài)、導(dǎo)程差均滿足要求，未做更換。各次檢修過程測得導(dǎo)程差見表1，其中，導(dǎo)程差是滾珠螺母對絲桿軸向竄動量，取絲桿前端1 m、中間、距離后端1 m 處測量。

表1 滾珠螺母歷史檢修導(dǎo)程差測量記錄

3 滾珠絲桿副墊珠損傷原因分析及處理

絲桿和滾珠螺母材料均為17-4PH 馬氏體沉淀硬化不銹鋼（硬度范圍HRC40～47），鋼珠材料為鈷基合金（硬度范圍HRC56～63），墊珠材料是工程塑料化合物（材料TORLON）。鋼珠直徑6.35 mm，墊珠直徑6.30 mm，因此在運動中鋼珠與螺母、絲桿滾道之間接觸，墊珠在兩個鋼珠之間滾動。若墊珠產(chǎn)生磨損，對滾珠螺母組件的運動及導(dǎo)程差不會產(chǎn)生影響。本次磨損量稍微偏大，但仍屬正常，不影響墊珠的功能及推桿整體性能。

3.1 回流管、擋塊磨損

現(xiàn)場檢查回流管下方與滾珠螺母接觸的部分，沒有發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，也沒有臺階，說明滾珠在回流管與滾珠螺母之間滾動時較為順暢，未發(fā)生異常碰撞。

根據(jù)維修規(guī)程檢查原B 上（絲桿副）擋塊，未發(fā)現(xiàn)磨痕寬度超過1.02 mm 和深度超過0.10 mm 等異常；拋光、研磨后測量尺寸均符合尺寸要求，現(xiàn)場檢查滾珠螺母與擋塊接觸處未見明顯磨損，說明滾珠在擋塊與滾珠螺母之間切換時沒有問題。

3.2 滾珠螺母的磨損

滾珠絲杠副在設(shè)計工況下，接觸角在45°位置。實際上，更換下的滾珠螺母滾道表面損傷最嚴(yán)重處并非45°處，而是在20°～30°處。接觸角位置改變，滾道倒角消失以及滾道邊緣高的凸起（翻邊），表明滾珠螺母滾道表面在受到滾珠接觸壓應(yīng)力的長期不斷反復(fù)作用下，造成表面嚴(yán)重形變和損傷。但由于該區(qū)域深度和范圍較小，未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹坑等表面損傷缺陷。

利用金相顯微鏡和掃描電鏡對滾道截面進行微觀分析，如圖3 所示。滾道受力面不僅倒角已經(jīng)消失，而且已產(chǎn)生明顯的凸起（位置1），該凸起高出表面130 μm，凸起內(nèi)存在明顯的金屬形變產(chǎn)生的流線。位置2 發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋起源于表面，與表面約呈20°，長約140 μm，深約30 μm，經(jīng)侵蝕后表面發(fā)黑，這是表面經(jīng)擠壓變形后耐蝕性降低的表現(xiàn)。

放大4000 倍觀察表明，該黑色區(qū)域為金屬形變流線，裂紋走向與流線方向平行，且存在明顯蝕坑。在位置3 處，也發(fā)現(xiàn)有表面金屬擠壓流變痕跡，但該區(qū)域深度和范圍較小，未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹坑等表面損傷缺陷。

圖3 滾道截面金相圖

正常情況下，在滾珠螺母螺旋滾道內(nèi)的滾珠運動狀態(tài)是滾動的，同時受到外載荷力作用。但是，滾珠螺母滾道磨損、變形，會造成鋼珠、墊珠滾動不暢，在滾道內(nèi)滑動、拖動，兩側(cè)鋼珠的推擠會導(dǎo)致墊珠變形，進而形成啞鈴形磨損。

4 結(jié)語

根據(jù)預(yù)防性大綱要求，滾珠螺母檢修策略是每次解體檢修對滾道表面進行拋光處理，更換墊珠、鋼珠和不滿足要求的擋塊。重新組裝后測量導(dǎo)程差在要求范圍內(nèi)則繼續(xù)使用，否則進行更換。

滾珠螺母的更換標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)運行記錄、檢修歷史，結(jié)合滾珠絲桿、滾珠螺母組件導(dǎo)程差綜合考慮。另外，滾珠螺母磨損是漸變過程，不可能突然加大，僅影響推桿的傳動精度，不會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。目前的維修策略即能滿足運行要求，不需要采取定期更換的方式。