某330 kV變電站斷路器液壓機構軸承失效分析

張 麗，蔣 菲，武 鑫

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，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構、液壓機構或液壓彈簧機構[1-4]，液壓機構具有動作快、反應靈敏、輸出功率大、維護工作量少、操作噪聲小、可靠性高、出力特性和斷路器負載特性匹配好等特點[5-8]。軸承將運轉的液壓機構的軸與軸座之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而減少摩擦損失。軸承可以支承轉動的軸及軸上零件，并保持軸的正常工作位置和旋轉精度，且使用維護方便，工作可靠，起動性能好，在中等速度下承載能力較高，已經被廣泛應用于一般機械設備。但在使用中，受到滾動體載荷分布不均勻，沖擊力大等因素影響，軸承出現磨損、刮傷、噪聲甚至斷裂的情況也較常見。

以西北地區某330 kV變電站斷路器液壓機構軸承事件為例，通過外觀檢查、材質分析、金相檢驗及掃描電鏡微觀形貌及能譜分析等試驗手段，分析查找軸承破碎的真實原因，為全面開展同類問題的排查處理提供科學依據。

1 事件概述

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

該斷路器為河南平高電氣股份有限公司生產，配CYT型液壓操動機構，2013年08月08日生產，2013年09月18日投入運行。

2 檢驗分析

2.1 宏觀檢查

對軸承進行編號，外觀較為完整的編為#1軸承，外觀破損較為嚴重的編為#2軸承(如圖1、2)。由#1軸承內圈鋼印(LYC)可知(如圖3)，該軸承生產廠家為洛陽軸承廠，產品型號為42208H(現型號改為NJ208M)。經過宏觀檢查發現#1軸承靠近與拐臂相連側發生損傷，#2軸承整體破損嚴重(如圖4、5、8)，軸承內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軸承內表面

圖3 #1軸承內圈外表面 圖4 #1軸承內圈內表面

圖5 #2軸承外圈內表面 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 材質成分檢測檢驗

對樣品進行光譜材質成分檢測，軸承內圈及外圈用大型直讀光譜儀進行檢測，滾柱和軸銷由于尺寸原因使用便攜式光譜儀進行檢測，檢測數據詳見表1，標準規定分析要求見表2、3。

圖9 鏈接軸銷

根據平高集團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GB/T 18254《高碳鉻軸承鋼》牌號GCr15軸承鋼成分規定與試驗結果進行對照，發現#1軸承內圈碳含量超過GCr15上限0.2%，鉻含量最低的#2軸承滾柱低于標準下限0.12%，隨著碳含量的增加,材料的屈服點和抗拉強度將會增加，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度和硬度，同時會降低伸長率和斷面收縮率。軸銷的牌號為20CrMnMo，經過檢測，軸銷的化學成分符合標準要求。

表1 樣品元素含量(質量分數/%)

表2 GB/T 18254《高碳鉻軸承鋼》標準中規定的成分要求

表3 GB/T 3077《合金結構鋼》標準中規定的成分要求

2.3 材料硬度檢測

分別對2個軸承的外圈、內圈及滾柱進行了硬度檢測，檢測數據詳見表4。參照JB/T 1255-2014 《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》中對GCr15的硬度要求，檢測發現所檢部件均滿足標準要求。

對軸銷周向進行了硬度檢測，檢測數據詳見表4。由于平高集團有限公司未能提供軸銷熱處理方面的具體供貨技術條件，經查詢工程機械公司質量技術部關于軸銷材質熱處理等方面的設計規范要求，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

分別對#1軸承外圈、#2軸承外圈、#2軸承內圈，#1軸承滾柱、#2軸承滾柱進行金相檢查。從金相圖可見#1軸承外圈、#2軸承外圈、#2軸承內圈組織均為回火馬氏體組織，#1軸承外圈、#2軸承內圈組織評級為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 《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》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狀花紋(如圖15、16)，在10 000倍下發現其斷裂面均是韌窩(如圖17)，說明該軸承屬于韌性斷裂。對樣品進行能譜線掃描，結果顯示該軸承主要化學元素有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 論

(1) 經過對軸承的檢測發現其化學成分與標準規定值存在一定偏差，但硬度、金相組織均符合標準要求。

(2) 經對斷裂軸承殘骸部分斷口進行宏觀及微觀檢測，未發現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，發現兩個軸承均在一側方向發生嚴重損傷，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，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動機構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彎矩，使軸承局部過載破損造成卡澀，最終使得整個軸承完全破壞。通過此次分析實驗對實際設計、生產、運行、檢修提出了合理實用的意見與建議，采取改進和預防措施，防止類似的失效在設計壽命內再次發生，對設備管理提供了有力的技術支撐。