某新型燃?xì)廨啓C(jī)低壓前軸承試后失效的原因分析

黃海軍，夏金財(cái)，蓮云英，蔡麗萍

（1.浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)所有限公司，浙江 杭州 310022；2.杭州東華鏈條集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

船舶用的燃?xì)廨啓C(jī)低壓前軸承是承載轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并將轉(zhuǎn)子的載荷向外傳遞的承力部件，為燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，使用壽命一般不低于25 000 h。某船舶新型燃?xì)廨啓C(jī)采用國(guó)產(chǎn)研制的低壓前軸承，在裝機(jī)使用前需對(duì)低壓前軸承的壽命進(jìn)行臺(tái)架加速耐久模擬試驗(yàn)。

低壓前軸承采用雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球承，外形尺寸為170 mm×280 mm×51 mm，軸承內(nèi)外圈和鋼球采用8Cr4Mo4V材料。低壓前軸承加速耐久試驗(yàn)采用中型高速軸承試驗(yàn)機(jī)，為保證加速試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確和有效，軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與實(shí)際工況一致，僅對(duì)軸向和徑向載荷加強(qiáng)2倍，試驗(yàn)基準(zhǔn)時(shí)間為運(yùn)行3000 h。受試的2套軸承運(yùn)行469 h后，發(fā)現(xiàn)軸承振動(dòng)值異常增大，遂停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)其中一套受試軸承外圈因疲勞剝落。按照常規(guī)方式進(jìn)行故障分析，未發(fā)現(xiàn)異常情況，并不能判定失效原因，需要對(duì)失效軸承進(jìn)行深入和系統(tǒng)的分析。

1 故障描述

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)軸承裝在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)中，在試驗(yàn)機(jī)主軸的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端各安裝一套受試軸承，中間安裝2套陪試軸承。受試軸承內(nèi)徑表面與軸承內(nèi)套外徑表面配合，軸承內(nèi)套安裝在試驗(yàn)主軸上，受試軸承外徑表面安裝在端負(fù)荷體內(nèi)孔中。受試軸承采用端面噴射潤(rùn)滑加環(huán)下潤(rùn)滑的方式，潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承內(nèi)腔時(shí)的溫度為40~50℃，對(duì)軸承潤(rùn)滑后回流至油箱，軸承產(chǎn)生的熱量將潤(rùn)滑油加熱，回油溫度為80~90℃。油箱上的冷卻系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行降溫，降溫后的潤(rùn)滑油再次對(duì)受試軸承進(jìn)行潤(rùn)滑形成了循環(huán)潤(rùn)滑。同時(shí)，受試軸承外圈溫度維持95~100℃，潤(rùn)滑油過(guò)濾精度為10μm。受試軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)條件如表1所示，試驗(yàn)時(shí)，對(duì)各工位軸承的載荷、速度、振動(dòng)、溫度進(jìn)行監(jiān)控，試驗(yàn)運(yùn)行469 h后，發(fā)現(xiàn)工位Ⅰ上的受試軸承失效。

表1 受試軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)條件

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 形貌檢查

試驗(yàn)機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)端上的受試軸承為雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承，未見明顯高溫變色或磕碰傷等缺陷。外圈溝道上的運(yùn)行軌跡偏離溝底一側(cè)，溝道上有一處剝落區(qū)域，剝落區(qū)域長(zhǎng)約25 mm，寬約8.5 mm，溝道未剝落區(qū)域上有許多壓痕，未見明顯高溫痕跡（圖1a），內(nèi)圈溝道上整周運(yùn)行軌跡正常（圖1b）。鋼球表面呈白亮色，未見明顯剝落和高溫現(xiàn)象；保持架完好未見異常。試驗(yàn)機(jī)主軸非驅(qū)動(dòng)端上的受試軸承及中間陪試軸承均完好，未見明顯異常。

圖1 失效軸承零件外觀

1.2.2 尺寸精度檢測(cè)

對(duì)受試失效的軸承進(jìn)行尺寸精度檢測(cè)，尺寸精度符合圖紙技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 軸承尺寸精度檢測(cè)結(jié)果

1.2.3 理化檢測(cè)

受試失效軸承外圈材料為8Cr4Mo4V，剝落外圈硬度、馬氏體、碳化物、非金屬夾雜物等均符合圖紙技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 剝落外圈理化檢測(cè)結(jié)果

1.2.4 掃描電鏡檢查

在掃描電鏡下對(duì)失效軸承外圈溝道剝落區(qū)的中間和附近、非滾動(dòng)接觸區(qū)域分別進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)剝落區(qū)域均可見疲勞輝紋，但未發(fā)現(xiàn)明顯非金屬夾雜物和冶金缺陷，剝落部位附近的運(yùn)行軌道上未剝落區(qū)域有點(diǎn)狀凹坑和磨粒磨損（圖2），溝道上非滾動(dòng)接觸區(qū)域有明顯的白色一次碳化物，這表明滾動(dòng)區(qū)域上的點(diǎn)狀凹坑應(yīng)為一次顆粒碳化物脫落。

圖2 外圈溝道剝落區(qū)域附近

1.2.5 試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)調(diào)查

由試驗(yàn)監(jiān)控記錄數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可知，受試軸承在試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、徑向載荷、軸向載荷、外圈溫度均符合試驗(yàn)技術(shù)要求，供油溫度、回油溫度也比較穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的受試軸承振動(dòng)參數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 受試軸承振動(dòng)參數(shù)曲線

2 分析與討論

2.1 結(jié)果分析

外圈失效形貌具有典型的疲勞剝落特征，導(dǎo)致早期疲勞剝落的因素有很多，軸承設(shè)計(jì)、材料、制造、運(yùn)行工況等都會(huì)導(dǎo)致外圈剝落[1]。

2.2 設(shè)計(jì)與制造分析

受試軸承試驗(yàn)條件為徑向載荷5 kN，軸向載荷30 kN，徑向和軸向的聯(lián)合載荷P/C值為0.12，轉(zhuǎn)速為7736 r/min，利用Weibuill理論計(jì)算得出受試軸承基本額定壽命為1294 h[2]。受試軸承試驗(yàn)基準(zhǔn)時(shí)間為3000 h，而受試軸承試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間須達(dá)到基本壽命的2.32倍。根據(jù)受試軸承運(yùn)行工況，采用有限元分析計(jì)算出受試軸承外圈最大接觸應(yīng)力為1046 MPa，低于軸承一般的疲勞接觸應(yīng)力1800 MPa。由此可見軸承的壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于失效軸承的有效運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

軸承內(nèi)外圈和鋼球選用的材料為高溫軸承鋼8Cr4Mo4V，其具有較高的高溫穩(wěn)定性、高溫硬度和高接觸抗疲勞性。加速耐久壽命試驗(yàn)時(shí)，外圈溫度為95~100℃，并且失效軸承外圈的碳化物和非金屬夾雜物的檢測(cè)結(jié)果均符合相關(guān)要求。因此，受試軸承外圈選材及材料品質(zhì)不合格的因素可以排除。另外，失效軸承外圈硬度、回火穩(wěn)定性、顯微組織、磨削燒傷等檢測(cè)結(jié)果均符合相關(guān)要求，失效軸承的徑向游隙和軸向游隙、尺寸精度的檢測(cè)結(jié)果也符合相關(guān)要求。

2.3 試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程分析

受試軸承采用端面噴射潤(rùn)滑加環(huán)下潤(rùn)滑的方式，而失效軸承外圈溝道上的剝落區(qū)域附近未見明顯高溫粘著和磨損跡象，因此，外圈剝落與潤(rùn)滑不良不存在直接關(guān)聯(lián)。

失效軸承剝落區(qū)域下方存在多條裂紋，裂紋從外圈次表層向溝道表面擴(kuò)展，表明裂紋起源于溝道次表層。剝落區(qū)域附近存在一次碳化物脫落現(xiàn)象，表明溝道表面也受到較大的接觸應(yīng)力。因此，受試軸承試驗(yàn)過(guò)程中受到過(guò)大的接觸應(yīng)力是外圈剝落的主要原因。

由圖3可知，在試驗(yàn)前期，驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)值為40~60 m/s2，而非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)值低于30 m/s2；在試驗(yàn)中期，兩者的軸承振動(dòng)值相當(dāng)。試驗(yàn)前期軸承振動(dòng)值偏大與軸承質(zhì)量和工裝質(zhì)量相關(guān)。據(jù)查，試驗(yàn)工裝安裝后主軸兩端同軸度為0.05 mm，驅(qū)動(dòng)端的受試軸承靠近試驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，導(dǎo)致在試驗(yàn)前期驅(qū)動(dòng)端比非驅(qū)動(dòng)端的軸承振動(dòng)值大；試驗(yàn)中后期試驗(yàn)工裝經(jīng)跑合后振動(dòng)值趨于減小，并達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)端受試軸承在較高的振動(dòng)環(huán)境中高速高載運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承外圈受到了異常的沖擊，導(dǎo)致外圈接觸應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生疲勞剝落[3]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

受試軸承加速耐久壽命試驗(yàn)屬于高速重載運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)。對(duì)于高速重載耐久壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)工裝同軸度及其動(dòng)平衡尤為關(guān)鍵。受試軸承的耐久壽命試驗(yàn)要求試驗(yàn)工裝安裝在主軸上后，主軸兩端同軸度低于0.02 mm，動(dòng)平衡試驗(yàn)低于4 g，試前工裝質(zhì)量達(dá)到該要求后才能進(jìn)行試驗(yàn)。

再次按要求進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的軸承振動(dòng)值試驗(yàn)在前期都低于25 m/s2，試驗(yàn)過(guò)程中受試軸承的振動(dòng)值較穩(wěn)定，受試軸承符合加速耐久試驗(yàn)基準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到3000 h的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

受試軸承外圈屬于典型的疲勞剝落失效，與軸承試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到過(guò)大的接觸應(yīng)力有關(guān)。因此在臺(tái)架壽命試驗(yàn)的過(guò)程中，要盡量模擬整機(jī)的使用工況，對(duì)軸承載荷譜、潤(rùn)滑系統(tǒng)和安裝進(jìn)行控制，對(duì)高速重載試驗(yàn)的試驗(yàn)工裝尺寸精度、動(dòng)平衡等影響因素也需要尤為關(guān)注。對(duì)試驗(yàn)工裝改進(jìn)后，受試軸承順利通過(guò)了加速耐久試驗(yàn)，這不僅驗(yàn)證了失效分析的正確性，也為重載高速模擬試驗(yàn)及重載高速軸承安裝運(yùn)行提供了一定的理論依據(jù)。