軋輥用四列圓柱滾子軸承失效分析

徐 巍

（瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 瓦房店 116300）

1 前言

軋輥用四列圓柱滾子軸承的失效形式主要有疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂和開裂[1-4]。四列圓柱滾子軸承承載能力主要取決于滾動體列數、滾動體數量、滾動體直徑和長度[5-9]。但是實際中軋輥用四列圓柱滾子軸承滾動體剝離，出現異常損壞失效形式較為嚴重。本文首先從材料質量角度對失效軸承進行理化檢測分析，并在此基礎上，從軸承運動規律角度對滾子承載特征進行剖析。最終得出滾動體剝離失效的根本原因主要是由于制造過程中幾何精度質量控制不當導致。

2 失效軸承狀態

某軋輥用四列圓柱滾子軸承采用的是滲碳鋼，安裝到軋輥軸上運行一個周期，溫升急劇。拆機檢查軸承狀態，發現一粒滾動體表面存在塊狀剝離，長約 45 mm，寬約 40 mm（見圖 1）。

圖1 滾動體疲勞剝離狀態

3 理化檢測

3.1 硬度檢驗

采用 HR-150A 洛氏硬度計（檢測范圍：20～67HRC）按 GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗方法》、MH-6 型顯微硬度計（檢測范圍：8～1000HV）按 GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗方法》對滾動體進行硬度檢驗，檢測結果見表 1 和表 2。根據檢測結果，滾動體硬度及硬化層深度均符合 JB/T 8881—2011標準要求。

表1 滾動體硬度及硬化層深度檢驗

表2 滾動體硬度梯度變化值

3.2 金相檢驗

（1）非金屬夾雜物檢驗

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡檢驗，滾動體來樣非金屬夾雜物質量符合 GB 3203—1982《滲碳軸承鋼技術條件》標準要求，檢測結果見表 3。

表3 滾動體夾雜物檢驗

非金屬夾雜物符合 GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》標準要求。

（2）熱處理質量顯微組織檢驗

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡檢驗，滾動體熱處理組織符合 JB/T 8881—2011 標準要求，檢測結果見表 4，試樣如圖 2 所示。根據檢測結果，滾動體顯微組織符合 JB/T 8881—2011 標準要求。

表4 滾動體金相組織檢驗

圖2 非金屬夾雜物檢測試樣

3.3 化學成分檢驗

采用 ARL4460 直讀光譜分析儀按 GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》對滾動體進行檢測，檢測材料牌號為 G20Cr2Ni4A，檢驗結果見表 5。根據檢測結果，滾動體化學成分符合 GB 3203—1982 《滲碳軸承鋼技術條件》標準要求，表面含碳量符合JB/T 8881—2011《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》標準要求。

表5 滾動體化學成分檢驗 %

4 理化檢驗結果判定

失效滾動體滾動表面出現塊狀疲勞，且疲勞起源于滾動體次表層剝離中心區域，疲勞起源為條狀形貌，這種條狀起源形貌的疲勞剝離通常是由典型的材料缺陷引起。但經材料理化檢驗分析，軸承材料熱處理質量符合相關標準要求。對疲勞剝離部位進行切割，對其周圍 4 個樣塊，12個截面進行非金屬夾雜物檢測均未發現超標的非金屬夾雜。

5 滾子制造精度的影響

為提高軸承承載能力，本次四列圓柱滾子軸承選用的圓柱滾子為Φ50mm×100mm，屬于長圓柱滾子。我們再將圖 1 放大可以看出滾子左端有明顯的燒傷發黑，右端卻沒有。我們再從滾子運動規律角度分析，見圖 3。

圖3 滾動體進入載荷區狀態

軸承在工作中，由于游隙的存在，滾子在非載荷區由于沒有正壓力，理論上講滾動體處于滑動狀態。當滾動體回轉到載荷區，隨著載荷的加大，滾動體由滑動逐漸進入滾動。由于這一過程是漸進的，所以這一過程是滾動伴隨滑動。這種滑動，如果在油膜形成不完全時，就會產生發熱現象。

對于長滾子錐度比較容易出現問題。假如有一粒滾子出現錐度問題，錐度的大端在進入載荷區時要比錐度小端承受載荷大。在潤滑不良的情況下，大端首先由于摩擦發熱，并且在內圈帶動下首先進入載荷區，這時滾子在進入載荷區是大端在前，小端在后，處于傾斜狀態。大端和小端截面見圖 3 最大載荷區域中的兩個虛線圓圈。從圖 4 中俯視的角度，可以直觀地看出滾動體進入載荷區的狀態。

圖4 由于錐度導致滾動體在載荷區形態

在這種狀態下，我們沿傾斜滾子中心線做一截面，見圖 5。在圖中可以看出，滾動體在外圈滾道上是兩端接觸；內圈滾道處于中部一點接觸。根據圖 5 受力狀況可以簡化一個簡支梁力學模型，見圖 6。

圖5 傾斜滾子中心線截面示意圖

圖6 滾子受力模型

圖6 中，P為滾子所受的最大載荷；L=100為滾子長度；d=50 為滾子直徑。這時，滾子所受最大彎矩Mmax可由（1）式求得：

圖6 中，Z軸為中性軸，距離中性軸最遠距離Ymax=d/2。Z軸慣性矩IZ可由（2）式求得：

注釋：圓柱截面慣性矩IZ

最大彎曲正應力σmax可用（3）式求得：

將（1）和（2）式代入（3），整理后得：

將本例數據代入（4）式中得：

滾動體最大載荷由（6）式估算：

式中：Cor為軸承額定靜載荷，這里為28 100 kN

i為軸承列數，本例i=4

Z為每列滾子個數，本例Z=36

α為接觸角，本例α=0

在實際工作中，考慮安全系數，一般取1/2倍軸承額定靜載荷為實際工作載荷。因此，在此例中，最大滾子所承受載荷應選擇F=Cor/2 來計。

將F=Cor/2=28100/2=14050 kN 替代（6）式中的Cor計算。將有關參數代入（6）式中，得：

本例中滾動體采用的是滲碳鋼，熱處理后表面是強度較高的高碳馬氏體組織；內部是強度較低的低碳馬氏體組織。其抗拉強度σb=1850MPa。

將P代入（5）式中求得最大正應力為：

比較上述計算結果，發生在滾動體中部最表面的最大正應力已經遠大于材料的抗拉強度，勢必要導致最大正應力點產生崩裂。

在上述情況下，最大剪切力τmax可用（7）式求得：

式中：h為滾子直徑

為驗證上述分析，我們從在制品中抽取100粒滾子進行錐度檢查，發現有 2 粒錐度超差。

綜上分析，得出本次軸承滾子失效是由于滾子錐度不好引起的，其失效過程是：

錐度超差的滾子傾斜進入最大載荷區→滾子在外滾道最大載荷區中間處于懸空→在最大載荷作用下產生彎矩→彎矩導致滾子外徑中部崩裂→在反復彎曲應力作用（同時剪應力作用）下，滾子中部低碳區產生斷裂。

改進建議：

（1）控制滾動體外徑錐度，滿足標準；

（2）控制滾動體外徑母線形狀相對于中線的對稱性；

（3）控制滾動體坡長的對稱性；

（4）控制滾動體外徑粗糙度一致性。

6 結論

通過對軋輥用四列圓柱滾子軸承失效滾動體分析，得出此種滾動體失效應是滾子錐度不好引起。因此，在加工制造過程中要嚴格控制滾子錐度；同時也要控制滾子外徑母線相對于滾子中線的對稱度。