單排交叉滾柱式回轉支承失效分析

錢建國，盧 浩，王 濤

(1. 南京長江電子信息產業集團有限公司，南京 210038；2. 空軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，南京 210016)

0 引 言

雷達方位驅動系統是雷達轉臺的重要組成部分，其功能是驅動雷達天線進行高精度的方位旋轉。一型雷達方位驅動系統由齒輪減速電機、圓柱直齒輪、回轉支承、方位同步機構組成。雷達采用單排交叉滾柱式回轉支承,此種回轉支承的結構特點是滾柱呈 1∶1交叉排列，其承受綜合載荷能力較強，回轉精度較高，結構緊湊[1-2]，在雷達方位驅動系統中應用較多；缺點是一旦回轉支承出現故障，整個雷達將無法正常工作。該型雷達已批量生產列裝多年，僅發生1次回轉支承失效問題。

本文通過復核回轉支承的受力情況和額定壽命、復查生產過程、內外圈理化檢驗、外圈滾道斷口分析等，排查和分析失效原因，最后針對回轉支承的失效原因提出了預防措施。

1 回轉支承失效情況

該型雷達方位驅動系統構成如圖1所示。單排交叉滾柱式回轉支承內圈通過螺栓聯接，緊固在天線座車安裝平臺上，外圈通過螺栓聯接與天線轉臺緊固。方位齒輪減速電機通過主動圓柱直齒輪驅動回轉支承外圈齒輪，實現天線方位旋轉。回轉支承內圈、外圈材料采用42CrMo合金鋼，整體調質后對滾道部位進行中頻感應淬火、低溫回火，滾道表面硬度要求為55～62 HRC，硬化層深度要求為不小于4 mm。滾柱采用GCr15SiMn軸承鋼，硬度要求為61～65 HRC，滾柱直徑為Φ35 mm，長度為34.5 mm，數量為76只。滾道中心直徑為Φ994 mm。該回轉支承工作時轉速為6 r/min，采用人工補充添加寬溫潤滑脂的潤滑方式。

圖1 方位驅動系統結構簡圖

該雷達在戶外工作，每天運轉約12 h。使用期間，天線轉臺與天線座車的方位防塵圈之間間隙變小，逐漸不均勻，甚至出現局部與防塵圈發生干涉摩擦現象，如圖2所示。該雷達使用3 a左右發生方位驅動系統卡死問題。

圖2 天線轉臺與防塵圈間隙情況

拆除天線和方位轉臺后，采用撬杠撬動回轉支承外圈，發現回轉支承軸向游隙很大，約2 mm，而該型回轉支承的軸向游隙指標為不大于0.05 mm。進一步檢查發現回轉支承卡死，無法轉動。

拆卸該回轉支承，檢查情況如下：外圈滾道剝落嚴重，長度約10 cm，如圖3所示；掉塊殘留體僅剩兩小塊，其中1塊嵌在尼龍隔離塊上，下部已燒結，如圖4所示；內圈滾道嚴重磨損，存在明顯壓痕，如圖5所示；采用夾球測量，尺寸變動量為1.5 mm；滾柱及尼龍隔離塊均保持完整，滾柱表面有明顯熱變色，如圖6所示。

圖3 外圈滾道剝落情況

圖4 掉塊殘留體情況

圖5 內圈滾道磨損情況

圖6 滾柱及尼龍隔離塊情況

2 受力情況和額定壽命復核

根據該回轉支承的內部主參數，繪制靜態負荷能力曲線(見圖7)和動態負荷能力曲線(見圖8)。按照該回轉支承承受的最大綜合載荷計算靜態載荷安全系數和額定壽命，由計算結果可知均滿足使用要求。

圖7 靜態負荷能力曲線

圖8 動態負荷能力曲線

3 生產過程復查

追溯該回轉支承的生產過程控制、工序檢驗、成品檢驗情況，生產過程控制、檢驗記錄均符合設計、工藝要求。

4 內外圈理化檢驗

4.1 化學成分檢測

使用合金分析儀對該回轉支承內圈、外圈的化學成分進行檢測，檢測結果見表1。

表1 內圈、外圈化學成分(單位：%)

由檢測結果可知，回轉支承內圈、外圈的主要化學成分滿足GB/T 3077-2015《合金結構鋼》的要求。

4.2 滾道金相檢驗

制取該回轉支承內圈、外圈滾道截面金相試樣，對滾道中部顯微組織及晶粒度進行檢測，并依據JB/T 9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》進行評級。檢測結果見表2。

表2 內圈、外圈滾道顯微組織情況

由檢測結果可知，回轉支承內圈、外圈的顯微組織級別滿足JB/T 9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》規定的3～7級要求。

4.3 滾道表面硬度和硬化層深度檢測

制取該回轉支承內圈、外圈滾道截面金相試樣各兩件，外圈滾道1取自靠近剝塊部位。對滾道中部位置檢測其表層硬度及有效硬化層深度，檢測結果見表3。

表3 內圈、外圈滾道表層硬度及有效硬化層深度

由檢測結果可知，回轉支承內圈滾道表層硬度低于55～62 HRC的指標要求，有效硬化層深度低于4 mm的指標要求；回轉支承外圈滾道表層硬度滿足55～62 HRC的指標要求，靠近剝塊的部位有效硬化層深度略低于4 mm的指標要求。

5 外圈滾道斷口分析

5.1 斷口宏觀分析

回轉支承外圈滾道的剝落部位宏觀形貌如圖9所示，對斷面進行取樣觀察，斷口表面存在過熱氧化現象，斷面存在嚴重磨損痕跡，源區位于滾柱接觸部位，向內擴展，見圖9中圈出部位。

圖9 斷面宏觀形貌

5.2 斷口微觀分析

將斷口經10%稀鹽酸水溶液除銹，清洗吹干后放入掃描電鏡進行觀察，斷口源區形貌如圖10所示。進一步放大源區后觀察，邊緣部位為磨損痕跡，其余部位主要為沿晶形貌，如圖11～圖13所示；斷口擴展區高倍形貌如圖14所示，為沿晶+穿晶形貌。

圖10 斷口源區低倍形貌 22×

圖11 斷口源區磨損形貌 100×

圖12 斷口源區高倍形貌 1200×

圖13 斷口源區高倍形貌 2400×

圖14 斷口擴展區高倍形貌 2400×

對斷口進行能譜檢測，除基體元素外，未發現其他異常元素和夾雜物，如圖15所示。

圖15 斷口能譜檢測結果

5.3 斷口金相分析

對斷口取樣進行金相觀察：拋光態未發現有塊狀和條狀非金屬夾雜物。腐蝕后觀察，滾道表面感應淬硬層外深內淺，組織存在帶狀偏析，如圖16所示。

圖16 金相高倍組織 100×

靠近斷口處硬化層高倍組織為針狀馬氏體+殘余奧氏體，如圖17所示。心部組織為回火索氏體，如圖18所示。

圖17 斷口金相高倍組織 500×

圖18 心部金相高倍組織 500×

按照JB/T 9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》對硬化層不同區域進行組織評級，近表層硬化層顯微組織級別為3級，晶粒度為7級；距表層一定距離處硬化層顯微組織級別為5級，晶粒度為10級，分別如圖19、20所示，表層硬化層顯微組織較為粗大，應為表面磨損發熱所致。

圖19 近表層淬硬層高倍組織 400×

圖20 距表層較深處淬硬層高倍組織400×

垂直表面對感應淬火層深度方向進行硬度梯度檢測，檢測結果見表4。對感應淬火層近表面隨機選取多個點進行硬度檢測，檢測結果見表5。可以看出感應淬火層硬度分布不均，局部點存在高于或者低于技術要求的現象。

表4 感應淬火層硬度梯度

表5 感應淬火層表面橫向硬度

6 失效分析與討論

6.1 微觀分析

該回轉支承內圈滾道表面存在嚴重磨損痕跡，淬硬層有效硬化層深度較低，表面硬度較低。

該回轉支承外圈滾道斷口表面存在磨損痕跡，斷口主要為沿晶、穿晶斷裂特征形貌，斷裂源區位于滾道外側淬硬層部位，斷口垂直面光學金相顯微圖片顯示表層硬化層組織較為粗大，符合斷口沿晶、穿晶斷裂特征。該回轉支承外圈滾道基體組織存在偏析，在進行表面中頻感應淬火處理后，感應淬火層硬度分布不均，硬度高、低點差值較大，局部甚至出現高于或者低于硬度技術要求上下限的現象。

6.2 材料工藝分析

該回轉支承外圈滾道低倍組織觀察表面存在明顯組織偏析，出爐材料的熔煉均勻性存在不足的可能性較大，后續熱加工未能有效改善宏觀偏析，經調質、中頻感應淬火、低溫回火處理后，硬化層硬度分布不均，影響回轉支承滾道表面承載強度的均一性。

6.3 結論

綜上所述，該回轉支承失效的原因如下：

(1) 外圈滾道淬硬層表面發生嚴重磨損，宏觀可見斷口表面存在過熱氧化現象，微觀可見表層淬硬層在磨損過程中組織因受熱而較為粗大，同時組織偏析引起的硬度分布不均、組織應力和淬硬層熱應力的存在綜合導致了回轉支承外圈滾道失效[2-3]；

(2) 回轉支承外圈旋轉，內圈固定，外圈滾道剝塊夾于滾柱、尼龍隔離塊、內圈滾道間，運轉時剝塊與內圈滾道持續摩擦，摩擦力矩變大，溫度升高，在不能及時補充潤滑脂的情況下，內圈滾道出現二次高溫回火，降低了滾道表面硬度，從而導致內圈滾道加劇磨損[4]；

(3) 由于內圈滾道表面硬度下降，形成惡性循環，導致內圈滾道嚴重磨損，使得回轉支承的游隙不斷變大，內外圈傾斜，滾柱與滾道接觸角發生較大變化，導致卡死，無法轉動[5]。

7 結束語

針對失效原因，應采取以下預防措施：

(1) 原材料把關，增加原材料顯微組織分析，調質處理前增加擴散退火，以降低組織成分偏析，促進雜質分散和均勻化，提高調質處理的準備組織均勻性，提高淬透性和過渡層組織變化連續性[6]；

(2) 加強對回轉支承的潤滑維護保養，按照使用維護說明書要求定期添加潤滑脂[7]。在回轉支承運轉過程中，注意監測回轉支承工作狀態，關注噪音、溫升情況；

(3) 在研制新產品時應用回轉支承故障監測診斷技術，將回轉支承納入雷達健康管理系統[8-9]。另外，回轉支承的潤滑可采用自動注脂潤滑技術或稀油潤滑，以簡化回轉支承的日常潤滑維護保養工作。