某型混凝土攪拌運輸車減速機滾動軸承失效分析

李杰，鄧云喆

（1.三一汽車制造有限公司 試驗測試中心，長沙 410100；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083）

混凝土攪拌車兼有運載和攪拌混凝土的雙重功能，其主要工作原理是將發(fā)動機的動力傳遞給液壓油泵以驅(qū)動電動機高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)行星齒輪減速機產(chǎn)生很大的扭矩從而驅(qū)動攪拌筒轉(zhuǎn)動。減速機在原動機和工作機或執(zhí)行機構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。對于減速機的低速重載工況，通常使用圓柱滾子軸承作為支承件[1－3]。

某型攪拌車的減速機在工作一段時間后出現(xiàn)異常聲并卡死，拆解檢查發(fā)現(xiàn)減速機內(nèi)部有不少磨損的鋼屑、銅屑及銅保持架的碎塊，而一、二級行星齒輪系各齒輪的齒圈、花鍵及花鍵槽的表面均完好，未見磨痕、裂紋、缺損，損壞的零件為二級行星齒輪支承調(diào)心滾子軸承，表現(xiàn)為保持架斷裂。為查明該減速機軸承的失效原因，需對失效零件進行綜合分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

失效調(diào)心滾子軸承的型號為24120，內(nèi)徑100 mm，外徑165 mm，寬度65 mm，其尺寸示意圖如圖1所示。失效軸承內(nèi)圈的宏觀形貌如圖2所示，從圖中可以看出上下兩側(cè)滾道面的宏觀形貌差別很大，上側(cè)滾道面較光滑，下側(cè)滾道磨損嚴重。磨損區(qū)域?qū)挾燃s15 mm，偏向于外側(cè)，距離外側(cè)邊緣約3 mm。邊緣部位色澤較深，具有明顯的溫升特征。

圖1 失效調(diào)心滾子軸承的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of failure spherical roller bearing

圖2 軸承內(nèi)圈宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of bearing inner ring

部分滾子和保持架的形貌如圖3所示，保持架已經(jīng)碎裂成多塊，部分滾子表面的剝落非常嚴重，直徑已遠小于初始尺寸，另外一部分滾子基本保持原有尺寸。此外，軸承各部位均未觀察到腐蝕痕跡。

圖3 滾子和保持架的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of rollers and cage

保持架內(nèi)側(cè)與滾子端面接觸的部位觀察到較嚴重的磨損，接觸面上沿滾動方向形成寬而深的犁痕式破壞特征，如圖4所示。此外，保持架斷口塑性變形較小，斷口覆蓋大量含磨削顆粒的灰黑色油泥狀潤滑脂且無法徹底清除，形貌被破壞，無法進一步觀察。

圖4 滾子與保持架接觸面的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of contact surface of rollers and cage

1.2 表面微觀形貌

使用JSM－6490LV掃描電鏡對滾子表面進行觀察，結(jié)果如圖5所示。從圖5a中可以看出，剝落處的底部平滑，深淺不一，剝落邊緣存在即將脫落的材料，還可觀察到部分二次裂紋形貌。視場右上角位置可見部分擠壓變形，未見明顯的冶金缺陷和外部污染。圖5b為另一剝落處的局部放大，其顯示了某個大顆粒脫落后的剝落坑，滾子表面還可見很多的細小刮傷，但并未觀察到外來的雜質(zhì)碎屑。

圖5 圓柱滾子滾動表面的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of rolling surface of cylindrical rollers

使用NPFLEX－LA型非接觸式三維表面光學(xué)形貌儀對保持架和滾子的表面進行觀察，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，接觸表面呈現(xiàn)明顯的犁溝和接觸疲勞剝落的凹坑形貌，說明磨損剝落嚴重。

圖6 保持架和滾子表面的三維形貌Fig.6 Three－dimensional morphology of cage and roller surfaces

1.3 化學(xué)成分

使用SPECTROTEST便攜式光譜儀測試滾子的化學(xué)成分，檢測結(jié)果見表1。由表可知，滾子的主要元素符合 GB／T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中對GCr15鋼的要求。

表1 滾子的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components of rollers w，%

1.4 硬度

使用HRSS－150型數(shù)顯洛氏硬度計測試滾子端面硬度為63.0～64.4 HRC。沿軸向中心線剖開，使用402MVD型維氏硬度計測試硬度分布，結(jié)果為760～810 HV1，根據(jù) GB／T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算為62.7～64.3 HRC。硬度結(jié)果均符合GB／T 308.1—2013《滾動軸承 球 第1部分：鋼球》和JB／T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》的要求。

內(nèi)圈基體硬度實測為740～780 HV1（換算為61.7～63.4 HRC），過熱位置實測為550～570 HV1（換算為52.4～53.5 HRC）。

保持架硬度實測為125～130 HV0.3，符合GB／T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術(shù)條件》和JB／T 11841—2014《滾動軸承零件 金屬實體保持架 技術(shù)條件》的要求。

1.5 顯微組織

對滾子縱剖面預(yù)磨拋光，然后使用4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用GX51型金相顯微鏡觀察顯微組織，結(jié)果如圖7所示?；w為隱晶、細小結(jié)晶馬氏體＋均勻分布的細小殘留碳化物＋少量殘留奧氏體（圖7a），這是高碳鉻軸承鋼的典型組織[4]。根據(jù)JB／T 1255—2014評級圖，淬回火馬氏體組織及碳化物網(wǎng)狀組織均為2級，符合GB／T 4661—2015《滾動軸承 圓柱滾子》的要求。此外，觀察到滾子工作表面出現(xiàn)大量微裂紋（圖7c）。根據(jù)裂紋發(fā)展過程判斷裂紋起源于表面，擴展路徑曲折，相鄰裂紋匯聚或者裂紋擴展至另一位置的表面時，所合圍區(qū)域的基體剝落。腐蝕后觀察到裂紋周圍呈現(xiàn)高溫回火組織（燒傷特征），同時裂紋內(nèi)部未觀察到脫碳，說明裂紋產(chǎn)生于使用過程中。

圖7 滾子的顯微組織Fig.7 Microstructure of rollers

如圖8所示，內(nèi)圈基體的顯微組織為正常的馬氏體＋碳化物形貌；過熱位置表面為二次淬火層（白色），次層為瞬時溫度低于臨界點時形成的高溫回火層（黑色）。

圖8 內(nèi)圈的顯微組織Fig.8 Microstructure of inner ring

2 失效原因分析

攪拌車減速機的運行工況比較復(fù)雜，攪拌工作轉(zhuǎn)速時快時慢，經(jīng)常造成對減速機和調(diào)心滾子軸承的沖擊轉(zhuǎn)矩；另外，攪拌車在崎嶇、拐彎路面，特別是上下坡時更會產(chǎn)生對減速機和調(diào)心滾子軸承的軸向沖擊載荷，造成瞬時超載，易導(dǎo)致軸承發(fā)生疲勞斷裂失效[5]。

從失效軸承的內(nèi)圈形貌（圖2）可以看出，軸承工作時存在嚴重的偏載工況，說明攪拌車超載造成減速機傾斜角度超出其使用范圍，使輸出軸盤偏擺角過大（最大超過3°），超出軸承允許偏擺角（設(shè)計最大角度為1.5°），導(dǎo)致軸承過度偏斜，偏載運轉(zhuǎn)。這種偏載運轉(zhuǎn)使部分接觸位置上原本起到潤滑作用的油膜在壓力作用下失去效果，從而使內(nèi)、外圈和滾子表面直接接觸，劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致局部燒傷[6]。

兩表面接觸時，除在接觸表面產(chǎn)生拉應(yīng)力外，表層下部還存在剪切應(yīng)力。軸承工作時，內(nèi)、外圈與滾子接觸的表面將以tC為周期產(chǎn)生交變應(yīng)力。在交變剪切應(yīng)力作用下，表層產(chǎn)生周期性變形與位錯行為[2，7]，位錯塞積形成表面或亞表面微裂紋或空穴，且微裂紋沿近乎與表面平行的方向擴展，到達表面時即形成剝落形貌（圖4b中的滾子表面），即為滾動接觸疲勞[7]或疲勞磨損[8]。周期性載荷導(dǎo)致的變形會引起軸承材料先循環(huán)軟化再循環(huán)硬化，使彈性和韌性急劇下降，導(dǎo)致疲勞剝落[5]，這也是滾動軸承的主要損傷形式[9－11]。在滾子工作表面觀察到的微裂紋（圖7）正說明了這一點。此外，觀察到部分滾子發(fā)生嚴重疲勞剝落，而另外的滾子表面只有輕微磨損，表明偏載造成不同位置的滾子受力不均，因此磨損程度有所不同[12]。

剝落的顆粒仍存在于軸承內(nèi)部，使各接觸面形成三體磨損，造成“犁溝”形貌（圖4b的保持架表面）。由于運轉(zhuǎn)過程中，滾動軸承并非完全在純滾動的狀態(tài)下工作，仍然存在不少滑動因素，造成磨損加劇。偏載造成受力不均而發(fā)生較大振動，使保持架與滾子之間的間隙過小，保持架變形將滾子卡緊，造成嚴重擦傷。由于固相焊合接觸表面的材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面（保持架內(nèi)側(cè)），同時涂抹在滾子上的金屬又拉削保持架兜孔表面形成犁溝（保持架工作面），保持架在交變應(yīng)力和磨損的綜合作用下最終斷裂，滾子脫出，軸承損壞。

裝輸出軸盤的調(diào)心滾子軸承損壞后，內(nèi)、外圈之間發(fā)生較大的軸向位移，與行星架、箱蓋相抵位置發(fā)生劇烈磨損，出現(xiàn)異響且噪聲越來越大，最后輸出軸盤卡死，導(dǎo)致減速機徹底無法運轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

綜上分析，得出以下結(jié)論并提出相關(guān)建議：

1）攪拌車超載造成減速機輸出軸盤偏擺角過大，導(dǎo)致軸承過度偏斜，發(fā)生偏載運轉(zhuǎn)，從而使?jié)櫥プ饔?，?nèi)、外圈和滾子表面直接接觸，劇烈摩擦后導(dǎo)致失效。

2）失效模式主要為表面起源型疲勞剝落。

3）建議使用單位嚴格控制，避免過載。在惡劣路況下行駛時控制速度，減少沖擊和偏載的可能。按產(chǎn)品說明書定期進行設(shè)備維護保養(yǎng)，包括加強潤滑、易損件更換等，并對故障率高的部位進行重點監(jiān)控。