推力球軸承在斜軸式柱塞泵中起到傳動(dòng)和承受軸向力的作用,推力球軸承失效會(huì)造成液壓泵故障。將某臺(tái)液壓泵推力球軸承翻修更新后,在使用中發(fā)生軸承剝落問題,泵內(nèi)其他零件未出現(xiàn)嚴(yán)重附帶損傷。翻修后軸承的規(guī)定壽命為800 h,發(fā)生故障時(shí)新軸承僅使用了140 h。推力球軸承由座圈、軸圈、鋼球、保持架等部件組成,座圈、軸圈、鋼球的材料均為GCr15軸承鋼,保持架的材料為鋁青銅,為防止安裝時(shí)鋼球從保持架中脫出,采用保持架兜孔邊壓印的方式將鋼球鎖定在兜孔中。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)軸承剝落的原因進(jìn)行分析,并提出了改進(jìn)措施,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

剝落推力球軸承的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：軸承由座圈、軸圈、銅保持架以及11顆鋼球組成；11顆鋼球均有明顯的剝落現(xiàn)象,其中3顆鋼球嚴(yán)重破碎成球缺狀,球缺高度分別為7.8,9.2,9.4 mm,其余8顆鋼球基本保持完整的球形；座圈形狀完整,溝道表面可見嚴(yán)重磨損痕跡；軸圈形狀完整,溝道表面可見嚴(yán)重磨損痕跡；保持架形狀完整,有11個(gè)兜孔,兜孔在無壓印點(diǎn)一側(cè)表面有翻邊毛刺,在壓印點(diǎn)附近可見不同程度的局部變形；保持架側(cè)面和外圓端面局部均可見周向的摩擦磨損。 

圖  1  剝落推力球軸承的宏觀形貌

選取典型鋼球和套圈,對(duì)其表面剝落區(qū)進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：鋼球及套圈溝道剝落區(qū)有明顯的疲勞弧線特征,均屬于疲勞剝落,剝落區(qū)未見明顯材料缺陷。 

圖  2  鋼球及套圈表面剝落區(qū)宏觀形貌

對(duì)保持架兜孔內(nèi)部與鋼球接觸部位進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：鋼球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)使兜孔內(nèi)部形成了周向環(huán)帶,部分兜孔上與壓印對(duì)應(yīng)部位還可見凸耳狀磨損痕跡,說明部分兜孔壓印部位與鋼球存在異常接觸。 

圖  3  保持架兜孔內(nèi)部與鋼球接觸部位的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在軸承的鋼球、座圈、軸圈上分別取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：軸承鋼球、座圈、軸圈的化學(xué)成分均符合YB 4107—2000 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高碳鉻軸承鋼》的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在軸承的鋼球、座圈、軸圈上分別截取金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：軸承鋼球、座圈、軸圈的組織均為回火馬氏體+顆粒狀碳化物,屬于正常的淬火+低溫回火組織。 

圖  4  軸承鋼球、座圈、軸圈的顯微組織形貌

1.4   硬度測試

在軸承鋼球、座圈、軸圈上分別取樣,利用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測試,并換算成洛氏硬度。軸承鋼球、座圈、軸圈試樣的硬度測試結(jié)果分別為63.9,61.5,61.3 HRC,符合GJB 269A—2000 《航空滾動(dòng)軸承通用規(guī)范》的要求（GCr15鋼軸承套圈的硬度為61~65 HRC,鋼球的硬度為62~66 HRC）。 

1.5   壓印深度測量

利用多功能坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)保持架部分較完整的兜孔壓印深度進(jìn)行測量。兜孔壓印的深度為0.513~0.583 mm,且同一兜孔周邊4個(gè)壓印的深度不一致,兜孔內(nèi)磨損痕跡與壓印深度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,壓印深度越大,磨損痕跡越嚴(yán)重。 

2.   綜合分析

推力球軸承的鋼球、座圈、軸圈溝道等均存在疲勞剝落,說明軸承發(fā)生了接觸疲勞現(xiàn)象。軸承零件的化學(xué)成分、組織、硬度等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,未發(fā)現(xiàn)明顯的材料或熱處理狀態(tài)異?，F(xiàn)象。軸承的軸圈、座圈形狀完整,溝道表面可見嚴(yán)重磨損痕跡；所有鋼球表面均存在疲勞剝落,有3顆鋼球破碎成球缺狀；保持架形狀完整,兜孔上無壓印部位有明顯的翻邊毛刺,顯示鋼球從該部位脫出。根據(jù)以上特征,判斷鋼球是軸承中最先發(fā)生剝落的零件。 

一般來說,軸承鋼球發(fā)生早期疲勞剝落的原因與其制造或工作狀態(tài)有關(guān)[1]。該軸承鋼球、軸圈、座圈的材料均無異常,判斷鋼球發(fā)生疲勞剝落主要與其工作狀態(tài)異常有關(guān)。鋼球在工作過程中與保持架、軸圈、座圈溝道接觸,軸承中保持架、軸圈、座圈形狀完整,但保持架部分兜孔存在與鋼球異常接觸的現(xiàn)象,說明鋼球在保持架兜孔內(nèi)受到過度約束。保持架的主要作用是把滾動(dòng)體均勻地間隔開,使其在內(nèi)外圈的溝道上正常滾動(dòng),避免發(fā)生相互碰撞和接觸磨損。當(dāng)鋼球在保持架兜孔內(nèi)受到過度約束時(shí),鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活,甚至發(fā)生滑動(dòng)摩擦,就會(huì)在使用過程中疲勞剝落。 

為防止安裝時(shí)鋼球從保持架中脫出,采用保持架兜孔邊壓印的方式來實(shí)現(xiàn)鋼球在兜孔中的鎖定。正常情況下,鋼球在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與兜孔內(nèi)腔接觸,會(huì)在兜孔內(nèi)部形成周向環(huán)帶。而該剝落軸承中的鋼球與保持架兜孔接觸部位不僅形成了周向環(huán)帶,還在壓印變形部位形成了凸耳狀磨損痕跡,說明該軸承保持架兜孔壓印部位控制不當(dāng),變形量大。兜孔壓印部位變形量大,使鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與兜孔內(nèi)部的接觸點(diǎn)增加,從而導(dǎo)致其受到過度約束。軸承保持架兜孔壓印的深度不同,同一兜孔邊上4處壓印的深度不一致。保持架兜孔內(nèi)磨損痕跡與壓印深度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,壓印深度越大,相應(yīng)的磨損痕跡越嚴(yán)重。綜合上述結(jié)果,判斷軸承中鋼球發(fā)生疲勞剝落與其保持架兜孔壓印部位變形量大,鋼球受到過度約束有關(guān)。 

根據(jù)軸承幾何關(guān)系可知,正常情況下,軸承工作時(shí)鋼球僅與兩套圈溝道接觸,兩接觸點(diǎn)連線通過球心,引導(dǎo)鋼球定軸自轉(zhuǎn),同時(shí)在保持架的引導(dǎo)作用下,鋼球繞著軸承的軸線公轉(zhuǎn),鋼球始終在穩(wěn)定的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)（見圖5）。在某一時(shí)刻,鋼球移動(dòng)到保持架鎖點(diǎn)極限位置時(shí),相鄰兜孔保持架鎖點(diǎn)與鋼球之間有一定的間隙,鋼球與保持架兜孔不會(huì)產(chǎn)生接觸摩擦（見圖6）。 

圖  5  鋼球與套圈溝道接觸形式示意

圖  6  鋼球與保持架兜孔鎖點(diǎn)接觸示意

當(dāng)保持架兜孔鎖點(diǎn)壓印過深時(shí),鎖點(diǎn)下方塑性變形較大,會(huì)與鋼球發(fā)生干涉,鋼球存在多點(diǎn)接觸的現(xiàn)象,鋼球會(huì)發(fā)生非自由轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖7）。同時(shí),當(dāng)某一時(shí)刻鋼球移動(dòng)到保持架兜孔鎖點(diǎn)極限位置時(shí),相鄰兜孔鎖點(diǎn)與鋼球之間已發(fā)生干涉,鋼球與保持架之間出現(xiàn)接觸摩擦（見圖8）,導(dǎo)致鋼球與溝道表面產(chǎn)生異常磨損,并首先表現(xiàn)為鋼球磨損,最終導(dǎo)致軸承發(fā)生早期疲勞剝落現(xiàn)象。 

圖  7  鎖點(diǎn)壓印過深時(shí)鋼球接觸形式示意

圖  8  鎖點(diǎn)壓印過深時(shí)鋼球與保持架兜孔鎖點(diǎn)接觸示意

3.   改進(jìn)措施

保持架的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制對(duì)軸承的運(yùn)行至關(guān)重要[2-6],改進(jìn)保持架是降低軸承故障率的有效方法。軸承保持架兜孔鎖點(diǎn)為手工壓印,不易對(duì)鎖點(diǎn)的壓印深度進(jìn)行控制；而取消保持架兜孔鎖點(diǎn)會(huì)使軸承安裝時(shí)發(fā)生散套問題。因此,采用PEEK(聚醚醚酮)材料制造的自鎖保持架替代原軸承結(jié)構(gòu)中的銅實(shí)體保持架。 

PEEK為有機(jī)高分子材料,具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),能夠在高精度耐熱、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞、抗沖擊的工程零部件中代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料[7],并已在高性能軸承上獲得應(yīng)用[8]。利用工業(yè)化設(shè)備規(guī)模化生產(chǎn)的PEEK保持架制造一致性高。PEEK材料無需壓印,可直接將鋼球壓入兜孔,并實(shí)現(xiàn)自鎖,鋼球的裝配質(zhì)量一致性較好。PEEK材料的密度小,可以減小保持架的運(yùn)動(dòng)慣量,使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。 

液壓泵換用改進(jìn)后的推力球軸承在使用50 h后,鋼球表面質(zhì)量較好,未出現(xiàn)鋼球運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象（見圖9）。 

圖  9  改進(jìn)后的推力球軸承使用50 h后外觀

4.   結(jié)論

液壓泵用推力球軸承發(fā)生疲勞剝落的原因?yàn)?保持架兜孔壓印部位變形量大,鋼球受到過度約束,使鋼球與保持架發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉,最終導(dǎo)致軸承發(fā)生疲勞剝落現(xiàn)象。采用PEEK材料制造的自鎖保持架替代原青銅實(shí)體保持架,取消保持架兜孔壓印鎖點(diǎn),能夠有效解決鋼球運(yùn)動(dòng)干涉問題,提高軸承的使用可靠性。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)