某发动机用三点接触球轴承失效分析

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· 28· 《轴承)2013.№.13.1 同批次轴承试验为了验证轴承质量是否有问题，首先选用与故障轴承同批生产的轴承，在试验机台模拟相同工况试验 3 h，试验过程中润滑油温度、转速均正常。分解检查被试轴承未见异常，初步排除了轴承质量问题。另外，从多套与故障轴承同批生产的轴承现场使用情况良好这-事实，也证明了轴承质量没有问题。

3.2 开口保持架试验为模拟保持架初始裂纹对轴承的危害，将保持架-兜孔单边侧梁割断，试验约 1 h后，轴承温度急升至315℃，设备过载保护停车。分解发现，开口兜孔对侧保持架断裂，断口两侧变为黑色，个别保持架兜孔磨损稍重，保持架外径局部区域磨损；个别钢球有高温工作现象和极顶磨损，沟道表面、钢球外观基本正常；外圈引导面有磨损，但未能再现故障保持架碎裂形貌。

3.3 淬火保持架试验为模拟淬硬的保持架对轴承的危害，对保持架进行淬火试验，硬度约 55.3 HRC，保持架外径尺寸发生变化，与外圈引导面之间有轻微卡滞。

试验进行13 h后，轴承温度达到320℃，转速自然下降，经不断调整，继续进行试验约 2 h后，试验台出现空转。

分解发现：保持架碎裂，共找到38个保持架碎块，仅有 1个横梁未断裂，呈工”字形，其余碎块呈T形；外表面有未完全断裂的穿透性裂纹，说明保持架侧梁先于横梁断裂，轴承外圈沟道呈熔融态，引导面基本磨光；前半内圈断裂成许多碎块，后半内圈沟道呈熔融态，已无法分解；钢球严重磨损，磨损后钢球最大直径约 20 mm(正常钢球直径 22.225 mm)。保持架宏观形貌如图9所示。

图9 淬火保持架(试件)损坏宏观形貌淬火保持架试件损坏外观形貌中，侧梁断口疲劳源及轴承内、外圈和钢球损伤形貌均与实际轴承损坏情况极为相似。

4 失效机理分析从保持架碎块的理化检查结果可知，保持架与钢球接触的工作区域最高硬度为 554 HV(52.5HRC)。由于保持架的外引导面磨损更加严重，温度也比兜孔内的接触区要高，其最高硬度为 781HV(63.3 HRC)。保持架外引导面与兜孔接触区由于摩擦导致过热，已经超过了材料的相变温度。

由于此时失效轴承的润滑冷却效果仍然良好，保持架产生了淬火现象，保持架材料的硬度增加，而塑性、韧度却下降到正常值的约 1/4。

轴承工作过程中所有的钢球都会对保持架兜孔产生碰撞，这种力通常不会对保持架产生影响，但在保持架韧度大幅降低的情况下，钢球对保持架的碰撞力就会在保持架最薄弱的位置--兜孔侧梁和横梁处造成破坏。从保持架强度计算分析结果可以看到，兜孔横梁的强度要强于侧梁的强度，这也是侧梁全部断裂而横梁部分断裂的原因。

本例轴承故障与以往故障不同的几个主要原因是，异物嵌入到保持架与套圈之间的间隙处或保持架兜孔与钢球之间(后者的可能性最大)，导致保持架偏摆，产生异常磨损，使温度急剧升高。保持架碎裂后，其碎块严重阻碍钢球的运转，导致钢球与保持架以及内、外圈之间产生滑动，套圈和钢球的温度急剧升高，热膨胀使部分钢球产生卡死现象，在内、外圈之间被拖蹭挤压，发生材料熔融和转移现象；在钢球和内、外圈的接触区域形成了过热区，导致内、外沟道表面出现挤压变形和高温粘结，钢球发生严重变形。轴承失效后轴向、径向游隙增大造成转子偏转，导致密封件产生严重的碰磨损伤。

5 预防措施结合以上分析，为避免出现类似失效故障，提高三点接触球轴承的可靠性，建议采取如下预防措施：(1)确保装配质量。严格执行装配工艺，保证装配质量符合要求，避免出现盖板、密封垫及螺钉等松动脱落等问题。

(2)针对三点接触球轴承存在外圈剥落、保持架碎裂等现象，需明确轴承成品的碳化物形态和尺寸控制要求；优化轴承零件表面精密磨削工艺；积极开展国产超纯材料的应用研究。