推力球軸承在斜軸式柱塞泵中起到傳動和承受軸向力的作用,推力球軸承失效會造成液壓泵故障。將某臺液壓泵推力球軸承翻修更新后,在使用中發生軸承剝落問題,泵內其他零件未出現嚴重附帶損傷。翻修后軸承的規定壽命為800 h,發生故障時新軸承僅使用了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方法對軸承剝落的原因進行分析,并提出了改進措施,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

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象,其中3顆鋼球嚴重破碎成球缺狀,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,溝道表面可見嚴重磨損痕跡；軸圈形狀完整,溝道表面可見嚴重磨損痕跡；保持架形狀完整,有11個兜孔,兜孔在無壓印點一側表面有翻邊毛刺,在壓印點附近可見不同程度的局部變形；保持架側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,對其表面剝落區進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：鋼球及套圈溝道剝落區有明顯的疲勞弧線特征,均屬于疲勞剝落,剝落區未見明顯材料缺陷。 

圖  2  鋼球及套圈表面剝落區宏觀形貌

對保持架兜孔內部與鋼球接觸部位進行宏觀觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：鋼球的自轉與公轉使兜孔內部形成了周向環帶,部分兜孔上與壓印對應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  保持架兜孔內部與鋼球接觸部位的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在軸承的鋼球、座圈、軸圈上分別取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：軸承鋼球、座圈、軸圈的化學成分均符合YB 4107—2000 《航空發動機用高碳鉻軸承鋼》的要求。 

1.3   金相檢驗

在軸承的鋼球、座圈、軸圈上分別截取金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖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,利用顯微硬度計對試樣進行硬度測試,并換算成洛氏硬度。軸承鋼球、座圈、軸圈試樣的硬度測試結果分別為63.9,61.5,61.3 HRC,符合GJB 269A—2000 《航空滾動軸承通用規范》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

利用多功能坐標測量機對保持架部分較完整的兜孔壓印深度進行測量。兜孔壓印的深度為0.513~0.583 mm,且同一兜孔周邊4個壓印的深度不一致,兜孔內磨損痕跡與壓印深度有一定對應關系,壓印深度越大,磨損痕跡越嚴重。 

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,說明軸承發生了接觸疲勞現象。軸承零件的化學成分、組織、硬度等均符合相關標準要求,未發現明顯的材料或熱處理狀態異常現象。軸承的軸圈、座圈形狀完整,溝道表面可見嚴重磨損痕跡；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。根據以上特征,判斷鋼球是軸承中最先發生剝落的零件。 

一般來說,軸承鋼球發生早期疲勞剝落的原因與其制造或工作狀態有關[1]。該軸承鋼球、軸圈、座圈的材料均無異常,判斷鋼球發生疲勞剝落主要與其工作狀態異常有關。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象,說明鋼球在保持架兜孔內受到過度約束。保持架的主要作用是把滾動體均勻地間隔開,使其在內外圈的溝道上正常滾動,避免發生相互碰撞和接觸磨損。當鋼球在保持架兜孔內受到過度約束時,鋼球運轉不靈活,甚至發生滑動摩擦,就會在使用過程中疲勞剝落。 

為防止安裝時鋼球從保持架中脫出,采用保持架兜孔邊壓印的方式來實現鋼球在兜孔中的鎖定。正常情況下,鋼球在運轉過程中與兜孔內腔接觸,會在兜孔內部形成周向環帶。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,變形量大。兜孔壓印部位變形量大,使鋼球運轉過程中與兜孔內部的接觸點增加,從而導致其受到過度約束。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。保持架兜孔內磨損痕跡與壓印深度有一定對應關系,壓印深度越大,相應的磨損痕跡越嚴重。綜合上述結果,判斷軸承中鋼球發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。 

根據軸承幾何關系可知,正常情況下,軸承工作時鋼球僅與兩套圈溝道接觸,兩接觸點連線通過球心,引導鋼球定軸自轉,同時在保持架的引導作用下,鋼球繞著軸承的軸線公轉,鋼球始終在穩定的軌道上運轉（見圖5）。在某一時刻,鋼球移動到保持架鎖點極限位置時,相鄰兜孔保持架鎖點與鋼球之間有一定的間隙,鋼球與保持架兜孔不會產生接觸摩擦（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接觸示意

當保持架兜孔鎖點壓印過深時,鎖點下方塑性變形較大,會與鋼球發生干涉,鋼球存在多點接觸的現象,鋼球會發生非自由轉動（見圖7）。同時,當某一時刻鋼球移動到保持架兜孔鎖點極限位置時,相鄰兜孔鎖點與鋼球之間已發生干涉,鋼球與保持架之間出現接觸摩擦（見圖8）,導致鋼球與溝道表面產生異常磨損,并首先表現為鋼球磨損,最終導致軸承發生早期疲勞剝落現象。 

圖  7  鎖點壓印過深時鋼球接觸形式示意

圖  8  鎖點壓印過深時鋼球與保持架兜孔鎖點接觸示意

3.   改進措施

保持架的設計、加工、生產環節控制對軸承的運行至關重要[2-6],改進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為手工壓印,不易對鎖點的壓印深度進行控制；而取消保持架兜孔鎖點會使軸承安裝時發生散套問題。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構中的銅實體保持架。 

PEEK為有機高分子材料,具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕以及尺寸穩定等優點,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傳統金屬材料[7],并已在高性能軸承上獲得應用[8]。利用工業化設備規模化生產的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,并實現自鎖,鋼球的裝配質量一致性較好。PEEK材料的密度小,可以減小保持架的運動慣量,使軸承運轉更加平穩。 

液壓泵換用改進后的推力球軸承在使用50 h后,鋼球表面質量較好,未出現鋼球運動干涉現象（見圖9）。 

圖  9  改進后的推力球軸承使用50 h后外觀

4.   結論

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

文章來源——材料與測試網