張德穎，趙廣炎，史松霞，魏闖，趙利蘭

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

在鋼鐵、有色軋機(jī)等大型重載機(jī)械加工設(shè)備中，支柱保持架結(jié)構(gòu)的特大型圓柱滾子軸承得到了廣泛應(yīng)用[1]。相比實體保持架，支柱保持架結(jié)構(gòu)可以使相鄰滾子間距更小，同等條件下可以容納更多滾子，提高軸承的承載能力[2]；支柱保持架制造成本低,加工工藝性較好，采用一般通用機(jī)械加工設(shè)備即可生產(chǎn)，而同類型的特大型金屬實體保持架采用離心澆鑄加工,存在一定生產(chǎn)難度[3]。

大型圓柱滾子軸承的主要失效形式有：內(nèi)、外圈滾道或滾子工作面疲勞剝落，內(nèi)、外圈幾何形狀變形，支柱保持架焊接部位斷裂、磨損破壞等。其中，早期失效發(fā)生在保持架焊接部位的幾率較高，保持架的損壞往往會導(dǎo)致軸承滾道啃傷，軸承卡死、整套軸承提前失效，軸承座和軋輥的輥頸損壞等嚴(yán)重后果[4]。不僅影響軋機(jī)的正常工作，更可能導(dǎo)致生產(chǎn)線停止運(yùn)行，帶來嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，有必要針對特大型軸承支柱保持架的損壞方式進(jìn)行分析研究，以提高該類軸承的使用壽命。

1 試驗檢測

以某軋制廠冷軋機(jī)支承輥使用的內(nèi)徑530 mm的特大型支柱焊接保持架四列圓柱滾子軸承為例，該軸承累計軋制鋁板帶的重量不足正常軸承軋制量的1/8，但軸承在早期使用階段就出現(xiàn)了損壞。

1.1 宏觀形貌檢查

軸承在軸承座內(nèi)已經(jīng)損壞(圖1)，保持架部分支柱已斷裂并脫落，脫離保持架支柱的滾子散落在軸承內(nèi)部。損壞軸承拆卸后發(fā)現(xiàn)，軸承組件的大部分支柱已斷裂并脫離保持架(圖2)，已斷裂的支柱自焊接斷裂處至支柱螺紋端整體被磨成尖錐狀、扁銼狀，無法看清支柱的原始面貌。斷裂在保持架焊接孔內(nèi)的支柱與保持架連接完好，無脫焊現(xiàn)象；斷裂在保持架螺紋孔內(nèi)的支柱斷口齊平，與保持架的螺紋連接完好。脫落滾子(圖3)端面有明顯的擦傷及劃痕，滾子圓周方向無明顯傷痕。

圖1 損壞在軸承座內(nèi)的軸承Fig.1 Damaged bearing in bearing housing

圖2 已損壞的軸承零件Fig.2 Damaged bearing part

圖3 損壞軸承脫落的滾子Fig.3 Peeling roller of damaged bearing

1.2 斷口微觀形貌檢查

以損壞軸承保持架斷口部位基體材料為研究對象，將支柱焊接端保持架經(jīng)過線切割、磨削后制成檢測試樣(圖4)。將試樣放置在KQ5200型超聲波清洗器中清洗干凈并烘干，然后置于JSM6380LV掃描電子顯微鏡下對保持架斷面進(jìn)行形貌分析。

圖4 焊接斷口檢測試樣Fig.4 Samples of welding fracture for testing

保持架焊接斷面的微觀形貌如圖5—圖8所示。由圖可知：柱銷焊接斷面處有細(xì)微的焊接裂紋(圖5)；支柱和保持架焊接基體未完全融合，連接部位存在焊入不足(圖6)；保持架焊接斷面存在焊接夾渣和焊接孔洞缺陷(圖7)；保持架與支柱焊接的連接部位有未融熔的焊劑熔塊，熔焊金屬和基體之間存在明顯的虛焊缺陷(圖8)。

圖5 斷口的裂紋形貌Fig.5 Crack morphology of fracture

圖6 焊接未熔合缺陷Fig.6 Unfused welding defect

圖7 焊接孔洞缺陷Fig.7 Porosity of welding defect

圖8 焊劑與基體金屬未融合缺陷Fig.8 Unfused defect between welding flux and base metal

焊接裂紋、焊接夾渣、焊入不足和焊劑熔塊等焊接缺陷的存在使支柱與保持架的連接不牢，這些缺陷既加大了焊接連接處的應(yīng)力集中程度，又降低了焊接連接處的承載能力[5]。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，沖擊載荷作用容易導(dǎo)致支柱焊接部位脫焊，一旦支柱焊接端缺陷斷裂，保持架支柱僅螺紋連接端承受載荷，將在滾子轉(zhuǎn)動過程中來回晃動，加速支柱螺紋端的疲勞斷裂損壞。

1.3 支柱與保持架材料成分分析

保持架原設(shè)計方案為：支柱選材G40，保持架選材G20。支柱和保持架主要化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值(GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》)和實測值見表1，由表可知，支柱和保持架的材質(zhì)合格；支柱的含碳量大于0.37%，為中碳鋼，保持架含碳量低于0.23%，為低碳鋼。但保持架與支柱材質(zhì)不同，焊接時焊接缺陷和焊接裂紋出現(xiàn)的幾率較大[6]。

表1 支柱和保持架化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of pillar and cage w，%

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程分析

一般情況下，滾子軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，起支承作用的滾子在套圈滾道上滾動，實現(xiàn)軸與軸承座的相對旋轉(zhuǎn)[7]。保持架主要起隔離、引導(dǎo)滾子運(yùn)動的作用，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中基本不受力或受力較小。支柱保持架圓柱滾子軸承在軋機(jī)上的運(yùn)動情況如圖9所示。外圈靜止，當(dāng)內(nèi)圈順時針以轉(zhuǎn)速n隨軋輥旋轉(zhuǎn)時，將帶動滾子逆時針以n1的速度繞自身的中心自轉(zhuǎn)，同時又順時針以n2的轉(zhuǎn)速繞軸承的中心公轉(zhuǎn)，保持架(支柱)同樣繞軸承中心順時針以n2的速度旋轉(zhuǎn)。由于滾子孔與支柱存在間隙2δ，滾子需要運(yùn)動一段距離δ與支柱接觸后，方可將運(yùn)動傳遞到保持架(支柱)。因此，滾子將對支柱產(chǎn)生一定的沖擊載荷，運(yùn)動距離δ越長，沖擊載荷帶來的破壞力就越大。當(dāng)軋機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中正反2個方向快速變換時，滾子在慣性力的作用下對支柱產(chǎn)生較大的沖擊力。另外，滾子換向后受迫快速反向運(yùn)動2δ距離，將會對支柱產(chǎn)生更大的沖擊載荷[5]。

圖9 滾子、支柱保持架結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖Fig.9 Diagram of structure and rotation of roller and pin cage

2.2 失效原因分析

通過對早期損壞軸承保持架和支柱的檢測及圓柱滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程的模擬，分析認(rèn)為導(dǎo)致支柱焊接保持架早期失效的原因可能主要為：

1) 早期安裝支柱時螺紋沒有擰緊，使得支柱與保持架的螺紋連接實際受力面積減少，螺紋連接抗拉強(qiáng)度降低。在軋機(jī)工作過程中，支柱螺紋連接部位反復(fù)受到重載荷的沖擊，支柱會進(jìn)一步松動而發(fā)生竄動，最終導(dǎo)致螺紋連接端疲勞斷裂而失效脫出[3]。

2) 原保持架設(shè)計方案中，中碳鋼保證了支柱的淬火硬度和耐磨性，低碳鋼保證了保持架的抗沖擊性能和工藝的可焊性；但中碳鋼和低碳鋼存在材質(zhì)成分差異，當(dāng)二者焊接時，中碳鋼部件焊接部位容易出現(xiàn)焊接缺陷和脆性裂紋[6]。

3) 保持架焊接凹穴的設(shè)計角度過大，深度不夠，導(dǎo)致無效焊接面積過大，焊接熔融金屬量大，保持架焊接端夾渣、虛焊和變形的幾率增大。另外，焊接過程中不可避免地出現(xiàn)局部熱循環(huán)、焊接變形和焊接殘余應(yīng)力會導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，甚至形成裂紋[8]。為保證滾子硬度，未對此類焊接支柱保持架進(jìn)行常規(guī)去除焊接殘余應(yīng)力退火。支柱焊接部位因受到反復(fù)沖擊將產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋從焊接區(qū)的微小缺陷或脆性裂紋開始，逐漸擴(kuò)大，最終造成支柱從焊接部位斷裂脫出[9]。

4) 保持架在實際加工過程中，支柱、保持架焊接孔和滾子孔實際尺寸偏差較大，導(dǎo)致支柱與保持架焊接孔間的實際間隙δ1以及支柱與滾子孔間的實際間隙δ過大，在軋輥轉(zhuǎn)動過程中，支柱焊接端承受沖擊力加大，尤其是在軋輥快速換向運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，支柱焊接端承受的沖擊力超出了承受范圍，在焊接處發(fā)生疲勞斷裂或者脆性斷裂。

綜合上述原因，軸承在重載沖擊作用下，支柱焊接端由于焊接缺陷斷裂脫離保持架后，保持架失去平衡，無法正常引導(dǎo)滾子運(yùn)轉(zhuǎn)，加之支柱螺紋端松動和反復(fù)沖擊載荷的作用，引起支柱螺紋端疲勞斷裂，尤其是在軋輥往復(fù)換向運(yùn)轉(zhuǎn)時可能會導(dǎo)致滾子傾斜、偏離滾道面、互相碰撞或與擋邊發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，甚至發(fā)生卡死現(xiàn)象，最終導(dǎo)致軸承損毀失效。針對本次軸承的損壞方式來看，導(dǎo)致軸承早期損壞的主要原因可能是在多頻次沖擊載荷作用下，支柱保持架的焊接缺陷引起的支柱焊接端缺陷斷裂和由此引發(fā)的支柱螺紋端的疲勞斷裂所致。

2.3 改進(jìn)措施

為預(yù)防支柱與保持架連接失效，從支柱焊接保持架的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝質(zhì)量控制方面提出改進(jìn)措施：

1) 優(yōu)化保持架設(shè)計，將保持架的材質(zhì)更改為中碳鋼，與支柱材質(zhì)一致；將保持架焊接凹穴的角度由45°減小為30°，焊接凹穴深度由保持架厚度的1/3增大為2/5。改進(jìn)后降低了焊接脆性裂紋及焊接缺陷出現(xiàn)的幾率，減少了無效焊接面積，適當(dāng)加深了焊接深度，避免了僅在支柱端部進(jìn)行焊接的情況，降低了焊接夾渣、虛焊缺陷及焊接變形產(chǎn)生的可能性。

2) 在工藝和使用條件允許的條件下，壓縮支柱與保持架焊接孔、滾子孔的公差，減小滾子支柱孔與支柱的間隙，螺紋端保持架與焊接端保持架采用定位配鉆工藝，并減小支柱與焊接孔的間隙，改善滾子孔與支柱的接觸狀態(tài)，降低滾子對支柱的剪切與彎曲作用強(qiáng)度，延緩支柱焊接端疲勞開裂的速度。

3) 加強(qiáng)支柱與保持架質(zhì)量控制，擰緊支柱，確保支柱螺紋穩(wěn)固連接到保持架上。

4) 焊接時務(wù)必清理支柱端部與保持架焊接孔的油類物質(zhì)與污染物，并選擇合理的焊接工藝。

3 結(jié)論

1) 支柱保持架的焊接缺陷引起的支柱焊接端缺陷斷裂和由此引發(fā)的支柱螺紋端的疲勞斷裂是導(dǎo)致該類軸承早期失效的主要原因；

2) 保持架與支柱連接處的焊接缺陷和制造工藝問題是支柱保持架焊接部分快速疲勞損壞的主要原因；

3) 優(yōu)化設(shè)計方法，加強(qiáng)保持架工藝質(zhì)量管控，可以有效降低保持架焊接缺陷產(chǎn)生的幾率，改進(jìn)后的保持架在實際應(yīng)用中沒有再發(fā)生支柱斷裂而導(dǎo)致軸承失效的情況。