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(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800h，發(fā)生故障時新軸承僅使用了140h。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。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對軸承剝落的原因進(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7.8，9.2，9.4mm，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。

      選取典型鋼球和套圈，對其表面剝落區(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。

      對保持架兜孔內(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。

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。

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63.9，61.5，61.3HRC，符合GJB 269A—2000 《航空滾動軸承通用規(guī)范》的要求（GCr15鋼軸承套圈的硬度為61~65HRC，鋼球的硬度為62~66HRC）。

1.5 壓印深度測量

      利用多功能坐標(biāo)測量機(jī)對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0.513~0.583mm，且同一兜孔周邊4 個壓印的深度不一致，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)異常現(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)。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體均勻地間隔開，使其在內(nèi)外圈的溝道上正常滾動，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，鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，甚至發(fā)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(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）。在某一時刻，鋼球移動到保持架鎖點(diǎn)極限位置時，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產(chǎn)生接觸摩擦（見圖6）。

     當(dāng)保持架兜孔鎖點(diǎn)壓印過深時，鎖點(diǎn)下方塑性變形較大，會與鋼球發(fā)生干涉，鋼球存在多點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，鋼球會發(fā)生非自由轉(zhuǎn)動（見圖7）。同時，當(dāng)某一時刻鋼球移動到保持架兜孔鎖點(diǎn)極限位置時，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。

3、改進(jìn)措施

      保持架的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制對軸承的運(yùn)行至關(guān)重要，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)會使軸承安裝時發(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，并已在高性能軸承上獲得應(yīng)用。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50h后，鋼球表面質(zhì)量較好，未出現(xiàn)鋼球運(yùn)動干涉現(xiàn)象（見圖9）。

4、結(jié)論

     液壓泵用推力球軸承發(fā)生疲勞剝落的原因?yàn)椋３旨芏悼讐河〔课蛔冃瘟看螅撉蚴艿竭^度約束，使鋼球與保持架發(fā)生運(yùn)動干涉，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)動干涉問題，提高軸承的使用可靠性。

作者：李權(quán)，陳榮，傅國如，田浩

單位：北京航空工程技術(shù)研究中心

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2024年第9期