分享：液压泵用推力球轴承疲劳剥落原因

推力球轴承在斜轴式柱塞泵中起到传动和承受轴向力的作用,推力球轴承失效会造成液压泵故障。将某台液压泵推力球轴承翻修更新后,在使用中发生轴承剥落问题,泵内其他零件未出现严重附带损伤。翻修后轴承的规定寿命为800 h,发生故障时新轴承仅使用了140 h。推力球轴承由座圈、轴圈、钢球、保持架等部件组成,座圈、轴圈、钢球的材料均为GCr15轴承钢,保持架的材料为铝青铜,为防止安装时钢球从保持架中脱出,采用保持架兜孔边压印的方式将钢球锁定在兜孔中。笔者采用一系列理化检验方法对轴承剥落的原因进行分析,并提出了改进措施,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

剥落推力球轴承的宏观形貌如图1所示。由图1可知：轴承由座圈、轴圈、铜保持架以及11颗钢球组成；11颗钢球均有明显的剥落现象,其中3颗钢球严重破碎成球缺状,球缺高度分别为7.8,9.2,9.4 mm,其余8颗钢球基本保持完整的球形；座圈形状完整,沟道表面可见严重磨损痕迹；轴圈形状完整,沟道表面可见严重磨损痕迹；保持架形状完整,有11个兜孔,兜孔在无压印点一侧表面有翻边毛刺,在压印点附近可见不同程度的局部变形；保持架侧面和外圆端面局部均可见周向的摩擦磨损。 

图  1  剥落推力球轴承的宏观形貌

选取典型钢球和套圈,对其表面剥落区进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：钢球及套圈沟道剥落区有明显的疲劳弧线特征,均属于疲劳剥落,剥落区未见明显材料缺陷。 

图  2  钢球及套圈表面剥落区宏观形貌

对保持架兜孔内部与钢球接触部位进行宏观观察,结果如图3所示。由图3可知：钢球的自转与公转使兜孔内部形成了周向环带,部分兜孔上与压印对应部位还可见凸耳状磨损痕迹,说明部分兜孔压印部位与钢球存在异常接触。 

图  3  保持架兜孔内部与钢球接触部位的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在轴承的钢球、座圈、轴圈上分别取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：轴承钢球、座圈、轴圈的化学成分均符合YB 4107—2000 《航空发动机用高碳铬轴承钢》的要求。 

1.3   金相检验

在轴承的钢球、座圈、轴圈上分别截取金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：轴承钢球、座圈、轴圈的组织均为回火马氏体+颗粒状碳化物,属于正常的淬火+低温回火组织。 

图  4  轴承钢球、座圈、轴圈的显微组织形貌

1.4   硬度测试

在轴承钢球、座圈、轴圈上分别取样,利用显微硬度计对试样进行硬度测试,并换算成洛氏硬度。轴承钢球、座圈、轴圈试样的硬度测试结果分别为63.9,61.5,61.3 HRC,符合GJB 269A—2000 《航空滚动轴承通用规范》的要求（GCr15钢轴承套圈的硬度为61~65 HRC,钢球的硬度为62~66 HRC）。 

1.5   压印深度测量

利用多功能坐标测量机对保持架部分较完整的兜孔压印深度进行测量。兜孔压印的深度为0.513~0.583 mm,且同一兜孔周边4个压印的深度不一致,兜孔内磨损痕迹与压印深度有一定对应关系,压印深度越大,磨损痕迹越严重。 

2.   综合分析

推力球轴承的钢球、座圈、轴圈沟道等均存在疲劳剥落,说明轴承发生了接触疲劳现象。轴承零件的化学成分、组织、硬度等均符合相关标准要求,未发现明显的材料或热处理状态异常现象。轴承的轴圈、座圈形状完整,沟道表面可见严重磨损痕迹；所有钢球表面均存在疲劳剥落,有3颗钢球破碎成球缺状；保持架形状完整,兜孔上无压印部位有明显的翻边毛刺,显示钢球从该部位脱出。根据以上特征,判断钢球是轴承中最先发生剥落的零件。 

一般来说,轴承钢球发生早期疲劳剥落的原因与其制造或工作状态有关[1]。该轴承钢球、轴圈、座圈的材料均无异常,判断钢球发生疲劳剥落主要与其工作状态异常有关。钢球在工作过程中与保持架、轴圈、座圈沟道接触,轴承中保持架、轴圈、座圈形状完整,但保持架部分兜孔存在与钢球异常接触的现象,说明钢球在保持架兜孔内受到过度约束。保持架的主要作用是把滚动体均匀地间隔开,使其在内外圈的沟道上正常滚动,避免发生相互碰撞和接触磨损。当钢球在保持架兜孔内受到过度约束时,钢球运转不灵活,甚至发生滑动摩擦,就会在使用过程中疲劳剥落。 

为防止安装时钢球从保持架中脱出,采用保持架兜孔边压印的方式来实现钢球在兜孔中的锁定。正常情况下,钢球在运转过程中与兜孔内腔接触,会在兜孔内部形成周向环带。而该剥落轴承中的钢球与保持架兜孔接触部位不仅形成了周向环带,还在压印变形部位形成了凸耳状磨损痕迹,说明该轴承保持架兜孔压印部位控制不当,变形量大。兜孔压印部位变形量大,使钢球运转过程中与兜孔内部的接触点增加,从而导致其受到过度约束。轴承保持架兜孔压印的深度不同,同一兜孔边上4处压印的深度不一致。保持架兜孔内磨损痕迹与压印深度有一定对应关系,压印深度越大,相应的磨损痕迹越严重。综合上述结果,判断轴承中钢球发生疲劳剥落与其保持架兜孔压印部位变形量大,钢球受到过度约束有关。 

根据轴承几何关系可知,正常情况下,轴承工作时钢球仅与两套圈沟道接触,两接触点连线通过球心,引导钢球定轴自转,同时在保持架的引导作用下,钢球绕着轴承的轴线公转,钢球始终在稳定的轨道上运转（见图5）。在某一时刻,钢球移动到保持架锁点极限位置时,相邻兜孔保持架锁点与钢球之间有一定的间隙,钢球与保持架兜孔不会产生接触摩擦（见图6）。 

图  5  钢球与套圈沟道接触形式示意

图  6  钢球与保持架兜孔锁点接触示意

当保持架兜孔锁点压印过深时,锁点下方塑性变形较大,会与钢球发生干涉,钢球存在多点接触的现象,钢球会发生非自由转动（见图7）。同时,当某一时刻钢球移动到保持架兜孔锁点极限位置时,相邻兜孔锁点与钢球之间已发生干涉,钢球与保持架之间出现接触摩擦（见图8）,导致钢球与沟道表面产生异常磨损,并首先表现为钢球磨损,最终导致轴承发生早期疲劳剥落现象。 

图  7  锁点压印过深时钢球接触形式示意

图  8  锁点压印过深时钢球与保持架兜孔锁点接触示意

3.   改进措施

保持架的设计、加工、生产环节控制对轴承的运行至关重要[2-6],改进保持架是降低轴承故障率的有效方法。轴承保持架兜孔锁点为手工压印,不易对锁点的压印深度进行控制；而取消保持架兜孔锁点会使轴承安装时发生散套问题。因此,采用PEEK(聚醚醚酮)材料制造的自锁保持架替代原轴承结构中的铜实体保持架。 

PEEK为有机高分子材料,具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀以及尺寸稳定等优点,能够在高精度耐热、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、抗冲击的工程零部件中代替传统金属材料[7],并已在高性能轴承上获得应用[8]。利用工业化设备规模化生产的PEEK保持架制造一致性高。PEEK材料无需压印,可直接将钢球压入兜孔,并实现自锁,钢球的装配质量一致性较好。PEEK材料的密度小,可以减小保持架的运动惯量,使轴承运转更加平稳。 

液压泵换用改进后的推力球轴承在使用50 h后,钢球表面质量较好,未出现钢球运动干涉现象（见图9）。 

图  9  改进后的推力球轴承使用50 h后外观

4.   结论

液压泵用推力球轴承发生疲劳剥落的原因为,保持架兜孔压印部位变形量大,钢球受到过度约束,使钢球与保持架发生运动干涉,最终导致轴承发生疲劳剥落现象。采用PEEK材料制造的自锁保持架替代原青铜实体保持架,取消保持架兜孔压印锁点,能够有效解决钢球运动干涉问题,提高轴承的使用可靠性。 

文章来源——材料与测试网