車橋用圓錐滾子軸承失效分析

殷 明，徐龍吟，徐 磊

（1.哈爾濱軸承集團公司 制造技術部，黑龍江 哈爾濱 150036；2.北京火谷網絡科技股份有限公司，北京 100027；3.哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

車橋用圓錐滾子軸承失效分析

殷 明1，徐龍吟2，徐 磊3

（1.哈爾濱軸承集團公司 制造技術部，黑龍江 哈爾濱 150036；2.北京火谷網絡科技股份有限公司，北京 100027；3.哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

針對某圓錐滾子軸承過早失效的問題，對其工作情況及損壞形式進行了詳細分析，并通過了解軸承失效機理、模擬重建軸承失效過程，找出軸承失效原因，提高軸承使用壽命，給出了軸承過早失效問題的解決方案。

圓錐滾子軸承；失效；壽命

1 前言

滾動軸承是機械設備的關鍵基礎件之一，軸承的運行狀況直接影響機械設備的運行質量，因而在使用時要求相應地持慎重態度。即便使用了高性能的軸承，如果使用不當，也不能達到預期的性能效果。當軸承的性能指標低于使用要求而不能正常工作時，軸承就發生了故障甚至失效，軸承一旦發生失效等意外情況后，機器、設備將會停轉，出現功能喪失等各種異?，F象，因此需要在短期內查出發生的原因，并采取相應的措施。當然，滾動軸承失效的情況比一般機械零件的失效要復雜得多，其失效的特點是表現形式多，原因復雜。

所謂軸承失效，即軸承在工作中喪失其規定功能，從而導致故障或不能正常工作的現象。軸承的失效按其壽命可分為正常失效和早期失效兩種。通常分析工作主要是針對早期失效的軸承。通過對早期失效軸承的分析，找出其失效的原因，提出改進措施，以提高軸承運轉的壽命和可靠性，不斷提高軸承產品質量。

圓錐滾子軸承（圖1）一般可承受較重的徑向和軸向聯合載荷，也可承受純軸向載荷，主要取決于軸承接觸角的大小，接觸角越大，軸向承載能力越高。

圖1 圓錐滾子軸承

2 軸承失效分析

2.1 故障件描述

該軸承被裝配在某型車車橋的主動柱齒輪兩側，齒輪兩側各安裝一套該軸承。通過與該公司技術人員溝通，了解到該型號軸承在使用過程中經常出現軸承過燒、保持架斷裂、軸承內圈與滾子損壞嚴重等現象，具體損壞形式為：故障軸承損壞嚴重，軸承內圈滾道有光亮狀剝落痕跡，大擋邊外翻且已磨失，小擋邊外翻（圖 2、圖3），內徑一側有帶深度軸花鍵壓痕（圖 4）。

圖2 內圈損壞嚴重且大擋邊外翻

圖3 內圈小擋邊外翻

圖4 內徑存在有深度貫穿壓痕

2.2 失效形式分析

磨損是指在使用過程中,兩個滑動或滾動與滑動接觸表面的微凸體相互作用造成材料的不斷移失，主要分為磨粒磨損和粘著磨損兩方面。磨粒磨損是潤滑不充分或外界顆粒侵入的結果，表面變暗的程度因磨粒的粒度和性質而異。由于旋轉表面和保持架上的材料被磨掉，這些磨粒數量逐漸增多，最終磨損進入一個加速過程，從而導致軸承失效。粘著磨損是材料從一表面轉移到另一表面，并伴有摩擦發熱，有時還伴有表面回火或重新淬火，這一過程會在接觸區產生局部應力集中并可能導致開裂或剝落。

根據該軸承的失效表現，內圈滾道呈現光亮狀磨損、滾道及擋邊磨損嚴重且已發生膠合現象（圖 2），可知該軸承的失效形式為粘著磨損。

2.3 失效驗證

對故障軸承的套圈及滾子進行了金相組織及硬度檢測，檢測結果見圖 5 和表 1。

圖5 內圈淬回火組織

表1 故障軸承滾子硬度檢測 /HRC

2.4 失效分析

故障軸承零件的金相組織及硬度檢測結果表明，內圈在使用過程中發生了高溫回火,回火溫度應在350℃以上。

軸承滾道表面產生光亮狀磨損，應為潤滑劑不合適或潤滑劑供給不足導致；內圈擋邊和滾道發生粘著磨損的失效原因應為滾子上的軸向載荷過大和潤滑不充分造成粘著磨損，使滾子端面發生咬粘現象。

因該軸承損壞頻繁，通過與客戶技術人員溝通，取得了該軸承的運行參數，并通過Romax軟件模擬建模，對軸承進行壽命分析。該齒輪軸為螺旋齒輪（見圖 6），齒輪兩側各安裝一套30215軸承，軸承的額定軸向載荷為41.5kN。螺旋齒輪傳遞的軸向力很大，通過建模分析確定為54.5kN。通常情況下，軸承允許的軸向載荷不超過定載荷的50%，30215軸承此時承受的載荷已經遠遠超過了其所能承受的極限，齒輪兩側軸承的計算壽命為表 2 和表 3。

通過以上分析可以推斷，軸承在使用時，因軸向載荷過大，滾動體擠壓軸承內圈大擋邊，致使滑動摩擦嚴重，軸承溫度迅速升高導致套圈產生回火軟化，使零件表面發生表面剝落及膠合，滾子在此情況下運轉不良，內圈軟化后在滾子極大的軸向力作用下，大擋邊被碾壓外翻，最終導致軸承失效。

表2 長軸端軸承計算壽命

表3 短軸端軸承計算壽命

圖6 齒輪軸

3 解決方法

通過對該軸承使用工況進行了解后發現，該車橋設計中齒輪軸原為斜齒輪，對軸承產生的軸向力較小，軸承未見失效發生，但斜齒輪在傳動過程中，會產生較大噪音，客戶在使用中反響較強烈。為減小整體噪音，將斜齒輪更改為現有的螺旋齒輪，整體噪音明顯下降，但導致軸承所受軸向力明顯變大，超出軸承承受極限，使軸承過早失效。

利用專用軟件Romax建模分析，該軸承失效的原因應為軸向載荷過大所致，因此，對軸承的接觸角度進行了調整，根據GB/T 297《滾動軸承圓錐滾子軸承 外形尺寸》標準，內徑為75mm的軸承最大接觸角為28°48′39″，當調整至該接觸角時，軸承計算壽命為表 4 和表 5，還是不能滿足用戶整車壽命要求，建議用戶考慮擴大軸承外形尺寸或從其他方面減小軸承所受軸向載荷，以滿足對軸承的使用要求，避免此類失效再次發生。

表4 長軸端軸承計算壽命（接觸角調整后）

表5 短軸端軸承計算壽命（接觸角調整后）

4 結束語

為了避免軸承早期失效，根據工況條件，選擇合適的軸承最重要。軸承的選擇是一項重要、細致、復雜的技術工作，它包括軸承結構選擇、性能選擇和使用壽命的計算。從眾多結構、尺寸的軸承中選取合適的軸承，需要考慮如下諸多因素：

（1）機械本身的結構、性能、使用條件對滾動軸承的要求。結構上要考慮軸承允許的空間、安裝拆卸的位置；性能上要考慮精度、壽命、噪聲、力矩等；使用條件上要考慮潤滑脂的老化壽命、溫度、介質等。

（2）精度等級。根據主機要求，選擇軸承的類型、結構、游隙、公差等級。

（3）壽命計算。根據主機設備的質保要求及工況，對軸承進行預期壽命計算，保證滿足客戶要求。

總之，在軸承選型時，應該對軸承進行全面考察，盡早發現軸承是否滿足使用要求，預防軸承早期失效，確保設備正常工作。

（編輯：鐘 媛）

Failure analysis of tapered roller bearing used for differential mechanism

Yin Ming1, Xu Longyin2, Xu Lei3

( 1.Manufacturing Technology Department, Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036,China; 2. Beijing Fire Valley Network Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100027, China; 3.Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co., Ltd., Harbin 150036, China )

According to the problem of premature failure of certain tapered roller bearing, the working conditions and damage form are analyzed in detail, and by understanding the failure mechanism and simulating the failure process of bearing, the cause of bearing failure is find out and the service life of bearing is improved, so that the solution of premature failure of bearing is given.

tapered roller bearing; failure; service life

TH133.33+2

B

1672-4852（2016）04-0007-03

2016-10-16.

殷 明（1984-），男，工程師.