劉偉東
摘要:以實際的失效案例處理為線索,從軸承的使用工況入手,檢測了軸承內外圈以及滾子保持架的失效后的具體情況,對各種失效現象做了詳細的論述與合理的分析,推理出軸承的失效原因,并提出改進意見。
關鍵詞:軸承;失效;軋機;工作輥
0前言
失效分析是一門新興交叉學科,涉及的學科領域和技術門類較多,如金屬物理、力學和斷裂、材料學、表面科學,冶金和加工技術、摩擦學、腐蝕學,還有環境和可靠性技術工程等,具有很強的生產應用背景,與國民經濟建設有及其密切的聯系,需要廣泛收集原始資料,并運用多種技術手段進行測試分析。從失效分析著手客觀準確的尋找零部件失效起因,往往是解決設備可靠性和延長使用壽命的必要前提[1]。
這里給出的一個例子是某軋機工作輥軸承失效分析,希望通過梳理這一案例的分析過程,使得大家了解一下軸承失效分析的基本流程,也希望有類似的情況的公司避免此種失效再次出現。
一般情況下軸承失效分析大體可分為實物和背景資料收集、對實物的宏觀和微觀檢測、以及分析等幾個步驟[2]。
1實物和背景資料收集
要分析一個失效部件就必須收集失效實物和背景材料,找到失效實物的各個零件和殘片,盡量多地了解到失效軸承的實際工作條件,使用過程和制造質量情況[1]。為此,我們對失效軸承做了各個方面的情況收集。
1.1失效時軸承的使用情況
客戶反映裝在冷軋機工作輥的四列圓錐滾子軸承A列抱死,軸承型號為330870BG,該軸承累計在線時間只有20個小時。經工程師到達現場并了解相關情況。該軸承安裝在上工作輥的操作側,之前使用的是另外一家的軸承,該部位軸承一直高溫,此前不久剛試用本公司的330870BG軸承。
1.2軸承標識及描述
軸承型號為330870BG,為四列圓錐滾子軸承。
1.3軸承工況
應用設備:單機架四輥冷軋機;
軸承布置:操作側330870BG,裝配圖驅動側330870BG;
旋轉方式:內圈旋轉;
軋制速度:線速度最高1000m/min(640rpm);
潤滑方式:油氣潤滑(萊伯斯),每個軸承潤滑量為5.7ml/hour;
2失效軸承的宏觀檢測(由于軸承的一側呈明顯失效,本文按照ABCD列順序分開陳述,而不是通常的套圈、保持架、滾動體順序)
2.1A列
2.1.1內圈
a)滾道上粘連很多金屬碎片,為高溫碾壓焊接上去的,碎片來源為保持架橫梁。
b)內圈大擋邊磨損啃傷。
c)滾道上的痕跡顯示滾動體字體傾斜,啃傷擋邊。
2.1.2A列滾動體滾動體大端面磨損啃傷,與內圈大擋邊損失情況相對應。
2.1.3A列保持架
a)保持架橫梁被切斷。
b)多根被切斷后,保持架得不到滾動體的定心作用,由于重力作用,保持架橫梁落入滾動體和內圈接觸區,被碾成薄皮。與內圈上粘連的高溫金屬片相對應。
c)保持架碾壓變形顯示滾動體姿態傾斜,與內圈痕跡相互驗證。
2.2B列
2.2.1B列內圈大擋邊
內圈大擋邊磨損,并伴有高溫,滾道面有碎片壓痕。
2.2.2B列滾子
大端面異常磨損,與內圈大擋邊損傷相對應,兩者沒有正確接觸且潤滑不足形成半圓形壓痕清晰可見。
2.2.3B列保持架
a)保持架橫梁磨損,磨損形狀(集中到大端處),也顯示滾動體姿態不正。
b)保持架上有很多黑色粉末,為潤滑油高溫碳化后的物質。
2.3C、D列此兩列軸承無明顯損傷,以下為具體情況。
2.4尺寸檢測
由于軸承已經失效,有些尺寸已經改變,沒有對尺寸再次測量,經調取生產時測量記錄,顯示各個尺寸均為合格尺寸,以下為游隙值
3失效軸承的微觀檢測
3.1金相檢測
對失效軸承的內圈大擋邊,失效滾子的大端面處分別制樣,對其作金相分析,其結果顯示其金相均在合格范圍之內
4失效分析
根據以上情況,不難發現此次軸承失效主要集中在A、B兩列,表現形式為:
a)滾動體大端面和內圈大擋邊磨損啃傷,并伴有高溫;
b)傾斜的滾動體切斷保持架橫梁。
以上兩種情況的出現都與工作游隙過大相關。對于圓錐滾子軸承來說,其在工作時,滾動體大端面與內圈大擋邊屬于滑動摩擦,如果工作游隙過大,兩者接觸姿態就會出現問題,滾動體沒有正確貼合到大擋邊上,而是出現偏斜,傾斜過大就會導致啃擋邊,導致滑動量過大,而滑動量過大會引起高摩擦[3]。
加之此時潤滑再不足,兩者之間的滑動摩擦會劇烈升溫,造成該案例中的情況,上圖金相大擋邊顯微結構中有微小的剝落說明有潤滑不足所致。
ISO15243對軸承損傷及其原因,尤其對本案B列的損傷,也有專門論述。
如果軸承的原始游隙(標準為0.65-0.75mm)和工況沒有異常,對于工作游隙過大的原因,有兩種可能:
a)軸承外圈沒夾緊。據客戶反映,在安裝該軸承時,他們會在外圈軸向上放一個0.4mm的間隙(端蓋止口和間隔環之間),在承受軸向力時,外圈之間就會分開,相當于在兩者之間加上了一個0.4mm的墊片,人為地放大了軸承的工作游隙。
b)在安裝軸承時,并沒有一邊旋轉軸承內圈,一邊夾緊外圈,造成虛假鎖緊。這是因為,如果沒有旋轉軸承內圈,尤其滾動體組件,會造成滾動體大端面和內圈大擋邊沒有完全貼合,留有間隙,這個間隙在鎖緊后就會釋放出來,增大軸承的工作游隙。
對于潤滑不足的原因:根據C、D列情況,說明A、B兩列潤滑不足的原因可能為:
a)分配到A、B兩列的油路被堵或者不暢;
b)A列滾動體偏斜與擋邊劇烈摩擦,大量生熱。高溫導致潤滑油粘度降低,導致B列造成潤滑不良,滾動體大端面和內圈大擋邊磨損、高溫。
5結論和建議
5.1造成本次失效原因:
a)軸承工作游隙過大:
b)潤滑不良。
5.2建議:
a)軸承外圈軸向鎖緊,不再留有間隙;
b)在鎖緊軸承外圈的過程中,一定要一邊旋轉內圈,使得將軸承座處于豎直狀態,保證滾動體大端面與內圈大擋邊貼合。
c)檢查軸承座內的油路,排除油路被堵或者不暢的情況出現。
d)為了徹底可靠地解決該部位軸承高溫問題,建議采用散熱效果更好的循環油潤滑.
6結語
由于軸承失效分析相對于失效發生時的具體工況的滯后性,許多現場情況已經無法收集,因此分析只能基于軸承失效后的狀態進行合乎邏輯的推理,這樣才能得出合理的失效原因,解決切實問題,避免同樣的問題再次發生,也能說服客戶,避免商務糾紛的發生。
以上分析發客戶后,得到客戶認可,并在使用過程中貫徹執行,后銷售訪問客戶,同樣的問題沒有再次出現。
本案例提出的建議,可以成為軋機工作輥軸承安裝使用手冊的一部分,對一般工作輥軸承的使用也具有指導意義。
參考文獻:
[1]王承辛.失效分析思路及程序[J].理化檢驗-物理分冊,2005:41103-105
[2]梁華.滾動軸承的失效分析[J].理化檢驗-物理分冊.2005:4199-102.