KIRD203818型圆柱滚子轴承失效原因分析及优化

张婷婷 程 林 朱 烨

(滁州职业技术学院 机械与汽车工程学院， 安徽 滁州 239000)

圆柱滚子轴承具有承载能力强、轴向刚度大、径向尺寸小等特点，广泛应用于车辆离合器、变速器等传动系统。该轴承在正常运转过程中，会因受到制造精度、安装误差和自身结构等因素的影响而偏斜[1]，导致轴承滚道与滚针之间的接触状态发生变化，进而影响轴承使用寿命。技术人员从各种角度出发，对圆柱滚子轴承滚道与滚针的接触特性以及轴承结构及热处理工艺进行了研究[2-5]。在此基础上本次研究主要分析KIRD203818型圆柱滚子轴承在实际工况下的失效原因，并对滚子热处理工艺和轴承结构进行优化。

1 轴承失效基本情况

客户反馈，某轴承连续运转200 h左右，发生异常震动，且时常伴有异响现象。经拆解后发现，轴承滚子磨损异常，轴承滚道无明显失效现象。图1所示为客户反馈件中的滚子磨损件，其中部分滚子已裂为两半。图2所示为客户反馈件与未使用件的对比图。

图1 客户反馈失效件

图2 滚子端面磨损对比

2 轴承滚子失效原因分析

为了详细分析轴承的磨损失效原因，经镶嵌、磨抛后对反馈件的滚子作了硬度、金相、表面碳含量和应力等测试。

2.1 硬度测试

从失效件中随机抽选5根滚子(编号为1#、2#、3#、4#、5#)，经镶嵌、磨抛后进行硬度测试，测得其硬度值依次为64.3、65.1、64.6、65.4、65.6 HRC。滚子材料GCr15热处理后的正常硬度范围为60.5～64.5 HRC，而失效件的滚子硬度值在65 HRC左右，显然超出了正常范围。

2.2 金相等级测试

轴承滚子金相显微组织及表面碳化物的分布情况如图3所示。其中，a、b图所示为GCr15常规热处理后的金相组织，按照标准《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》(GB/T 34891 — 2017)[6]，可评为2级，组织良好。c、d图所示滚子内表面存在条带状的V型碳化物，根据标准《高碳铬轴承钢》(GB/T 18254-2016)附录A第8评级图，可评为<2级，符合高级优质钢的要求。

图3 滚子金相显微组织及表面碳化物分布情况

2.3 表面碳含量和应力测试

利用X射线衍射仪对滚子外圆面进行含碳量和应力测试，结果如表1所示。

表1 滚子碳含量和应力

由表1中的测试数据可知，滚子的含碳量与应力变化幅度不大，波动较小。滚子含碳量均较高，处于安全值的上限，致使滚子热处理后硬度偏高、脆性较大，因此轴承在长时间高载荷下极易产生疲劳断裂。滚子的应力表现为压应力且数值较大，较大的残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力下降，同时极易使滚子在长时间交变载荷的作用下产生疲劳裂纹，甚至断裂。

2.4 滚子断口分析

图4所示为滚子断口SEM形貌。其中，裂源处断口SEM形貌显示，裂源处韧窝数量较多，说明裂纹扩展速率较快。

图4 滚子断口SEM形貌

断口前期、后期SEM形貌显示，裂纹扩展呈脆性与韧性混合断裂。GCr15Z滚子回火后的基体硬度高、脆性大，当断裂应力大于滚子自身强度时，便会快速产生裂纹扩展，因此较易产生脆性与韧性的混合断裂断口形貌。

综上所述，导致轴承滚子疲劳断裂的原因主要有二：一是脆性高、韧性低；二是轴承残余应力较大。

3 针对轴承滚子疲劳断裂的优化措施

3.1 降低滚子脆性

针对滚子硬度偏高、脆性大的问题，可从滚子原材料和热处理工艺两个方面加以优化。

首先，优选G8C15Z材料。G8C15Z的含碳量比GCr15Z略低，在滚子热处理后能达到GCr15Z相近的硬度，但其脆性低、韧性高。

其次，优化热处理工艺。在现有马氏体淬回火工艺的基础上提高回火温度，以降低硬度、提高韧性，同时降低零件的脆性，避免滚子因脆性大而引起失效。

图5所示为优化后的滚子断口SEM形貌。可以看出，层断口处的凸峰或凹谷的尺寸相差不大，而且组织也特别细小致密，所以脆性低、韧性大。

图5 优化后的滚子断口SEM形貌

3.2 结构优化措施

针对轴承残余应力较大导致轴承承载能力弱的问题，主要从轴承结构优化来考虑。表2为轴承优化前后的尺寸数据。由表2可知，滚针长度由之前的2 mm增大到2.09 mm；滚针数量由14根增长为15根；轴承外径由之前的15mm增长到17mm；轴承内复圆由之前的 7 mm增长到 8 mm，优化效果显著。

表2 优化前后的轴承尺寸数据

3.3 仿真分析

基于轴承优化前后的数据进行滚道接触应力仿真分析，结果如图6所示。在模型工况下，径向载荷为3 000 N，转速为28 000 r/min。表3所示为优化前后的轴承寿命损伤计算结果。

表3 优化前后轴承寿命损伤计算结果

在径向载荷3 kN、转速28 000r/min工况下，未改进轴承的滚道最大接触应力约为3 162 MPa，损伤率高达55.14%，理论寿命约为195.25 h。此结果与客户反馈的情形相吻合。 在相同工况下，改进后轴承的滚道最大接触应力约为2 853 MPa(下降了10.8%)，损伤率为28.19%(下降了48.9%)，理论寿命约为315.69 h(延长了38.15%)。

4 疲劳寿命试验

为了验证轴承结构和热处理工艺的优化效果，进行疲劳寿命试验。试验所用的疲劳寿命试验机，具有实时监测试验轴承的温度、载荷、转速等常规试验参数以及高温报警等功能。试验机配备温度自动报警装置，当试验温度超过预定温度时，试验将被迫停止，以起到高温保护的作用[7]。

试验前，取未经磨损的新轴承(由滚针、保持架、内圈组成)，涂满防锈油，如图7所示。优化前的轴承，即与客户反馈的轴承为同一批次；优化后的轴承，即改变热处理工艺和结构后的轴承。

图7 疲劳寿命试验前的轴承

采用Castrol BOT 720LV9润滑油，在试验载荷3 kN、转速28 000r/min条件下[6]进行疲劳寿命试验。试验轴承连续运转250 h，当超过轴承的1.5倍额定寿命10 h时，拆解轴承(见图8)。

对于优化前轴承，经疲劳寿命试验后其滚子端面存在大量的点蚀、磨损痕迹，滚子中部存在大面积的印痕。印痕在长时间高载荷、高温及高速情况下极易产生点蚀和磨损，从而引起轴承滚针失效，甚至断裂。这与模拟仿真结果和客户反馈情况都十分吻合。优化后的轴承，经疲劳寿命试验后仍光泽清亮，轴承的滚子、内圈、外圈等部位均无点蚀和磨损。这说明对热处理工艺和结构的优化，确实在很大程度上增强了轴承的承载能力，减缓了轴承磨损，可以延长轴承实际使用寿命。这与轴承滚道的仿真结果相吻合。

5 结 语

针对KIRD203818型圆柱滚子轴承磨损失效问题进行了研究，通过检测分析推断出滚子脆性高、韧性低残余应力大是其疲劳磨损失效的主要原因。据此提出对滚子热处理工艺和轴承结构的优化方案，并对优化前后的轴承寿命损伤进行模拟仿真分析。研究结果表明：相对于优化前的轴承，优化后的轴承滚道最大接触应力下降了10.8%，损伤率下降了48.9%，理论疲劳寿命则延长了38.15%。通过对优化前后的轴承进行疲劳寿命试验，验证了模拟仿真的准确性。对轴承热处理工艺和结构的优化，确实在很大程度上增强了轴承的承载能力，减缓了轴承的磨损，从而延长轴承的实际使用寿命，优化效果显著。