某型泵用推力球轴承的磨损失效分析

徐 雷，赵 燕,刘 洲

（1.中国人民解放军驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150036；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心,黑龙江 哈尔滨 150025；3.中航工业失效分析中心，北京 100028 ）

某型泵用推力球轴承的磨损失效分析

徐 雷1，赵 燕2,刘 洲3

（1.中国人民解放军驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150036；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心,黑龙江 哈尔滨 150025；3.中航工业失效分析中心，北京 100028 ）

对某泵用推力球轴承的损伤特征开展系统的宏观和微观分析，并结合该轴承的具体安装使用状态及工作机理，找到其严重磨损失效的原因，采取预防措施保证了该泵用轴承的使用安全，避免了此类问题再次发生。

推力球轴承；微观组织分析；磨损；失效分析

1 前言

某型液压泵在使用过程中，出现输出压力明显脉动、断续以及工作振动加剧、异响等现象。为了找出引发该异常现象的原因，将液压泵进行拆解。拆解后发现液压泵内部液压分油盘、柱塞、调节套筒以及泵体封严装置未见明显异常，进一步检查发现泵内的推力球轴承严重磨损失效。

2 轴承故障形貌

该推力球轴承由轴圈、座圈、保持架和 11粒钢球组成。其中轴圈滚道磨损严重，局部可见粗糙的凹坑，受磨损和挤压作用滚道的边缘部分凸起出现“爬坡”现象（见图 1、图2）；座圈整体损伤较轻，滚道表面呈金黄色较光滑，局部可见小的点坑和碾压沟槽（见图3）。11粒钢球均出现高温变色呈暗黑色，3粒钢球破碎（红箭头所指部位）， 8粒钢球相对完整均出现不同程度的磨损或挤压损伤，个别钢球卡死于兜孔内无法转动；保持架兜孔磨损，边缘部分凸起（见图4）。

图1 轴圈滚道整体磨损形貌

图2 轴圈滚道放大形貌

图3 座圈滚道放大形貌

图4 钢球和保持架外观损伤情况

3 理化分析

3.1 钢球断口特征

破碎断裂的3粒钢球断口特征基本相同,断口宏观表面呈蓝黑色，表面磨损严重；微观以韧窝特征为主，局部可见沿晶+韧窝混合特征，呈过载断裂特征（见图5）。

图5 钢球断口宏观和微观图

3.2 金相观察

对典型的 1#、2#、6#、8#钢球制取截面金相试样，打磨抛光后腐蚀观察其金相组织。低倍观察 1#钢球可见其外圆周整圈都有一层白亮层。高倍可见明显的挤压磨损变形流线（见图6）存在较深的非浅表裂纹。裂纹特征为内部裂纹，部分裂纹扩展至表面，裂纹内部的张口程度相对表面较宽，且裂纹两侧的组织相对附近未见明显差异。由以上特征可判断裂纹并非接触疲劳裂纹或原始裂纹，应为使用过程中受高温冷却后内应力引起的开裂。靠近白亮层的浅灰色区域，高倍可见亮色组织和暗色组织的交替分布，心部深灰色区域则可见晶界。1#钢球整体均受到明显的高温热影响,其他 3 个钢球的截面金相特征基本相同。

图6 1#钢球截面金相图

在座圈明显碾压痕迹处和沟道光滑位置处分别截取金相试样。座圈沟道光滑表面未见明显的白亮层，存在碾压痕迹处截面可见较薄的金属层，表层组织未见明显热影响。光滑沟道处的表面组织与心部组织未见明显差异。观察轴圈的沟道表面则可见明显的白亮层热影响区域，呈月牙形，可见碾压挤入基体内的金属块，能谱分析为该轴圈机体成分。心部位置组织变化较小，为隐晶马氏体+碳化物组织（见图 7）。

3.3 硬度检测

对1#、2#、6#、8#钢球硬度测试，受磨损高温影响，钢球硬度明显下降，其心部硬度值分别为39.2 HRC、 44HRC、43.8HRC、45.6HRC；轴圈心部硬度52.3 HRC硬度值明显下降，说明整体仍受到磨损高温的影响；座圈硬度基本符合60～64HRC的硬度要求，说明未受到明显的热影响。

图7 轴圈截面金相图

3.4 理化分析结果

通过以上对故障零件的宏观和微观观察，结合断口分析、金相组织及硬度的检测结果， 形成理化分析结论如下：

（1）轴承轴圈和座圈滚道表面未观察到明显的疲劳剥落痕迹，破碎钢球断口呈过载断裂特征。

（2）钢球及轴圈滚道表面的白亮层均为二次淬火组织，与故障过程中产生的高温磨损有关。

4 机理分析

故障轴承轴圈、座圈及钢球均未见疲劳剥落痕迹，说明轴承故障初期主要表现应是磨损，查阅前期资料，发现该轴承以往故障形貌基本相似，轴承轴圈磨损严重，多数钢球表面均有大面积磨损和变黑现象，卡滞在保持架兜孔内不能转动。出现这一现象，应是轴承在故障发生过程中，磨损产生的大量金属屑挤夹在保持架兜孔内，阻碍了钢球的转动，直至卡死，最终轴承轴圈与钢球保持架组件产生严重滑动磨损。

该推力轴承在泵内装配使用时座圈外径无定位，主要靠6根弹簧压紧外端面产生的预紧力实现定位，轴承在工作过程中要承受交变轴向偏心载荷，轴承座圈难免会出现一定的径向摆动，产生径向偏移，随着座圈径向移动量的增加，接触角会明显减小，严重时可使钢球出现“爬坡”状态，这种“爬坡”状态的产生最终可从轴圈或座圈沟道的异常接触痕迹中得到判断。

如果轴承安装时，轴圈出现定位不准，形成初始偏心，加之工作过程中在交变轴向偏心载荷作用下，轴承座圈再出现一定的径向摆动，两者叠加，就会使座圈径向移动量明显增加，这必将导致轴承运转不稳定，偏离正常工作轨迹，从而导致轴承零件工作表面早期磨损。

本次故障轴承轴圈沟道边缘磨损严重，受磨损和挤压作用，沟道的边缘部分凸起出现典型的“爬坡”现象, 且轴圈、座圈及钢球均未见疲劳剥落痕迹，说明轴承故障初期主要表现应是磨损，磨损的产生应与轴承工作过程中出现运转不稳定，钢球与滚道接触位置偏离正常工作轨迹有关。

5 分析结论

（1）本次故障轴承失效形式为高温磨损失效。

（2）轴承零件工作表面异常磨损与轴承工作过程中工况条件或安装使用状况等因素有关，造成轴承运转不稳定，钢球偏离正常工作轨迹。

6 采取措施

（1）增大该轴承在泵上的安装预紧力，避免预紧力不足导致轴承运转不稳定问题的发生。

（2）减小座圈外径与轴承座间的配合间隙，保证座圈的有效定位。

（编辑：王立新）

Failure analysis of thrust ball bearing for a hydraulic pump

Xu Lei1, Zhao Yan2, Liu Zhou3
(1.Military Delegate Office of PLA Residing Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036,China; 2.Bearing R&D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China; 3. AVIC Failure Analysis Center ,Beijing 100028,China)

According to the pump thrust ball bearing’s damage, the macro-analysis or micro- analysis were developed, combined with the specific installation status and working mechanism of the bearing, to find the cause of serious wear failure, to take preventive measures to ensure the use safety of the pump bearings and to avoid such problems from happening again.

thrust ball bearing; microstructure analysis;wear; failure analysis

TH133.33+1

B

1672-4852（2015）04-0015-03

2015-09-30.

徐 雷（1977-），男，工程师.