某型混凝土搅拌运输车减速机滚动轴承失效分析

李杰，邓云喆

（1.三一汽车制造有限公司 试验测试中心，长沙 410100；2.中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083）

混凝土搅拌车兼有运载和搅拌混凝土的双重功能，其主要工作原理是将发动机的动力传递给液压油泵以驱动电动机高速旋转，经行星齿轮减速机产生很大的扭矩从而驱动搅拌筒转动。减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，目的是降低转速，增加转矩。对于减速机的低速重载工况，通常使用圆柱滚子轴承作为支承件[1－3]。

某型搅拌车的减速机在工作一段时间后出现异常声并卡死，拆解检查发现减速机内部有不少磨损的钢屑、铜屑及铜保持架的碎块，而一、二级行星齿轮系各齿轮的齿圈、花键及花键槽的表面均完好，未见磨痕、裂纹、缺损，损坏的零件为二级行星齿轮支承调心滚子轴承，表现为保持架断裂。为查明该减速机轴承的失效原因，需对失效零件进行综合分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

失效调心滚子轴承的型号为24120，内径100 mm，外径165 mm，宽度65 mm，其尺寸示意图如图1所示。失效轴承内圈的宏观形貌如图2所示，从图中可以看出上下两侧滚道面的宏观形貌差别很大，上侧滚道面较光滑，下侧滚道磨损严重。磨损区域宽度约15 mm，偏向于外侧，距离外侧边缘约3 mm。边缘部位色泽较深，具有明显的温升特征。

图1 失效调心滚子轴承的尺寸示意图Fig.1 Dimension diagram of failure spherical roller bearing

图2 轴承内圈宏观形貌Fig.2 Macro morphology of bearing inner ring

部分滚子和保持架的形貌如图3所示，保持架已经碎裂成多块，部分滚子表面的剥落非常严重，直径已远小于初始尺寸，另外一部分滚子基本保持原有尺寸。此外，轴承各部位均未观察到腐蚀痕迹。

图3 滚子和保持架的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of rollers and cage

保持架内侧与滚子端面接触的部位观察到较严重的磨损，接触面上沿滚动方向形成宽而深的犁痕式破坏特征，如图4所示。此外，保持架断口塑性变形较小，断口覆盖大量含磨削颗粒的灰黑色油泥状润滑脂且无法彻底清除，形貌被破坏，无法进一步观察。

图4 滚子与保持架接触面的磨损形貌Fig.4 Wear morphology of contact surface of rollers and cage

1.2 表面微观形貌

使用JSM－6490LV扫描电镜对滚子表面进行观察，结果如图5所示。从图5a中可以看出，剥落处的底部平滑，深浅不一，剥落边缘存在即将脱落的材料，还可观察到部分二次裂纹形貌。视场右上角位置可见部分挤压变形，未见明显的冶金缺陷和外部污染。图5b为另一剥落处的局部放大，其显示了某个大颗粒脱落后的剥落坑，滚子表面还可见很多的细小刮伤，但并未观察到外来的杂质碎屑。

图5 圆柱滚子滚动表面的微观形貌Fig.5 Micro morphology of rolling surface of cylindrical rollers

使用NPFLEX－LA型非接触式三维表面光学形貌仪对保持架和滚子的表面进行观察，结果如图6所示。从图中可以看出，接触表面呈现明显的犁沟和接触疲劳剥落的凹坑形貌，说明磨损剥落严重。

图6 保持架和滚子表面的三维形貌Fig.6 Three－dimensional morphology of cage and roller surfaces

1.3 化学成分

使用SPECTROTEST便携式光谱仪测试滚子的化学成分，检测结果见表1。由表可知，滚子的主要元素符合 GB／T 18254—2016《高碳铬轴承钢》中对GCr15钢的要求。

表1 滚子的化学成分Tab.1 Chemical components of rollers w，%

1.4 硬度

使用HRSS－150型数显洛氏硬度计测试滚子端面硬度为63.0～64.4 HRC。沿轴向中心线剖开，使用402MVD型维氏硬度计测试硬度分布，结果为760～810 HV1，根据 GB／T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算为62.7～64.3 HRC。硬度结果均符合GB／T 308.1—2013《滚动轴承 球 第1部分：钢球》和JB／T 1255—2014《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》的要求。

内圈基体硬度实测为740～780 HV1（换算为61.7～63.4 HRC），过热位置实测为550～570 HV1（换算为52.4～53.5 HRC）。

保持架硬度实测为125～130 HV0.3，符合GB／T 28268—2012《滚动轴承 冲压保持架技术条件》和JB／T 11841—2014《滚动轴承零件 金属实体保持架 技术条件》的要求。

1.5 显微组织

对滚子纵剖面预磨抛光，然后使用4%硝酸酒精溶液腐蚀，使用GX51型金相显微镜观察显微组织，结果如图7所示。基体为隐晶、细小结晶马氏体＋均匀分布的细小残留碳化物＋少量残留奥氏体（图7a），这是高碳铬轴承钢的典型组织[4]。根据JB／T 1255—2014评级图，淬回火马氏体组织及碳化物网状组织均为2级，符合GB／T 4661—2015《滚动轴承 圆柱滚子》的要求。此外，观察到滚子工作表面出现大量微裂纹（图7c）。根据裂纹发展过程判断裂纹起源于表面，扩展路径曲折，相邻裂纹汇聚或者裂纹扩展至另一位置的表面时，所合围区域的基体剥落。腐蚀后观察到裂纹周围呈现高温回火组织（烧伤特征），同时裂纹内部未观察到脱碳，说明裂纹产生于使用过程中。

图7 滚子的显微组织Fig.7 Microstructure of rollers

如图8所示，内圈基体的显微组织为正常的马氏体＋碳化物形貌；过热位置表面为二次淬火层（白色），次层为瞬时温度低于临界点时形成的高温回火层（黑色）。

图8 内圈的显微组织Fig.8 Microstructure of inner ring

2 失效原因分析

搅拌车减速机的运行工况比较复杂，搅拌工作转速时快时慢，经常造成对减速机和调心滚子轴承的冲击转矩；另外，搅拌车在崎岖、拐弯路面，特别是上下坡时更会产生对减速机和调心滚子轴承的轴向冲击载荷，造成瞬时超载，易导致轴承发生疲劳断裂失效[5]。

从失效轴承的内圈形貌（图2）可以看出，轴承工作时存在严重的偏载工况，说明搅拌车超载造成减速机倾斜角度超出其使用范围，使输出轴盘偏摆角过大（最大超过3°），超出轴承允许偏摆角（设计最大角度为1.5°），导致轴承过度偏斜，偏载运转。这种偏载运转使部分接触位置上原本起到润滑作用的油膜在压力作用下失去效果，从而使内、外圈和滚子表面直接接触，剧烈摩擦，产生大量的热，导致局部烧伤[6]。

两表面接触时，除在接触表面产生拉应力外，表层下部还存在剪切应力。轴承工作时，内、外圈与滚子接触的表面将以tC为周期产生交变应力。在交变剪切应力作用下，表层产生周期性变形与位错行为[2，7]，位错塞积形成表面或亚表面微裂纹或空穴，且微裂纹沿近乎与表面平行的方向扩展，到达表面时即形成剥落形貌（图4b中的滚子表面），即为滚动接触疲劳[7]或疲劳磨损[8]。周期性载荷导致的变形会引起轴承材料先循环软化再循环硬化，使弹性和韧性急剧下降，导致疲劳剥落[5]，这也是滚动轴承的主要损伤形式[9－11]。在滚子工作表面观察到的微裂纹（图7）正说明了这一点。此外，观察到部分滚子发生严重疲劳剥落，而另外的滚子表面只有轻微磨损，表明偏载造成不同位置的滚子受力不均，因此磨损程度有所不同[12]。

剥落的颗粒仍存在于轴承内部，使各接触面形成三体磨损，造成“犁沟”形貌（图4b的保持架表面）。由于运转过程中，滚动轴承并非完全在纯滚动的状态下工作，仍然存在不少滑动因素，造成磨损加剧。偏载造成受力不均而发生较大振动，使保持架与滚子之间的间隙过小，保持架变形将滚子卡紧，造成严重擦伤。由于固相焊合接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面（保持架内侧），同时涂抹在滚子上的金属又拉削保持架兜孔表面形成犁沟（保持架工作面），保持架在交变应力和磨损的综合作用下最终断裂，滚子脱出，轴承损坏。

装输出轴盘的调心滚子轴承损坏后，内、外圈之间发生较大的轴向位移，与行星架、箱盖相抵位置发生剧烈磨损，出现异响且噪声越来越大，最后输出轴盘卡死，导致减速机彻底无法运转。

3 结束语

综上分析，得出以下结论并提出相关建议：

1）搅拌车超载造成减速机输出轴盘偏摆角过大，导致轴承过度偏斜，发生偏载运转，从而使润滑脂失去作用，内、外圈和滚子表面直接接触，剧烈摩擦后导致失效。

2）失效模式主要为表面起源型疲劳剥落。

3）建议使用单位严格控制，避免过载。在恶劣路况下行驶时控制速度，减少冲击和偏载的可能。按产品说明书定期进行设备维护保养，包括加强润滑、易损件更换等，并对故障率高的部位进行重点监控。