圆柱滚子轴承套圈断裂原因分析

图1 外壁疲劳点蚀及变形

 
2、如图2、图3所示，圆柱滚子轴承套圈断口有横向断口和纵向断口。由断口形貌可知(见图2、图3中箭头所指)，开裂均从外壁开始，扩展至内壁处撕裂，且开裂处均位于外壁疲劳点蚀或脱落处，在图3所示碎片的疲劳剥落处，外壁上也发现大面积点蚀。由此可知，接触应力过大造成的疲劳点蚀及脱落，可能是轴承套圈开裂的源点。此外，挡边处由于受到轴向的推力，加上加工的退刀槽较深，应力集中较大，也极易在挡边处断裂。

图2 横向断口

图3 纵向断口

3、如图4所示，在1只碎片上发现一处宏观裂纹，此裂纹为表层裂纹，是接触应力产生的疲劳裂纹，是疲劳脱落的前兆。试验中，我们采用金相切割机在轴承套圈碎片上切割取样时，由于震动及外来的冲击载荷，使得部分碎片进一步破裂或出现裂纹，破裂或出现裂纹的地方位于挡边处，这说明材料硬而脆，抗冲击性能差，挡边处由于结构应力大，更容易破裂。

图4 碎片上的纵向浅表裂纹

4、如图5所示，在圆柱滚子轴承套圈内表面也发现多处磨损沟槽及剥落块，还有宏观可见的裂纹。这说明轴承套圈与轴有相对的滑动摩擦。按照轴承的工作原理，轴承套圈应与轴过盈配合，轴转动时，轴承套圈与轴一起转动，滚柱在轴承套圈与外圈之间滚动，以减少轴的震动。如果轴与轴承套圈之间的间隙过大，轴与轴承套圈出现相对滑动摩擦，会造成滚柱不能正常滚动，套圈直接承受很大的接触应力，轴承超载工作，导致疲劳点蚀和疲劳脱落。

图5 轴承套圈内表面的磨损沟槽、剥落及宏观裂纹

二、损坏轴承疲劳损坏分析
1、疲劳点蚀及疲劳脱落
       对于高副(即高压强)接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金属剥落下来，在零件的表面形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀(简称点蚀)。点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。轴承发生点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强的振动噪声和发热现象。
       圆柱滚子轴承套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承的一种最基本和常见的失效形式，也是通常作为滚动轴承寿命计算的依据。当接触应力很大时，金属表面可能会形成宏观可见的裂纹，使得大片金属剥落，也就是疲劳脱落。根据宏观检查的结果来看，套圈表面点蚀及脱落现象严重(见图1)，属于使用寿命内提前失效(仅7个月)。
2、疲劳点蚀及疲劳脱落对套圈开裂的影响
       从宏观分析可知，除了靠近挡圈处的断口外，大部分的断口自由表面的位置均伴随着疲劳点蚀和疲劳脱落，点蚀和脱落处正好为断口的断裂源位置(见图3、图4)，说明套圈的脆性断裂与疲劳点蚀和脱落存在内在的联系。点蚀处横断面微观观察发现的微裂纹和宏观发现的表层裂纹(见图4)在造成点蚀和剥落的同时，使套圈的有效承载面积大大减少，也可能成为断裂源，在振动的作用下致使套圈脆性断裂。
三、结论
        圆柱滚子轴承套圈疲劳点蚀及脱落是导致轴承套圈断裂的直接原因。宏观分析得知套圈表面变形严重且出现疲劳脱落，表明套圈接触应力过大，这就是套圈加速疲劳的原因，那是什么导致了套圈的接触应力过大呢？宏观检查发现轴承套圈内壁有多处不同于点蚀的尖锐磨痕及剥落(见图5)，个别位置还发现宏观裂纹。这说明轴与轴承内圈之间的间隙过大，出现相对滑动摩擦，造成滚柱不能正常滚动，内圈直接承受很大的接触应力，轴承超载工作，导致疲劳点蚀和疲劳脱落。因此轴承内圈与轴装配不良(应过盈配合)、轴承间隙过大是套圈断裂的根本原因。
         此外，在用切割片对损坏轴承试样进行加工的过程中，碎片进一步出现断裂和裂纹，说明淬火后的轴承钢抗冲击及振动性能较差。据了解，机械在运行过程中承受一定的冲击载荷，因此也不能排除由于冲击造成套圈断裂的可能。
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