电机滚动轴承保持架失效原因分析

【摘 要】圆柱滚子槽形保持架轴承的失效形式主要是保持架早期磨损。针对造成该问题的几种因素：保持架加工工艺、滚子倒角尺寸、装配工艺和表面处理工艺进行了改进和控制，有效解决了保持架早期失效问题，提高了槽形保持架轴承的使用寿命。

【关键词】保持架；滚子轴承；磨损；寿命；工艺

保持架在滚动轴承中起着等距离隔离滚动体并防止滚动体掉落，引导并带动滚动体转动的作用。滚动轴承在工作时，由于滑动摩擦而造成轴承发热和磨损，特别是在高速运转的条件下，由于离心力的作用，加速了摩擦磨损与发热，严重时会造成保持架烧伤和断裂，致使轴承不能正常使用。保持架损坏在轴承失效形式中占有较大的比例。

下面以6201- 2RZ轴承的保持架为研究对象。某轴承企业生产的6201- 2RZ轴承装在某型电机上使用不到2天就发生抱死，且此类现象频现。在对电机进行分解后发现：轴承外表面有变色的油脂，用手转动轴承完全卡死，轴承密封盖打开后可观察到轴承内部较黑，剩余油脂已全部碳化，轴承保持架有一处断裂；轴承清洗后可见大量片状碎屑，在钢球与内滚道间居多，防尘盖附着的油脂中也混有部分碎屑。

一、故障特征

鉴于轴承已经发生止转失效，部分零件已经损坏严重，轴承的旋转精度及尺寸精度完全丧失，已无法测量，故直接对轴承外圈切割将轴承进行分解，发现有以下几个特征：

1.一粒钢球从断裂的兜孔中脱离，挤压到相邻兜孔，两个兜孔都已变形；钢球表面已经失去光泽，朝外一侧严重磨损（图1）。

图1 钢球从断裂的兜孔中脱离

2.内外沟道的工作轨迹均偏离沟道中心位置，且内圈工作轨迹较宽，约占沟道宽度的3/5。内、外沟道均发现有多个轴向压痕，工作轨迹表面出现了粗糙度下降的情况；内沟道黏有大量金属铁屑，连续铺满约180°的内沟道表面，铁屑已被碾压成片状。

3.保持架内径与外径方向均有明显磨损，兜孔边缘可见挤压变形；七个兜孔中有五个兜孔保持基本完整，一片半保持架在两个相邻的损坏的兜孔间的铆钉孔处断裂，断裂处铆钉已不可见，断口卷曲变形（无脆性断裂特征）；另一片半保持架在对应位置有挤压变形，铆钉孔内径方向磨豁。 在未分解之前该处一粒钢球已从兜孔中脱出。在断裂处相隔一个铆钉的位置，发现一枚铆钉在中心位置断裂，铆钉头镶嵌在保持架上。兜孔内侧有明显的材料堆积现象，这种特征是钢球与保持架相互挤压所造成的。

4.轴承的钢球有环形接触痕迹，处于非正常工作状态；钢球的工作环带很宽，并可见磨损与金属粘连，该处特征与内沟道特征完全对应，推断是钢球与碎屑、沟道碾磨时产生的磨损与金属附着。图2中的侧面环形磨痕应是与保持架相互磨损造成的。

5.脂全部碳化变黑。防尘盖内残存部分碳化后的油脂残留物，残留物中混有许多金属铁屑，铁屑也呈片状。

二、故障分析

根据防尘盖并没有产生变形或机械损伤的情况，以及轴承内部尚存有油脂碳化的颗粒，认为轴承在工作时的密封状态是正常的。油脂的耐温温度在 200℃左右，油脂产生碳化现象，说明轴承出现过发热异常的情况。

从对故障轴承内外沟道的工作轨迹不在中心位置这一现象分析，轴承可能承受了过大的轴向载荷或较大的冲击载荷造成了轴承的损坏。滚动轴承的滚动体的运动十分复杂，滚动体绕轴承轴线进行公转的同时，还要绕自身轴线进行自转，当轴承受到过大的载荷时，轴承的间隙变小，应力增加，摩擦增大，温升增高，导致轴承发热异常。

三、应对措施

选定6201- 2RZ轴承有针对性地进行了大量的试验，找出了影响质量的关键因素，并采取相应对策加以改进，取得了较好的效果。

（一）保持架加工工艺

采用整体冲压工艺加工的保持架，保持架采用两次弯边，第二次弯边的钢板厚度因拉伸变薄，压印铆合时板厚的一侧较板薄的一侧压点大、深度深，与滚子接触增大，磨损加大。由于两侧板厚不同，保持架冲孔时定位不准确，无法保证图2中B的尺寸（板厚不均两侧分别为B1和B2），底幅尺寸、底幅平行差难以保证，致使滚子端面与保持架底幅接触不良造成摩擦异常声。

图2 保持架加工工艺

改整体冲压为卷圆对焊，保持架两面弯边的钢板厚底均匀一致，铆合时压点大小、深度均匀，降低了压点的磨损和压点与滚子接触异常声；改进工艺后取消了保持架底幅，消除了滚子端面与保持架底幅和压点接触不良产生的“哨叫”等异常声。

（二）滚子加工工艺

滚子倒角尺寸小、大小不均、形状不规则，导致倒角与压点接触磨损。

利用硬车倒角工艺加大滚子倒角，使倒角尺寸均匀一致，硬车后光饰加工，保证倒角与端面、外径圆滑过渡，减小倒角与压点接触磨损，减轻保持架磨损。

（三）装配工艺

图3 装配工艺

合套模具锁点等分较差，导致在压装过程中保持架的压点大小不一致，与滚子倒角接触处厚薄不均匀，压点薄处不耐磨，且锁点倒角尖锐，压装的保持架压点与滚子倒角接触处明显压薄，对保持架的强度与寿命有着极大的影响。另外，压装过程中保持架无法定位，导致压装后保持架圆心与轴承旋转中心不一致。在旋转过程中，保持架的圆心要靠向轴承旋转中心，因保持架是靠压点锁住滚子，所以保持架内径离内圈滚道近处的压点受力较大，磨损就会较反方向的压点大，因此滚子容易脱落且是连续脱落，如图3所示。

（四）表面处理工艺

由于目前国内尚无轴承保持架表面处理技术条件的标准，给分析工作造成了一定的困难。同种类型（成分、尺寸相近，经过氮碳共渗处理）的日本保持架，其氮碳共渗层深度为0.0075mm，表面硬度及心部硬度分别为696HV0.01和171HV0.01。比较而言，该断裂保持架的渗层过深（约是日本的6倍），表面硬度偏低，而心部硬度值又偏高。结合金相组织检查和分析结果，可以确定断裂保持架的表面处理工艺确实存在诸多不足， 不合理的氮碳共渗工艺必然会影响保持架的使用性能和寿命。下面从氮碳共渗温度过高、冷却速度较慢等几方面进行了改进与控制。

1.氮碳共渗层深度

按照工艺要求，气体氮碳共渗层深度应为0.005-0.012mm，而该批保持架的氮碳共渗层深度已达0.050mm，其主要原因可能是氮碳共渗温度较高且时间较长。氮碳共渗温度对化合物层硬度、渗层深度以及表面硬度有很大的影响，随着氮碳共渗温度的升高，化合物层厚度增加。另外，氮碳共渗温度对化合物层的不均匀性和疏松程度也有影响：温度愈高，疏松层愈厚，疏松程度也愈严重，氮碳共渗处理的效果就会受到较大的影响。ε相为脆性相，极易崩落，而过深的白亮层（ε相和γ′相）必然导致保持架的脆化。

2.黑色组织

黑色组织是氮碳共渗层的缺陷组织，有资料认为是一种空洞，可能是由于内氧化而产生的氧化物。它一般仅分布于零件表面深度很浅的范围内。黑色组织的存在会降低零件表面的致密度，影响耐磨性能，且易于剥落，甚至发生断裂。轴承保持架出现黑色组织是氮碳共渗温度偏高的结果，共渗时间愈长则黑色带愈宽，故硬度降低。

3.扩散层及心部组织

碳钢氮碳共渗后出炉快冷，在金相显微镜下观察其扩散层，与氮碳共渗前无明显差别。这是由于在氮碳共渗温度下渗入到扩散层中的氮均固溶于α2Fe中，在随后油冷时成为过饱和氮的α2Fe固溶体，因而看不出扩散层的深度。必须再在300℃下回火1-2h，促使氮由过饱和α2Fe中析出形成Fe4N（又称γ′相）针状分布在铁素体基体上，才能测得一定深度的氮化扩散层。但值得强调的是，在生产中采用回火法仅仅是为了显示扩散层的深度，对产品零件不宜采用回火处理，因为氮从α2Fe中脱溶后，会引起疲劳强度的下降，同时还增加了脆性。据金相分析，该批轴承保持架不仅已氮碳共渗渗透至心部，而且还经历了类似于回火的过程，使铁素体基体上析出了黑色针状γ′相。

4.保持架的应力

冲压成型的保持架具有一定的冷加工应力，经氮碳共渗后必然会叠加一定的组织应力和热应力，尤其是保持架的铆钉铆合处。由于该部位冷冲压变形比较大，再加上铆钉铆合时所造成的应力使得该部位存在较大的残余应力，造成了应力集中。当保持架由于某种原因脆性增大时，材料的强度低于残余应力，保持架就会发生开裂，从而导致轴承早期失效。

通过对加工工艺、滚子倒角、装配工艺和表面处理工艺的改进及控制，电机滚动轴承保持架失效问题得到有效解决，提高了轴承保持架的使用寿命。

参考文献：

[1] 高长旭.槽型保持架轴承早期失效分析与防止[J].轴承；2004年第11期.

[2]成继生.关于197726型轴承保持架的失效分析及改进建议[J].铁道车辆；2004第7期.