6201-2RZ深沟球轴承保持架断裂故障分析

苗澍¹，高亮²

（1.哈尔滨轴承集团公司技术中心，黑龙江哈尔滨　150036；2.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）

　　摘　要：6201-2RZ轴承装在某型电机上使用至38小时发生抱死，经对轴承故障特征的理化分析，发现轴承在工作时承受了过大的轴向力，钢球的工作轨迹偏离正常位置使钢球的接触载荷增大，形成恶性循环，使润滑脂失效，造成轴承卡死，保持架断裂。

　　关键词：轴承；保持架；断裂故障；分析

　　1　前言

　　6201-2RZ轴承装在某型电机上使用至38小时发生抱死。在电机分解后发现：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。

　　2　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，故障轴承有以下几个特征：

　　一粒钢球从断裂的兜孔中脱离，挤压到相邻兜孔（图1），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。

　　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。

　　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。

　　润滑脂全部碳化变黑。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。

　　3　理化分析

　　对轴承进行理化分析，检测结果如下：

　　（1）回火组织：

　　套圈：3级（标准2～4级）

　　钢球：由于受高温影响，碳化物析出，原始组织转变，无法评级。

　　（2）硬度（HRC）：

　　内圈：61、61（套圈标准值：61～65）

　　外圈：64.5、64.9

　　钢球：54.0、53.5（钢球标准值：62～66）

　　检查结果：套圈硬度符合标准JB/T1255的规定，钢球组织有转变，硬度降低较多。

　　4　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。

　　从工作轨迹表面的形态特征上看，过大的轴向载荷使钢球跨越套圈挡边运动，使滚道接触区域被截断，导致很高的接触应力和表面摩擦应力，由于过热而使轴承迅速失效。一般取2000MPa为轴承钢的极限应力，经核算6201-2RZ轴承避免产生极限接触应力的载荷应不大于720N。

　　根据保持架断裂故障的形貌分析，六粒钢球尚在保持架兜孔的约束下，并无明显的损伤，只有一粒钢球脱离兜孔挤向相邻的钢球，所以认为保持架断裂是由断裂兜孔处的钢球对兜孔的挤压造成的，钢球表面有与保持架断口摩擦的痕迹可以证明这一点。在保持架断裂时，有碎片脱落并挤在滚动体与滚道之间，引起过热和轴承被咬死。铆钉和保持架断裂处的碎屑被钢球碾压向内滚道，附着在约180°的滚道表面上。

　　根据深沟球轴承的工作原理，正常工作状态下钢球引导保持架旋转，摩擦使保持架与套圈共同旋转。当载荷异常时，导致滚动体与保持架间的接触应力改变，使保持架运转不平稳，发生摆动和跳动，其结果一是保持架的引导面与轴承套圈的挡边发生异常接触磨损；二是兜孔壁与钢球的异常接触磨损；三是钢球对保持架兜孔壁的异常碰撞，使保持架侧梁产生周期性的拉伸力，引发疲劳裂纹，从而导致保持架疲劳断裂。

　　根据轴承已工作了38小时的情况，应排除铆钉在工作初期断裂的可能性，该故障应是一个瞬态过程。

　　5　结论

　　根据以上分析，初步认为轴承在工作时承受了过大的轴向力，使滚动体跨越套圈挡边运动，增大了接触载荷，使摩擦加剧，造成了异常温升，使润滑脂失效甚至碳化，进而形成恶性循环，使滚动体在高温作用下发生组织转变，尺寸胀大，游隙变小，摩擦进一步加剧，造成保持架的断裂，一粒钢球异常转动，将轴承咬死。建议在轴承的安装使用中应避免附加过大轴向力，造成的轴承不稳定工作。
 

来源：《哈尔滨轴承》2010年6月