深圳市手机变速箱轴承,钻井泵主轴承螺栓断裂分析

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为什么渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈会开裂失效

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在同时承受径向载荷和轴向载荷的情况下,支承常采用角接触轴承和圆锥滚子轴承成对安装。角接触轴承成对安装有三种排列方式。两个轴承外圈宽端面相对安装称背对背安装方式。两支承力作用点落在支承跨距之外。这种排列方式因支承跨距大,轴悬臂时钢性好,轴受热伸长时内、外圈呈脱开趋势,因而轴不会卡死,故使用比较广泛。但如若采用预紧安装,则在轴受热时预紧量将会减少。两个轴承外圈窄端面相对安装称面对面安装方式。两个支承的力作用点落在支承跨距之内。这种排列方式结构简单、装拆、调试均较方便故使用也较广泛,主要用于短轴和温升不高的场合,但要注意一定要留有备用游隙。轴向游隙也不宜过大,过大会降低轴的运转精度。当轴向载荷较大,需多个轴承同时承受时,常采用轴承外圈宽、窄面相对安装的串联方式。各轴承力作用点均落在轴承的同一侧故称同向排列又称串联。采用此种排列方式时要注意结构上和制造上保证每个轴承都能尽量均匀承受载荷。

涡轮增压器为废气驱动型,它利用柴油机排出的高温高压废气驱动涡轮作动力,通过压气轮压缩空气以提高柴油机的进气效率从而大大提高柴油机的输出功率。它采用轴向布置,涡壳中间水冷,在主轴的两端采用轴承结构,由于承受较大的轴向载荷在压气端BS采用双排向心推力滚珠轴承,采用铝合金保持架,为减少轴承径向和轴向的震动还布置了径向和轴向减震弹簧;涡轮端TS采用单列向心滚柱轴承,采用铜合金保持架;其中BS轴承为主要轴向受力端,TS轴承为支撑端仅承受径向载荷。

渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈,在使用过程中出现开裂现象。由于该轴承产量高,使用部位关键,为避免再出现同样的开裂现象,必须找出其产生失效的原因。本文通过宏观分析、微观分析、扫描电镜的分析,就开裂的原因进行了讨论。

摘 要:对主轴承螺栓在钻井泵上具体安装配合情况进行了调查,在此基础上,分析计算了主轴承螺栓在钻井泵工作时的受力情况,并通过金相显微镜、扫描电镜等手段对钻井泵主轴承螺栓断裂失效进行了分析。结果表明,该主轴承螺栓受拉-拉和弯曲双重疲劳,且主要在弯曲疲劳的作用下,于主轴承螺栓的应力集中处———螺纹根部,促使疲劳裂纹的产生和扩展,最终导致螺栓的疲劳断裂。为防止这类失效提出了建议。 关键词:钻井泵;主轴承螺栓;断裂;疲劳 1 情况简介 某油田钻井队在钻井中,当钻到井深2100m时,钻井泵主轴承螺栓发生断裂,断裂螺栓残样见图1。图1中A为断裂的主轴承螺栓主体,B是断在轴承座螺栓孔内的主轴承螺栓丝扣端一部分,C是为将B从轴承座螺栓孔内取出而焊在B上的一条辅助取出螺栓。 主轴承螺栓材料为40CrNiMoA,生产工艺流程:锻—粗加工—调质处理—精加工。调质处理硬度要求为305~336HBS。

3.机器在运转中,一般主轴或传动轴的温度高于相邻零件的温度,因而轴将热涨伸长。为了保持轴的转动灵活,在支承结构设计中,在满足轴向定位精度要求的同时,还要考虑轴受热自由伸缩的要求。轴向定位和轴向伸缩的方式是相对应的。

损坏的BS双排轴承,其中一个轴承的铝合金保持器已完全破断,另一个轴承尚残存少量铝合金保持架,钢球完整,内圈和径向减震弹簧片局部有明显的蓝色的氧化色。检查其径向和轴向减震弹簧发现其定位突缘处受撞击撕裂,其断口为剪切断裂。这是由于增压器主轴高速偏心旋转,运动件间的间隙失控所为。BS轴承总程中的减震弹簧并未丧失其功能,弹簧片表面均有润滑油膜。拆解检查TS轴承表明,虽然12个滚珠中有8个磨损严重,但铜合金保持架完整。从BS轴承油腔内收集到的200多克的残骸及碎屑中,可以明显发现有铝合金保持架的碎块。

1.外圈开裂宏观特征

图1 断裂螺栓残样图2 宏观断口

4.调整轴承游隙是为了控制轴的运转精度。轴的轴向位置调整是为了满足某些啮合传动的特殊要求。例如:在蜗杆传动中,蜗杆轴线必须落在蜗轮的中间平面内以保证其正确啮合,因而要求蜗轮轴能在轴向调整其位置。在锥齿轮传动中,两个锥齿轮的节圆锥锥顶点必须重合,因而要求两个锥齿轮轴都能轴向调整。

尺寸较大的BS轴承铝合金保持架的三角形碎块和随机备件新的轴承铝合金保持架,经切割后分别各取2件试样,进行材料分析。扫描电镜分析用扫描电镜观察保持架碎块及新轴承保持架试样,测试仪器为日本产JXA-840A电子探针显微分析仪,结果如下。

失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的、且与轴线平行的开裂裂纹外,还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。除两端及中部非工作区外,套圈上有两道大的磨损区,呈不同的亮白色光泽带。从距端面约20mm的磨损区边缘开始分布有多条“刻度”状细小直裂纹,方向与大裂纹平行,最长的40mm左右,多数为5~10mm,如图1、图2所示。这些特征说明,贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成。

2 检验与结果 2.1 宏观断口分析 钻井泵主轴承螺栓断裂部位在距螺栓扣端部第25~28扣处,实物断口形貌见图2。从图2可见,其断口为典型的疲劳断口,疲劳裂纹起源于螺纹根部,并具有多源特征(图2中a~f六个源区),断口上疲劳扩展区面积所占比例很大,约占整个断口面积的95%以上(见图2中E区),而瞬断区面积只占很小一部分。 宏观断口形貌表明,该主轴承螺栓属疲劳断裂。疲劳源在螺栓的应力集中处—螺纹根部。 2.2 化学成分分析 在主轴承螺栓残样上取试样,经碳硫分析仪和SPECTROVA21000直读光谱仪分析,主轴承螺栓材料的化学成分符合标准规定,见表1。

请问对于轴承的使用寿命,什么因素最重要?

轴承保持架材料均为Al-Cu-Fe-Ni合金,具有高强、耐热的特点。

2.断口扫描电镜检查

2.3 力学性能测定 在主轴承螺栓的1/2R处取纵向拉伸和冲击试样,试验结果列于表2。在螺栓断口附近沿横向切取硬度试片,测得其横截面上的布氏硬度值为335~313HBS,其力学性能符合设计要求。

请问对于轴承的使用寿命,什么因素最重要?

电镜观察发现保持架碎块A端面的表面分布有较严重的微裂纹,碎块断口边缘可观察到铝合金的疏松缺陷;由于涡轮增压器的压气端BS轴承承受较大的轴向载荷,其保持架与钢球的相互高速运转、接触,使保持架处在交变应力的作用下,A端面的微裂纹的扩展将导致保持架的疲劳断裂。

外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示,呈现脆断特征,在外圈断口外表面“刻度”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征,如图4所示。据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。

2.4 低倍组织及金相分析 在主轴承螺栓断口附近分别取横截面低倍试片和金相分析试样。低倍试片按GB/T226-1997进行热酸蚀处理。低倍下观察其组织致密未见宏观缺陷。高倍下螺栓外层组织为回火索氏体,心部组织为回火索氏体+少量上贝氏体,晶粒度7.5级。按GB/T1056-1989评定,非金属夹杂物为A1.0,B2.0,D1.5。 2.5 显微断口分析 在主轴承螺栓断口处取电镜试样,置于扫描电镜下观察,螺纹根部加工刀痕明显,见图3。扩展区微观形貌为疲劳准解理,见图4。

答:轴承的转速和载荷直接影响轴承的使用寿命,到底那个因素比较大一些呢?轴承认为载荷对轴承寿命的影响远大于速度对其的影响。

保持架碎块的电子断口形貌为典型的韧窝,表明材料的塑性韧性较好,其最终断裂区是韧性断裂。

在扫描电镜下检查发现,疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中,如图5、图6所示,从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面,即靠近套圈的外表面处。疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征,如图7所示,说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。套圈心部的断口组织以韧窝为主,是由于心部为较软的板条马氏体组织所致,如图8所示。

图3 螺纹根部 340×图4 疲劳扩展区 1300×

然而载荷、速度都跟轴承的寿命成反比。据资料介绍,作用在球轴承上的载荷增加一倍,其寿命将减小到1/8或1/10;如果是速度提高一倍,则

新保持架材料中也有较多的夹杂物和疏松。

外圈外表面上的白亮磨损区大量的细小开裂在扫描电镜下的细节如图9所示,可以看出这些细小开裂都平行于贯通的主开裂,与外圈表面上的磨损方向完全垂直。在与小开裂平行方向制成的金相试样的磨损区进行显微硬度对比测试发现,磨损区以下约0.1mm深度的截面上的硬度值比渗碳淬火层的硬度高(见图10),这说明套圈外表面上的磨损区产生了硬化现象,磨损硬化层硬度为923HV、941HV,渗碳淬火层硬度为730HV、719HV。

3 分析与讨论 一般认为,钻井泵主轴承螺栓受拉伸载荷。当钻井泵工作时,其拉伸载荷随主轴的旋转而交替变化,经计算其变化范围在213.8~19.7kN,由于钻井泵的主轴承螺栓的螺杆外径为72mm,所以主轴承螺栓所受的最大拉应力为:

其寿命减小一半;如果速度和载荷降低,则轴承的寿命会增加。

BS轴承承受较大的轴向交变载荷,轴承的铝合金保持架材料中有较多的夹杂物,在交变应力的作用下生成微裂纹,微裂纹的扩展最终导致保持架的疲劳断裂;材料中的铸造疏松也降低了材料的疲劳强度。BS油泵技术功能正常,分析油泵的结构特点和零件的表面状况,表明油泵没有出现缺油状态。铝合金保持架的疲劳断裂,造成了BS轴承的失效,最终导致了涡轮增压器主轴的严重磨损。

3.金相组织检查

主轴承螺栓所受的最小拉应力和最大拉应力的应力比为:

为什么渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈会开裂失效

外表面磨损区有一层约0.05mm厚的耐浸蚀白亮区, 白亮区之下为正常的渗碳淬火层,即细小针状马氏体组织(见图11),套圈心部为板条状淬火马氏体组织。

据资料介绍,40CrNiMoA钢经调质处理后,将其加工成圆形带缺口(Kt=3)试样进行疲劳试验,所加载荷为拉-拉载荷,当应力比R=0.1时,试验测定的疲劳极限为σ0.1p=283MPa,由以上计算可知,钻井泵主轴承螺栓所受最大应力为σmax=5215MPa,此应力值远远小于其疲劳极限(283MPa)。所以,钻井泵主轴承螺栓仅在拉-拉载荷下不会发生疲劳断裂。 图5是钻井泵主轴承盖及主轴承螺栓受力图。图中O点是主轴所在的位置,F为主轴水平方向所受载荷,P为主轴垂直水平方向所受载荷,G为主轴自重。经计算,P的值较小,基本上与重量G抵消,所以,主轴所受载荷可以只考虑水平方向的载荷F。载荷F通过轴承传递到轴承盖上,轴承盖内侧载荷分布见图5,由于上主轴承盖和水平方向成35.85°角度,所以主轴承盖受力较大,因而两个螺栓受到较大的载荷,两螺栓的受力分析见图5,其中F′为水平方向,F″为主轴承盖外表面圆弧的切线方向。由1号和2号螺栓的受力分析可知,两螺栓不仅受轴向载荷P1和P2,而且还受垂直于轴向的载荷F1和F2。由于主轴承螺栓的螺杆外径是72mm,主轴承盖上的螺孔内径是80mm,螺杆与螺孔内壁没有接触,因而主轴承螺栓就相当于一个悬臂梁,既受拉伸载荷P1(或P2),又受弯曲载荷F1(或F2)。主轴所受载荷F随主轴的旋转而交替变化,因而P1(或P2)和F1(或F2)也交替变化,这样主轴承螺栓就受到拉2拉疲劳和弯曲疲劳的双重疲劳作用。

渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈,在使用过程中出现开裂现象。由于该轴承产量高,使用部位关键,为避免再出现同样的开裂现象,必须找出其产生失效的原因。本文通过宏观分析、微观分析、扫描电镜的分析,就开裂的原因进行了讨论。

4.化学成分分析

图5 主轴承盖及螺栓受力图(mm)

1.外圈开裂宏观特征

1、冲压外圈的滚针轴承.这种轴承有穿孔型和封口型两种,冲压外圈滚针轴承没有内圈,滚针直接与轴的表面接触,所以轴的加工精度和热处理硬度应与轴承内圈相同。适用范围:有保持架的冲压外圈滚针轴承适合高速、重载,多用于机床、汽车、摩托车的变速箱或纺织机械。无保持架的冲压套圈滚针轴承,由于装满了滚针,适用于重载荷下的摆动工作条件。如飞机的机架、导弹主翼的轴端等。

由图2疲劳断口可见,静断区面积只占很小一部分,而疲劳扩展区面积很大,这说明整个螺栓一侧所受应力较小,但由于两根螺栓均受弯曲载荷,因而螺栓一侧螺纹根部受到很大的应力:另外,由于螺纹根部存在较大的应力集中,因而容易萌生裂纹,裂纹一旦产生,裂纹尖端始终受到较大的应力,因而在交变弯曲载荷下不断疲劳扩展,直至失稳断裂。需要说明的是,螺栓所受的拉2拉载荷只是加速了疲劳裂纹的扩展,但不是疲劳断裂的主要原因。图2断口上有多个疲劳源。疲劳破坏时疲劳源的数目一般受应力水平和应力集中的影响,当应力水平高或有应力集中存在时,疲劳断口上往往存在多个疲劳源。通过以上计算分析,钻井泵主轴承螺栓所受应力较小,而在螺纹根部存在严重的应力集中,致使疲劳断口上有多个疲劳源,这些疲劳源并不处于同一个垂直于主应力的平面上,而当疲劳裂纹向前扩展时,它们会汇合成一个单一的裂纹前沿,并在断口上留下“台阶”等特征(见图2)。 4 结论及建议 钻井泵主轴承螺栓的断裂主要是由弯曲疲劳及螺纹根部严重的应力集中造成的疲劳破坏。为了提高主轴承螺栓抗疲劳破坏的能力,建议从以下四方面采取措施。 (1)精车制扣的刀具应严格按图纸要求进行修磨,并用样板进行检查,确保扣型及扣表面质量。 (2)除按要求对螺纹根部实施滚压强化外,还应保证螺纹根部R=0.4mm圆角与扣侧的良好过渡。 (3)确保主轴承盖上螺栓位置处所在平面的平整。 (4)提醒用户在使用一段时间后,应用液压扭力扳手坚固螺栓,确保螺栓预紧力。 5 效果 在生产制造中通过采取以上措施,尽管近年来钻井泵的年产量已由过去的几十台提高到数百台,但主轴承螺栓的早期疲劳断裂事故却极少发生。

失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的、且与轴线平行的开裂裂纹外,还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。除两端及中部非工作区外,套圈上有两道大的磨损区,呈不同的亮白色光泽带。从距端面约20mm的磨损区边缘开始分布有多条“刻度”状细小直裂纹,方向与大裂纹平行,最长的40mm左右,多数为5~10mm,如图1、图2所示。这些特征说明,贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成。

2、实体套圈滚针轴承 实体套圈的滚针轴承,常用的实体套圈滚针轴承是NA型和RNA型。适用范围:实体套圈滚针轴承多用于机床、汽车变速箱,它的优点是径向截面尺寸小,承载的径向载荷大。标准型的实体套圈滚针轴承都有保持架,所以转速较高,能适应机床、汽车变速箱的要求。

2.断口扫描电镜检查

3、滚轮滚针轴承适用范围:印刷机械、牧草机械、农业机械、数控设备导轨用滚轮、输送线等。

外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示,呈现脆断特征,在外圈断口外表面“刻度”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征,如图4所示。据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。

4、滚针和保持架组件。滚针、保持架组件,实际上就是无套圈的滚针轴承,适用范围:这种轴承多用于变速箱、摩托车、汽车的连杆大、小端。由于汽缸内温升高,所以轴承要耐高温。

在扫描电镜下检查发现,疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中,如图5、图6所示,从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面,即靠近套圈的外表面处。疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征,如图7所示,说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。套圈心部的断口组织以韧窝为主,是由于心部为较软的板条马氏体组织所致,如图8所示。

满装球全陶瓷轴承使用特性及材质介绍:

外圈外表面上的白亮磨损区大量的细小开裂在扫描电镜下的细节如图9所示,可以看出这些细小开裂都平行于贯通的主开裂,与外圈表面上的磨损方向完全垂直。在与小开裂平行方向制成的金相试样的磨损区进行显微硬度对比测试发现,磨损区以下约0.1mm深度的截面上的硬度值比渗碳淬火层的硬度高(见图10),这说明套圈外表面上的磨损区产生了硬化现象,磨损硬化层硬度为923HV、941HV,渗碳淬火层硬度为730HV、719HV。

满装球全陶瓷轴承使用特性及材质介绍:

3.金相组织检查

ASMI产品介绍

外表面磨损区有一层约0.05mm厚的耐浸蚀白亮区, 白亮区之下为正常的渗碳淬火层,即细小针状马氏体组织(见图11),套圈心部为板条状淬火马氏体组织。

满装球型全陶瓷轴承一面带添球缺口,因采用无保持架结构设计,可以比标准结构的轴承装入多的陶瓷球,从而提高其径向负荷能力,另外还可避免因保持架材料的限制,可达到陶瓷保持架型全陶瓷轴承耐腐蚀及耐温效果。该系列轴承不适宜较高转速,安装时应注意将缺口面装于不承受轴向负荷的一端。因该轴承内外圈具填球缺口,故不适合有较大轴向负荷场合应用。

4.化学成分分析

特性:

能谱和化学分析都表明套圈材料的化学成分符合G20CrNi2Mo标准要求。

1、耐高温:使用温度在100℃-600℃间不产生因温差造成的膨胀。可应用在炉窑,制塑、制钢等高温设备中;

2、耐腐蚀:材料本身具有耐腐蚀的特性,可应用在强酸、强碱、无机、有机盐、海水等领域,如:电镀设备,电子设备,化工机械、船舶制造、医疗器械等。

3、防磁:因无磁不吸粉尘,可减少轴承提前剥落、噪声大等。可用在退磁设备。精密仪器等领域。

4、电绝缘:因电阻力高,可免电弧损伤轴承,可用在各种要求绝缘的电力设备中。

5、真空:因陶瓷材料独具的无油自润滑特性,在超高真空环境中,满球全陶瓷轴承可克服普通轴承无法实现润滑之难题。

主要用途:

医疗器械、光学仪器、印刷机械、高速机床、高速电机、低温工程、食品加工机械等等。

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