特大型四列圆柱滚子轴承支柱保持架失效原因分析及改进措施

张德颖，赵广炎，史松霞，魏闯，赵利兰

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新联盟，河南 洛阳 471039)

在钢铁、有色轧机等大型重载机械加工设备中，支柱保持架结构的特大型圆柱滚子轴承得到了广泛应用[1]。相比实体保持架，支柱保持架结构可以使相邻滚子间距更小，同等条件下可以容纳更多滚子，提高轴承的承载能力[2]；支柱保持架制造成本低,加工工艺性较好，采用一般通用机械加工设备即可生产，而同类型的特大型金属实体保持架采用离心浇铸加工,存在一定生产难度[3]。

大型圆柱滚子轴承的主要失效形式有：内、外圈滚道或滚子工作面疲劳剥落，内、外圈几何形状变形，支柱保持架焊接部位断裂、磨损破坏等。其中，早期失效发生在保持架焊接部位的几率较高，保持架的损坏往往会导致轴承滚道啃伤，轴承卡死、整套轴承提前失效，轴承座和轧辊的辊颈损坏等严重后果[4]。不仅影响轧机的正常工作，更可能导致生产线停止运行，带来严重的生产事故。因此，有必要针对特大型轴承支柱保持架的损坏方式进行分析研究，以提高该类轴承的使用寿命。

1 试验检测

以某轧制厂冷轧机支承辊使用的内径530 mm的特大型支柱焊接保持架四列圆柱滚子轴承为例，该轴承累计轧制铝板带的重量不足正常轴承轧制量的1/8，但轴承在早期使用阶段就出现了损坏。

1.1 宏观形貌检查

轴承在轴承座内已经损坏(图1)，保持架部分支柱已断裂并脱落，脱离保持架支柱的滚子散落在轴承内部。损坏轴承拆卸后发现，轴承组件的大部分支柱已断裂并脱离保持架(图2)，已断裂的支柱自焊接断裂处至支柱螺纹端整体被磨成尖锥状、扁锉状，无法看清支柱的原始面貌。断裂在保持架焊接孔内的支柱与保持架连接完好，无脱焊现象；断裂在保持架螺纹孔内的支柱断口齐平，与保持架的螺纹连接完好。脱落滚子(图3)端面有明显的擦伤及划痕，滚子圆周方向无明显伤痕。

图1 损坏在轴承座内的轴承Fig.1 Damaged bearing in bearing housing

图2 已损坏的轴承零件Fig.2 Damaged bearing part

图3 损坏轴承脱落的滚子Fig.3 Peeling roller of damaged bearing

1.2 断口微观形貌检查

以损坏轴承保持架断口部位基体材料为研究对象，将支柱焊接端保持架经过线切割、磨削后制成检测试样(图4)。将试样放置在KQ5200型超声波清洗器中清洗干净并烘干，然后置于JSM6380LV扫描电子显微镜下对保持架断面进行形貌分析。

图4 焊接断口检测试样Fig.4 Samples of welding fracture for testing

保持架焊接断面的微观形貌如图5—图8所示。由图可知：柱销焊接断面处有细微的焊接裂纹(图5)；支柱和保持架焊接基体未完全融合，连接部位存在焊入不足(图6)；保持架焊接断面存在焊接夹渣和焊接孔洞缺陷(图7)；保持架与支柱焊接的连接部位有未融熔的焊剂熔块，熔焊金属和基体之间存在明显的虚焊缺陷(图8)。

图5 断口的裂纹形貌Fig.5 Crack morphology of fracture

图6 焊接未熔合缺陷Fig.6 Unfused welding defect

图7 焊接孔洞缺陷Fig.7 Porosity of welding defect

图8 焊剂与基体金属未融合缺陷Fig.8 Unfused defect between welding flux and base metal

焊接裂纹、焊接夹渣、焊入不足和焊剂熔块等焊接缺陷的存在使支柱与保持架的连接不牢，这些缺陷既加大了焊接连接处的应力集中程度，又降低了焊接连接处的承载能力[5]。轴承运转过程中，冲击载荷作用容易导致支柱焊接部位脱焊，一旦支柱焊接端缺陷断裂，保持架支柱仅螺纹连接端承受载荷，将在滚子转动过程中来回晃动，加速支柱螺纹端的疲劳断裂损坏。

1.3 支柱与保持架材料成分分析

保持架原设计方案为：支柱选材G40，保持架选材G20。支柱和保持架主要化学成分标准值(GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》)和实测值见表1，由表可知，支柱和保持架的材质合格；支柱的含碳量大于0.37%，为中碳钢，保持架含碳量低于0.23%，为低碳钢。但保持架与支柱材质不同，焊接时焊接缺陷和焊接裂纹出现的几率较大[6]。

表1 支柱和保持架化学成分Tab.1 Chemical composition of pillar and cage w，%

2 结果与分析

2.1 轴承运转过程分析

一般情况下，滚子轴承正常运转时，起支承作用的滚子在套圈滚道上滚动，实现轴与轴承座的相对旋转[7]。保持架主要起隔离、引导滚子运动的作用，在运转过程中基本不受力或受力较小。支柱保持架圆柱滚子轴承在轧机上的运动情况如图9所示。外圈静止，当内圈顺时针以转速n随轧辊旋转时，将带动滚子逆时针以n1的速度绕自身的中心自转，同时又顺时针以n2的转速绕轴承的中心公转，保持架(支柱)同样绕轴承中心顺时针以n2的速度旋转。由于滚子孔与支柱存在间隙2δ，滚子需要运动一段距离δ与支柱接触后，方可将运动传递到保持架(支柱)。因此，滚子将对支柱产生一定的冲击载荷，运动距离δ越长，冲击载荷带来的破坏力就越大。当轧机在运转过程中正反2个方向快速变换时，滚子在惯性力的作用下对支柱产生较大的冲击力。另外，滚子换向后受迫快速反向运动2δ距离，将会对支柱产生更大的冲击载荷[5]。

图9 滚子、支柱保持架结构及运转示意图Fig.9 Diagram of structure and rotation of roller and pin cage

2.2 失效原因分析

通过对早期损坏轴承保持架和支柱的检测及圆柱滚子轴承运转过程的模拟，分析认为导致支柱焊接保持架早期失效的原因可能主要为：

1) 早期安装支柱时螺纹没有拧紧，使得支柱与保持架的螺纹连接实际受力面积减少，螺纹连接抗拉强度降低。在轧机工作过程中，支柱螺纹连接部位反复受到重载荷的冲击，支柱会进一步松动而发生窜动，最终导致螺纹连接端疲劳断裂而失效脱出[3]。

2) 原保持架设计方案中，中碳钢保证了支柱的淬火硬度和耐磨性，低碳钢保证了保持架的抗冲击性能和工艺的可焊性；但中碳钢和低碳钢存在材质成分差异，当二者焊接时，中碳钢部件焊接部位容易出现焊接缺陷和脆性裂纹[6]。

3) 保持架焊接凹穴的设计角度过大，深度不够，导致无效焊接面积过大，焊接熔融金属量大，保持架焊接端夹渣、虚焊和变形的几率增大。另外，焊接过程中不可避免地出现局部热循环、焊接变形和焊接残余应力会导致焊接部位出现明显应力集中现象，甚至形成裂纹[8]。为保证滚子硬度，未对此类焊接支柱保持架进行常规去除焊接残余应力退火。支柱焊接部位因受到反复冲击将产生疲劳裂纹，裂纹从焊接区的微小缺陷或脆性裂纹开始，逐渐扩大，最终造成支柱从焊接部位断裂脱出[9]。

4) 保持架在实际加工过程中，支柱、保持架焊接孔和滚子孔实际尺寸偏差较大，导致支柱与保持架焊接孔间的实际间隙δ1以及支柱与滚子孔间的实际间隙δ过大，在轧辊转动过程中，支柱焊接端承受冲击力加大，尤其是在轧辊快速换向运转过程中，支柱焊接端承受的冲击力超出了承受范围，在焊接处发生疲劳断裂或者脆性断裂。

综合上述原因，轴承在重载冲击作用下，支柱焊接端由于焊接缺陷断裂脱离保持架后，保持架失去平衡，无法正常引导滚子运转，加之支柱螺纹端松动和反复冲击载荷的作用，引起支柱螺纹端疲劳断裂，尤其是在轧辊往复换向运转时可能会导致滚子倾斜、偏离滚道面、互相碰撞或与挡边发生强烈摩擦，甚至发生卡死现象，最终导致轴承损毁失效。针对本次轴承的损坏方式来看，导致轴承早期损坏的主要原因可能是在多频次冲击载荷作用下，支柱保持架的焊接缺陷引起的支柱焊接端缺陷断裂和由此引发的支柱螺纹端的疲劳断裂所致。

2.3 改进措施

为预防支柱与保持架连接失效，从支柱焊接保持架的结构设计、工艺质量控制方面提出改进措施：

1) 优化保持架设计，将保持架的材质更改为中碳钢，与支柱材质一致；将保持架焊接凹穴的角度由45°减小为30°，焊接凹穴深度由保持架厚度的1/3增大为2/5。改进后降低了焊接脆性裂纹及焊接缺陷出现的几率，减少了无效焊接面积，适当加深了焊接深度，避免了仅在支柱端部进行焊接的情况，降低了焊接夹渣、虚焊缺陷及焊接变形产生的可能性。

2) 在工艺和使用条件允许的条件下，压缩支柱与保持架焊接孔、滚子孔的公差，减小滚子支柱孔与支柱的间隙，螺纹端保持架与焊接端保持架采用定位配钻工艺，并减小支柱与焊接孔的间隙，改善滚子孔与支柱的接触状态，降低滚子对支柱的剪切与弯曲作用强度，延缓支柱焊接端疲劳开裂的速度。

3) 加强支柱与保持架质量控制，拧紧支柱，确保支柱螺纹稳固连接到保持架上。

4) 焊接时务必清理支柱端部与保持架焊接孔的油类物质与污染物，并选择合理的焊接工艺。

3 结论

1) 支柱保持架的焊接缺陷引起的支柱焊接端缺陷断裂和由此引发的支柱螺纹端的疲劳断裂是导致该类轴承早期失效的主要原因；

2) 保持架与支柱连接处的焊接缺陷和制造工艺问题是支柱保持架焊接部分快速疲劳损坏的主要原因；

3) 优化设计方法，加强保持架工艺质量管控，可以有效降低保持架焊接缺陷产生的几率，改进后的保持架在实际应用中没有再发生支柱断裂而导致轴承失效的情况。