0 前言

四列圆锥滚子轴承能同时承受较大径向和轴向双向载荷，被广泛应用于重载工况的轧钢、冶金、矿山等场合^[1-5]。但由于该类轴承使用要求较高，加上相关研究就少，使用现场会造成各种各样的问题。目前而言，限于国内的制造水平，在滚动体凸度形状上还很难加工出媲美国外的对数曲线轮廓^[6-8]，对滚动体偏斜问题还亟待解决^[9-10]，多列游隙的控制问题^[11]，以及一些其他正在研究的问题^[12-16]。以上种种设计或制造上的不足加上安装使用不当，导致该类轴承在承载力和寿命上出现各种问题^[17-18]。需要认识到的是，导致轴承失效到底是制造原因还是安装使用原因，并非简单可以判定，尤其对多列轴承，应由专业制造商详细分析后给出判定。

某钢厂穿孔机所用英制四列圆锥滚子轴承装机使用后出现异响，出现轴承失效情况。该轴承结构如图1所示，外形尺寸为Φ762XΦ1079.5X787.4，属特大型系列，适用于重载工况。滚子为空心，保持架为支柱焊接结构，精度等级为英制4级，游隙为C3组。为方便后文分析说明，图中四列滚道与滚子分别用A、B、C、D进行标识。对该轴承进行了详细失效分析并说明了失效原因。

图1 四列圆锥滚子轴承

Fig1. Four row tapered roller bearing

1 轴承失效检查

1.1 整体外观检查

经检查，轴承由于多次加热，均有不同程度的变色，整体呈现暗黄色，局部有发蓝现象，见图2(a)(b)箭头所指。轴承仅B列滚道（内、外圈）及滚子的工作面有明显的由于碾压而造成的不规则片状凹坑，分布面积广(约占滚道圆周方向1/2)，外圈凹坑靠小端面侧重内侧较轻，深度约0.1~0.3mm，滚道凹坑形貌见图2(a)，滚子大端面有明显的摩擦损伤痕迹，并有挤压粘附大挡边形成的片状碎屑。其余三列滚道与滚子工作面尚可见加工痕迹。

a. 外圈外径面变色痕迹      b. B列外圈滚道压坑

图2 拆解轴承外观检查

Fig.2 Inspection of dismantling bearing appearance

1.2 B列滚子、内圈的详细外观检查

对损伤严重的轴承B列滚子和内套圈进行详细检查。

1.2.1 滚子检查

滚子大端面及外径面形貌见图3(a)(b)。

a. B列滚子大端面形貌     b. B列滚子外径面形貌

图3 B列滚子形貌

Fig.3 The roller morphology of the B column

滚子外径面有大量的片状凹坑，靠大端分布较多。凹坑深度0.2mm左右，多数底部平坦，边缘有明显金属塑性变形。

滚子大端面与挡边相互摩擦，并已产生严重的金属黏着和温升变色，烧伤痕迹明显；小端面痕迹正常。

切取滚子大端面制成金相试样在显微镜下观察，可见大端面处有严重二次淬火和高温回火烧伤，见图4所示。根据烧伤形貌分析，应是由滚子大端面与挡边摩擦发热所致，并也说明了这种摩擦的剧烈性。

图4  滚子大端面烧伤形貌

Fig.4 Burn morphology of large end surface of roller

1.2.2 内圈(B列)滚道和挡边检查

内圈滚道有大量压坑，形态与滚子外径面压坑形貌相似，见图5(a)所示，且靠大挡边处分布较多。大挡边与滚子大端面啃擦明显，金属黏着及摩擦发热严重，大挡边形貌见图5(b)，小挡边无明显接触痕迹。

     a. B滚道面压坑形貌      b. B滚道大挡边啃擦形貌

图5 B列内圈滚道损伤

Fig.5 Inner ring raceway damage in B column

将大挡边修磨后发现挡边有一处裂纹，沿径向分布，较尖细，两端尾部已延伸至大挡边外径面及油沟处，见图6(a)(b)所示，

         a. 挡边裂纹形貌       b. 大挡边外径面裂纹形貌

图6 挡边面裂纹

Fig.6 A crack in a side face

切取裂纹处制成金相试样后观察，可见裂纹垂直于外表面，深约12mm，两侧吻合，尾部尖细，内无材料夹杂物及氧化皮分布。

冷酸腐蚀后，裂纹两侧无明显氧化现象，裂纹表面（即挡边处）有由于摩擦而产生的烧伤痕迹，见图7。

图7 裂纹横截面形貌

Fig.7 Cross section morphology of crack

另沿裂纹处砸制断口后观察，由原裂纹形成的断口上油污、锈迹明显，但可仍以分辨出断裂源位于挡边，并且该处未发现原始旧断口，见图8所示。

图8 裂纹处断口形貌

Fig.8 Fracture morphology of crack

通过外观检查和金相检查，此裂纹沿径向分别延伸至大挡边外径和油沟处，见图6。裂纹垂直于表面向心部延伸扩展，尾部尖细，并且断裂源处有明显金属黏着烧伤层，未发现材料夹杂、粗大碳化物等原材料和加工缺陷。因此可判定大挡边裂纹为与滚子端面剧烈摩擦发热所致。

1.3 轴承尺寸检测

对轴承外径、内径尺寸进行了检测，并与设计尺寸和原始出厂尺寸进行对比，所得数据如表1、2、3所示，表中单位为mm。

表1 内圈内径尺寸检查

Tab.1 The inner diameter size check

表2 中间单列外圈内径尺寸检查

Tab.2 Inspection of inner diameter of single outer ring

表3 两侧外圈内径尺寸检查

Tab.3 Inner diameter inspection of outer ring on both sides

根据检测结果，轴承内外径尺寸均有不同程度的胀大变形，且外径平均尺寸胀大0.23～0.405mm，椭圆增大到0.04～0.44mm。

1.4 金相及硬度检查

另切取B列滚子及内圈制成金相试样在显微镜下观察，并依据标准评定。

1.4.1 材料

经XRF检测，该失效轴承滚子及内圈均为G20Cr2Ni4A钢制。

1.4.2材料质量检查(GB/T 3203)

表4 材料质量检查

Tab.4 Material quality inspection

1.4.3热处理质量检查（JB/T8881）

表5 热处理质量检查

Tab.5 Material quality inspection

根据以上检查结果，该套轴承内套及滚子的材料质量和热处理组织均合格。其表层硬度均处于标准规定值的下限。

a. 内圈渗碳层组织        b.内圈心部显微组织

c.滚子渗碳层显微组织     d.滚子心部显微组织

图9 热处理质量检查

Fig.9 Material quality inspection

2.失效原因分析

以上检测结果可以看到，轴承外形尺寸发生了变化，且内外圈变化不同；轴承的四列相比较而言，B列滚子和套圈有明显磨损并有裂纹。轴承的材料和热处理质量均是合格的。对失效情况的分析如下。

2.1 轴承尺寸变化原因

根据检测结果，轴承内外径尺寸均有不同程度的胀大变形，且外径平均尺寸胀大0.23～0.405mm，椭圆增大到0.04～0.44mm。轴承的外径尺寸超差是客观存在的事实。但如此大的尺寸散差和椭圆说明了轴承已出现不同程度的变形，因此现在所检测的各项尺寸均已不能说明轴承的原始加工尺寸和初期使用时的尺寸的实际状态。查看进厂检测报告，原始尺寸均符合要求。

轴承材料选用优质渗碳轴承钢，其热处理工艺路线为：渗碳直接淬火→高温回火→二次淬火→低温回火。其最终渗层组织为隐晶马氏体、残余奥氏体和粒状碳化物。由于渗碳轴承钢表层含碳量远远高于心部。因此其热处理组织以及应力状态是不稳定的^[19]。在加热温度超过120℃，并且进行局部急冷的情况下，其内部组织会由于碳分子的扩散发生变化，使其内部奥氏体的晶粒度生长变大，造成整体尺寸出现胀大，同时由于晶界的方向异性，使套圈内部应力状态发生改变，造成较大的椭圆变形^[20-21]。

通过对轴承金相组织、硬度、外形尺寸等检查检测结果来看，其渗碳层显微组织较细，表面硬度已位于控制标准要求的下限，外观检查时也发现轴承表面产生变色现象，这些现象均可以说明轴承在加热安装和拆卸过程中温度已长时间接近或超过120℃，并已对轴承的显微组织、应力状态和外形尺寸产生了明显影响。另外，在安装现场查看，使用时采用的是对轴承加热后用冷水急速冷却的拆卸方法。综上所述，可以认为轴承尺寸变化是由安装和拆卸时加热冷却方法不当造成的。

2.2轴承内外圈尺寸变化有差异的原因

该型轴承外圈外径尺寸较大，有效壁厚与外圈尺寸比值较小，形状简单，自由变形容易；而轴承内圈整体尺寸较小，且有大小挡边，形状相对复杂，大小挡边对变形具有一定程度的约束。因此，从检测的内外径实际尺寸来看，轴承内外圈均有不同程度的变形，外圈的变形要比内圈的明显大。

2.3轴承尺寸超差与B列失效的关系

轴承的损坏形式为仅B列滚道（内、外圈）及滚子的工作面有明显的由于碾压而造成的不规则片状凹坑，分布面积广（约占滚道圆周方向1/2），外圈凹坑靠小端面侧重内侧较轻，深度约0.1~0.3mm，滚子大端面有明显的摩擦损伤痕迹，并有挤压粘附大挡边形成的片状碎屑。判定为此种失效形式对与轴承尺寸超差无太大直接关系。原因如下：

（1）从检测结果看，即使外径尺寸超差，也是三个套圈尺寸全部都大。在外径尺寸超差的情况下，会出现外圈与轴承座孔之间的过盈量增加，进而会造成轴承径向游隙随之减小，这种情况出现的后果是整套轴承四列滚子均会参与受力，而不可能出现仅B列受力其他三列不受力的情况。

（2）从滚道外观上观察，仅有一列滚动体受力，其他列滚道甚至未有接触痕迹，特征明显。这是属于失效案例中典型的偏载现象。出现的主要原因是游隙不均。该种情况是B列游隙远远小于其他三列游隙的情况下出现的。而四列圆锥滚子轴承的游隙只要求各列基本是均匀的，或大或小都会在每列滚道上出现一定的接触痕迹。该轴承的整体游隙为C3组，并且游隙值符合标准要求，各列游隙均匀。

综合以上分析，结论为：安装不当的加热冷却方法引起了外形尺寸的变化，但外形尺寸的变化并不是引起特定某一列受力较大的原因。该型轴承B列失效的直接原因应是B列游隙与其他三列游隙存在较大差异，导致本该四列共同承受的载荷，由B列承受了较大部分。

2.4 B列失效的原因

那么造成B列游隙不同的原因，认为主要是由于安装问题造成的。在钢厂安装现场，观察到轴承中间外圈有安装倾斜现象。轴承箱体加热后，根据温升估算箱体内径尺寸增加约1mm。轴承在装配时，中间外圈安装出现倾斜，与箱体内壁造成自锁卡滞，安装不到位。或者是轴承安装后，在未冷却时翻转箱体，由于冲击使轴承内部中间外圈发生倾偏，箱体冷却后由于外圈与箱体过盈配合，造成轴承工作时中间外圈无法自回位，出现C列滚道侧端面与隔圈产生间隙，造成C、D列滚道游隙增大，B列滚道一段游隙减小，C列外径一段出现间隙；箱体收缩后造成B列无游隙，轴承工作时，B列滚子因外圈倾斜，造成一段长度内轴向间隙减小，滚子挤压内圈挡边，造成B列大挡边剥落，与滚子大端面存在严重擦痕，并附着片状金属剥落物，该剥落物进入滚道，一方面加剧B列滚子的非正常受力状态，一方面造成大量的碾压凹坑。倾斜示意图如图10所示。

图10 B列失效原因

Fig.10 Cause of failure of B column

3 结论

对失效的穿孔机用四列圆锥滚子轴承进行了全面检查分析。安装拆卸时不当的冷热处理导致了轴承外形尺寸超差，该检测尺寸已不能反应出厂及应用时轴承的初始尺寸。外形尺寸的超差并不是造成B列失效的直接原因。安装时中间外圈的倾斜现象导致了轴承各列游隙不均，B列承受了较大的载荷，最终导致B列失效。多列轴承的各列游隙不均是直接导致轴承失效的主因，故而需在安装时多加注意，应严格控制各列的游隙力求均匀。

参考文献

[1] 刘永源.四列圆锥滚子轴承的使用分析[J].机械工程师,2015.03:223-224.

[2] 王志伟,张纪梁,等.四列重型圆锥滚子轴承优化设计[J].煤矿机械,2003.09:15-18.

[3] 李明申,光宪.3500中厚板四辊轧机工作辊杆系分析和轴承寿命评估[J].冶金设备,2004.02:1-4.

[4] 丁志勇.中厚板轧机轧辊轴向力及主传动扭振分析[J].轧钢,2009.04:32-35.

[5] 李明,申光宪.轧机微尺度行为和四列圆锥轴承寿命[J].钢铁,2005.01:43-46.

[6] 贾松阳,马有福,等.圆锥滚子无心贯穿式超精研中滚子滑动分析[J].轴承,2017.09:13-17.

[7] 薛进学,贾松阳,等.基于弧长材料去除率的超精研圆锥滚子研磨分析[J].煤矿机械,2015.12: 124-126.

[8] 薛进学,贾松阳,等.贯穿式超精研圆锥滚子的研磨特性分析[J].制造业自动化,2016.01:33-37.

[9] 邱军鹏,满维伟,舒寅清.重型轴承偏斜角对其寿命的影响[J].哈尔滨轴承,2008.04:8-10.

[10] 邱军鹏,舒寅,等.清轧机用四列圆锥滚子轴承偏斜角的研究[J].轴承,2007.04:12-15.

[11] 杨霞潘,丽君,等.边界元法分析径向游隙对四列圆锥轴承载荷的影响[J].工程设计学报,2014.02:191- 197.

[12] 肖宏,杨霞,等.赫兹接触理论在采用边界元法分析轧机轴承载荷中的应用[J].中国机械工程,2010.21:2532 -2635.

[13] 李明,申光宪.大型四列圆锥滚动轴承载荷特性边界元法解析[J].燕山大学学报,2004.02: 183-186.

[14] 魏延刚,王发峰.圆锥滚子轴承负荷分布及其动力学仿真[J].大连交通大学学报,2014.51: 60-63.

[15] 杨霞,鄢闯,等.利用轴承边界元法分析轴向力对四列圆锥轴承载荷的影响[J].机械设计与研究,2014.02:72 -75.

[16] 赵云,李友荣.立辊轧机四列圆锥滚子轴承保持架有限元分析[J].冶金设备,2008.03: 30-32.

[17] 李小阳,杨福臻,张磊.四列圆锥滚子轴承的安装与维护[J].设备管理与维护,2011.04:19-20.

[18] 叶新功,张萍,王丽君.轧辊轴承失效机理分析及改进措施[J].通用机械,2003.08:64-66.

[19] 黄晓辉,李茂成.轧钢机用G20Cr2Ni4钢制轴承外圈渗碳热处理工艺[J].轴承,2009.04:15-16.

[20] 宋华华.冷处理和深冷处理对G20Cr2Ni4A钢组织和性能的影响[J].轴承,2016.07:142-144.

[21] 刘耀中,刘家文.国外轴承热处理[M].洛阳:洛阳轴承研究所,2001.