0　引言

　　各類機械傳動系統(tǒng)無論是在普通的機械設(shè)備、運輸工具還是航空、航天、航海等領(lǐng)域應(yīng)用都十分廣泛[1]。軸承作為支撐轉(zhuǎn)動部件的關(guān)鍵零件，是各類機械傳動系統(tǒng)中的重要部件，軸承服役工況復(fù)雜，對制造質(zhì)量、加工裝配精度、潤滑質(zhì)量等要求極高，又要經(jīng)受摩擦熱以及振動等嚴(yán)酷的使用環(huán)境，失效概率相對更大，失效現(xiàn)象和行為也更為復(fù)雜[2]，實踐表明，大量機械設(shè)備中傳動系統(tǒng)的失效在很大比例上是由于軸承首先失效而引起的[3]。顯然，確保軸承在各種工況下都能正常工作，對于避免傳動系統(tǒng)發(fā)生故障具有非常重要的意義[4]。

　　本文對某高壓轉(zhuǎn)子連接螺母擰緊扳手傳動系統(tǒng)進行了失效分析，通過現(xiàn)場失效信息調(diào)查，對相關(guān)故障件進行斷口分析，顯微組織及硬度檢測，判定此次失效的肇事件及失效模式，并對失效模式特征進行闡述。

　　1　失效信息
　　某高壓轉(zhuǎn)子連接螺母擰緊扳手（以下簡稱“工裝”）傳動系統(tǒng)在擰緊螺母過程中，發(fā)生卡滯，分解后發(fā)現(xiàn)，齒輪齒牙發(fā)生斷裂、軸承破壞。該工裝傳動系統(tǒng)自上而下主要由力矩輸入齒輪、2#、3#傳動齒輪和力矩輸出齒輪組成，其中兩個中間傳動齒輪軸分別采用兩個滾動軸承支撐。
　　該工裝傳動系統(tǒng)故障位置是力矩輸入齒輪，即驅(qū)動輪，與兩個中間傳動齒輪，即2#齒輪和3#齒輪，其中驅(qū)動輪及與其相鄰的2#齒輪各有1個齒牙斷裂，3#齒輪1個齒牙變形，2#齒輪一側(cè)軸承破壞，保持架、防塵蓋脫落，部分滾珠破裂，其余3個軸承不能靈活運轉(zhuǎn)，故障件外觀如圖1所示。各故障部位材料牌號及硬度要求如表1所示。其中，軸承類型為兩面帶防塵罩的深溝球軸承。

圖1　故障件外觀

表1　各故障部位材料及硬度要求

　　2　試驗與分析
　　2.2驅(qū)動輪
　　2.2.1斷口分析
　　驅(qū)動輪1個齒牙斷裂，其它齒牙未見變形及機械損傷痕跡，驅(qū)動輪斷裂齒牙斷口宏觀微觀形貌如圖2所示，驅(qū)動輪齒牙斷裂位置在齒牙頂部，斷口尺寸約1cm，斷口宏觀呈纖維狀，可見棱線收斂于一側(cè)齒根，為斷裂起始區(qū)（如圖標(biāo)記所示），起始區(qū)未見明顯材料冶金缺陷和機械損傷痕跡，斷口呈現(xiàn)出過載斷裂特征，起始區(qū)可見沿晶脆性斷裂特征，擴展區(qū)呈現(xiàn)出典型的韌窩斷裂形貌。

圖2　驅(qū)動輪齒牙斷口宏觀微觀形貌
a）斷口整體；b）起始區(qū)；c）擴展區(qū)

 　　2.2.2顯微組織及硬度檢測
　　驅(qū)動輪顯微組織如圖3所示，主要由回火馬氏體和少量碳化物組成，未見明顯異常。根據(jù)ASTME140標(biāo)準(zhǔn)中材料硬度換算表，將將驅(qū)動輪維氏硬度換算為HRC，結(jié)果分別為：57.2（672HV1）、57.6（680HV1）、57.6（680HV1），對比標(biāo)準(zhǔn)值和實測值發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動輪硬度檢測結(jié)果在合格區(qū)間內(nèi)。

圖3　驅(qū)動輪顯微組織

　　2.3齒輪
　　2.3.1斷口分析
　　2#齒輪有1個齒牙斷裂，3#齒輪1個齒牙塑性變形，其它齒牙未見變形及機械損傷痕跡。2#齒輪齒斷裂齒牙宏觀微觀形貌如圖4所示，斷裂位置在齒牙頂部，斷口尺寸約7mm，宏觀呈纖維狀，可見棱線收斂于一側(cè)齒根，為斷裂起始區(qū)（如圖標(biāo)記所示），起始區(qū)未見明顯材料冶金缺陷和機械損傷痕跡，斷口呈現(xiàn)出過載斷裂特征，起始區(qū)可見沿晶脆性斷裂特征，擴展區(qū)呈現(xiàn)出典型的韌窩斷裂形貌。3#齒輪一齒牙產(chǎn)生變形，系加力過程中受斷裂齒輪碎塊擠壓所致。

圖4　2#齒輪齒牙斷口宏觀微觀形貌
a）斷口整體；b）起始區(qū)；c）擴展區(qū)

　　2.3.2顯微組織及硬度檢測
　　在金相顯微鏡下觀察2#、3#齒輪顯微組織形貌，如圖5所示，兩者顯微組織相似，均主要由回火馬氏體和少量碳化物組成，未見明顯異常。根據(jù)ASTME140標(biāo)準(zhǔn)中材料硬度換算表，將2#、3#齒輪維氏硬度換算為HRC，結(jié)果如表2所示。對比標(biāo)準(zhǔn)值和實測值發(fā)現(xiàn)，3#齒輪硬度檢測結(jié)果在合格區(qū)間內(nèi)，2#齒輪硬度略超出上限。

表2　齒輪硬度檢測結(jié)果

圖5　齒輪顯微組織
a）2#齒輪；b）3#齒輪

　　2.4軸承組件
　　2#齒輪的1個軸承破壞，滾珠破裂、保持架變形、脫扣，滾道擠壓損傷，端蓋脫落變形。放大鏡觀察軸承內(nèi)部有黃油，未見黃油結(jié)塊硬化、結(jié)焦及明顯異物進入。

　　2.4.1滾珠
　　1）滾珠斷口分析

　　2個滾珠斷口宏觀微觀形貌如圖6所示，斷口表面比較粗糙，呈纖維狀，局部有磨損；1#滾珠斷口可見棱線收斂于滾珠表面與中心，故存在兩個斷裂起始區(qū)，斷裂先在滾珠表面起始，后在中心起始，而后匯聚，產(chǎn)生臺階；2#滾珠斷裂主源位于中心，邊緣多個周向次生脆斷區(qū)，臺階特征不明顯。1#滾珠斷口起源于滾珠表面缺口處，裂紋從表面向滾珠心部擴展，表層裂紋的出現(xiàn)，使得滾珠受力不均，心部受到大載荷作用，產(chǎn)生二次裂紋源，表層起源裂紋擴展過程中遇到心部起源的裂紋后兩者匯合，形成臺階狀斷口；2#滾珠斷裂主源位于中心，邊緣有多個周向次生脆斷區(qū)，說明2#滾珠受力更大，在高載荷作用下，多處起裂，形成心部放射狀主要過載斷口特征；兩滾珠心部及表層起始區(qū)均有不同程度的沿晶脆性斷裂特征，擴展區(qū)均呈現(xiàn)出典型的韌窩斷裂形貌。

圖6　滾珠斷口宏觀微觀形貌
a）1#滾珠斷口整體b）；2#滾珠斷口整體；c）滾珠斷口起始區(qū)；d）滾珠斷口擴展區(qū)

　　2）滾珠顯微組織及硬度檢測

　　在金相顯微鏡下觀察滾珠顯微組織形貌，如圖7所示，主要由回火馬氏體和碳化物組成，未見明顯異常。根據(jù)ASTME140標(biāo)準(zhǔn)中材料硬度換算表，將滾珠維氏硬度換算成HRC，結(jié)果分別為：67.3（941HV1）、67.2（937HV1）、66.9（928HV1），對比標(biāo)準(zhǔn)值和實測值發(fā)現(xiàn)，滾珠硬度略超出上限。

圖7　滾珠顯微組織

　　2.4.2保持架
　　該軸承采用浪式帶扣保持架，保持架宏觀形貌如圖8a所示，從圖中可以看出，該保持架兜孔大小不一，已產(chǎn)生嚴(yán)重變形，搭扣部位發(fā)生錯位，且部分保持架搭扣已經(jīng)脫開，失去對滾珠的約束作用。

　　拆解2#齒輪未破壞軸承，該軸承滾珠完好，滾珠及內(nèi)外滾道表面有輕微劃傷，保持架有變形，且兩半保持架的搭扣部位有明顯錯位，如圖8b所示。

圖8　保持架
a）已破壞軸承保持架兜孔變形及脫扣；b）完整軸承保持架搭扣錯位

　　2.4.3軸承滾道
　　軸承內(nèi)滾道表面存在滾珠局部擠壓痕跡及劃傷，擠壓損傷不在滾道中心，偏向一側(cè)，表明滾珠已偏離預(yù)定的運行軌道，受力局部化，導(dǎo)致滾珠局部受力增大，劃傷系滾珠碎塊受力接觸滾道所致，如圖9所示；軸承外圈側(cè)面局部產(chǎn)生擠壓損傷，系保持架變形，滾珠碎塊脫落受軸承座擠壓所致。

圖9　軸承內(nèi)滾道表面擠壓及劃傷

　　3　綜合分析與討論
　　3.1肇事件分析
　　綜合上述試驗結(jié)果，扳手傳動機構(gòu)失效主要是驅(qū)動輪、2#齒輪斷裂、3#齒輪變形及軸承破壞。失效結(jié)果是傳動機構(gòu)卡滯。其中驅(qū)動輪和2#齒輪斷齒，2#齒輪1個軸承破壞，3#齒輪1齒變形，其余3個軸承運行不靈活、力矩輸出齒輪完好。機構(gòu)中損傷Z為嚴(yán)重者為驅(qū)動輪與2#齒輪，因此3#齒輪和力矩輸出齒輪不是本次失效肇事件。

　　驅(qū)動輪和2#齒輪均有1個齒牙斷裂，兩處斷口均為過載斷裂，斷裂起始區(qū)未見材料冶金缺陷及明顯加工損傷，其余部位也未見卡滯損傷，因此齒輪直接卡滯導(dǎo)致機構(gòu)運轉(zhuǎn)卡滯的可能被排除，也就是說，驅(qū)動輪和2#齒輪齒牙斷裂不是本次失效的原因，而是機構(gòu)卡滯后，較大的擰緊力矩輸入引起的過載斷裂，斷口起始部位均存在不同程度的沿晶斷裂特征，這與幾種材料高硬度及表面化學(xué)處理有一定關(guān)聯(lián)，并非材料缺陷。因此2#齒輪處發(fā)生破壞的軸承是本次失效的肇事件。

　　3.2失效原因分析
　　破壞軸承由內(nèi)外滾道、保持架、滾珠、上下防塵蓋構(gòu)成。根據(jù)軸承組件結(jié)構(gòu)及分析結(jié)果看，上下防塵蓋僅有密封作用，即使破壞，也僅僅是防塵蓋脫落，并不能影響滾珠的運動，因而軸承破壞與防塵蓋無關(guān)。宏觀觀察軸承內(nèi)部有黃油，未見黃油結(jié)塊硬化、結(jié)焦及明顯異物進入，且滾珠與滾道之間沒有摩擦痕跡，說明軸承潤滑良好，可排除潤滑不良引起軸承損壞的可能。內(nèi)外滾道僅有少量擠壓損傷及劃傷，無明顯變形，也不是造成軸承破壞的肇事件。軸承多個滾珠出現(xiàn)過載斷裂，而滾珠的組織正常，硬度略超上限，滾珠要想破裂，須有超過斷裂強度（GCr15斷裂強度約2155-2550MPa[5]）的應(yīng)力方可發(fā)生，若滾珠在預(yù)定的軌道運轉(zhuǎn)，不可能產(chǎn)生這么高的應(yīng)力。軸承內(nèi)滾道表面存在滾珠局部擠壓損傷和劃傷痕跡，說明滾珠存在偏離預(yù)定的運行軌道的情況，當(dāng)滾珠偏離預(yù)定軌道時，受力局部化，可導(dǎo)致局部應(yīng)力異常增高，這為滾珠的破裂提供了應(yīng)力條件。由此可知，滾珠過載破裂并非材料冶金缺陷引起，而是滾珠偏離預(yù)定軌道導(dǎo)致應(yīng)力異常所致，也就是說，滾珠偏離軌道在先，破裂在后，滾珠不是軸承破壞的肇事件。因此，軸承保持架是本次軸承失效的肇事件，破壞軸承保持架變形、脫扣，運轉(zhuǎn)不靈活軸承保持架錯位變形是保持架肇事的直接證據(jù)。

　　軸承保持架功能主要是約束滾珠的位置，使其均勻分布，并引導(dǎo)滾珠在正確的軌道上運行。本次軸承的保持架為浪式帶扣結(jié)構(gòu)，由兩個對稱的浪式結(jié)構(gòu)通過一側(cè)保持架自帶的鎖緊邊通過彎曲鎖緊的方式連接，而不是傳統(tǒng)的鉚接等連接方式，而且鎖緊開口方向一致，沒有實現(xiàn)反向互鎖，這種單側(cè)鎖緊方式不能有效鎖緊保持架。在軸承裝配過程中或工作承受沖擊載荷時，兩半保持架易于錯位，甚至脫開，其錯位或者脫開都會引起滾珠位置偏離。當(dāng)保持架錯位較小時，滾珠能夠靈活運轉(zhuǎn)，一旦個別錯位偏大，滾珠位置偏離，則保持架就會承受附加應(yīng)力，發(fā)生變形，進而加劇滾珠位置偏離，直至破壞。

　　綜上所述，本次工裝傳動系統(tǒng)失效的主要肇事件為發(fā)生破壞的2#齒輪軸承。其余零件斷裂、變形或損傷均屬二次損傷。當(dāng)單側(cè)鎖緊的浪帶式帶扣保持架在裝配或工作承受沖擊載荷時，易于錯位、變形，甚至脫扣，并引導(dǎo)滾珠偏離預(yù)定軌道，造成滾珠破裂，軸承破壞，進而導(dǎo)致系統(tǒng)運轉(zhuǎn)卡滯、斷齒失效。

　　4　結(jié)論
　　1）驅(qū)動輪和2#齒輪齒牙斷口為過載斷裂，起始區(qū)呈沿晶脆性斷裂，擴展區(qū)呈典型韌窩斷裂；

　　2）軸承滾珠斷口為點源或線源起始的過載斷裂，局部呈沿晶脆性斷裂，擴展區(qū)呈典型韌窩斷裂；

　　3）發(fā)生破壞的2#齒輪軸承是本次失效的肇事件；

　　4）軸承單側(cè)鎖緊的浪式帶扣保持架在裝配或工作過程中，受到?jīng)_擊載荷，搭扣錯位變形、脫扣，致使?jié)L珠偏離預(yù)定的運轉(zhuǎn)軌道，造成滾珠過載斷裂，引起軸承破壞，進而導(dǎo)致該工裝傳動系統(tǒng)卡滯、斷齒失效。