推杆滚珠丝杆副垫珠损伤的机理分析

2020-06-15李平原

设备管理与维修 2020年11期

李平原

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

秦山核电70 万生产单元是引进加拿大的重水堆，称为CANDU 型重水堆。这种反应堆使用重水作为慢化剂和冷却剂，特点是不停堆换料，装卸料机推杆是完成换料的关键设备[1]。推杆组件主要包括B 杆、L 杆和C 杆。B 杆和L 杆的液压马达将运动传递给减速齿轮箱，经减速齿轮箱传递给滚珠丝杆副，将旋转运动变为直线运动，从而驱动B 杆和L 杆相互配合完成换料任务（图1）。这就要求滚珠螺母丝杆副具有较高的定位精度和良好的动态响应。

图1 装卸料机推杆驱动原理

2 号推杆解体检修时发现一个滚珠丝杆副内垫珠损伤过半且部分被挤成哑铃形。若垫珠磨损消失，会导致钢珠直接接触、磨损，发生传动故障，甚至造成推杆功能失效，影响正常换料甚至导致反应堆停堆。因此需要分析垫珠损伤机理及对设备可靠性的影响。

1 推杆滚珠丝杆副运行原理

滚珠丝杆组件主要由丝杆、滚珠螺母、滚珠（包括钢珠和垫珠）、挡块及返回管组成，如图2 所示。丝杆滚道与螺母滚道内的钢珠作为运动以及动力的传动载体，靠挡块从滚珠螺母滚道进入返回管，通过返回管使钢珠完成在闭合回路中的循环运动，把丝杆的旋转运动转换为直线运动。为避免两钢珠直接接触、磨损，在钢珠间设计增加了一个塑料垫珠。

2 滚珠丝杆副检修历史

图2 推杆滚珠丝杆副机械结构

2 号推杆上次检修完成、试验合格，于2017 年8 月服役，服役期间各项参数正常，未出现额外超载操作，更换825 个通道后，于2018 年9 月退役。2 号推杆最近几次检修历史:2013 年11 月，推杆检修时，发现B 上和B 下滚珠螺母滚道异常磨损，更换新备件。2014 年12 月，2016 年12 月，推杆检修时，根据维修规程要求，检查B 上和B 下滚珠螺母滚道状态、导程差均满足要求，未做更换。各次检修过程测得导程差见表1，其中，导程差是滚珠螺母对丝杆轴向窜动量，取丝杆前端1 m、中间、距离后端1 m 处测量。

表1 滚珠螺母历史检修导程差测量记录

3 滚珠丝杆副垫珠损伤原因分析及处理

丝杆和滚珠螺母材料均为17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢（硬度范围HRC40～47），钢珠材料为钴基合金（硬度范围HRC56～63），垫珠材料是工程塑料化合物（材料TORLON）。钢珠直径6.35 mm，垫珠直径6.30 mm，因此在运动中钢珠与螺母、丝杆滚道之间接触，垫珠在两个钢珠之间滚动。若垫珠产生磨损，对滚珠螺母组件的运动及导程差不会产生影响。本次磨损量稍微偏大，但仍属正常，不影响垫珠的功能及推杆整体性能。

3.1 回流管、挡块磨损

现场检查回流管下方与滚珠螺母接触的部分，没有发现磨损痕迹，也没有台阶，说明滚珠在回流管与滚珠螺母之间滚动时较为顺畅，未发生异常碰撞。

根据维修规程检查原B 上（丝杆副）挡块，未发现磨痕宽度超过1.02 mm 和深度超过0.10 mm 等异常；抛光、研磨后测量尺寸均符合尺寸要求，现场检查滚珠螺母与挡块接触处未见明显磨损，说明滚珠在挡块与滚珠螺母之间切换时没有问题。

3.2 滚珠螺母的磨损

滚珠丝杠副在设计工况下，接触角在45°位置。实际上，更换下的滚珠螺母滚道表面损伤最严重处并非45°处，而是在20°～30°处。接触角位置改变，滚道倒角消失以及滚道边缘高的凸起（翻边），表明滚珠螺母滚道表面在受到滚珠接触压应力的长期不断反复作用下，造成表面严重形变和损伤。但由于该区域深度和范围较小，未发现裂纹、凹坑等表面损伤缺陷。

利用金相显微镜和扫描电镜对滚道截面进行微观分析，如图3 所示。滚道受力面不仅倒角已经消失，而且已产生明显的凸起（位置1），该凸起高出表面130 μm，凸起内存在明显的金属形变产生的流线。位置2 发现裂纹，裂纹起源于表面，与表面约呈20°，长约140 μm，深约30 μm，经侵蚀后表面发黑，这是表面经挤压变形后耐蚀性降低的表现。

放大4000 倍观察表明，该黑色区域为金属形变流线，裂纹走向与流线方向平行，且存在明显蚀坑。在位置3 处，也发现有表面金属挤压流变痕迹，但该区域深度和范围较小，未发现裂纹、凹坑等表面损伤缺陷。