某330 kV变电站断路器液压机构轴承失效分析

张 丽，蒋 菲，武 鑫

(1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

目前220 kV及以上电压等级的断路器主要采用弹簧机构、液压机构或液压弹簧机构[1-4]，液压机构具有动作快、反应灵敏、输出功率大、维护工作量少、操作噪声小、可靠性高、出力特性和断路器负载特性匹配好等特点[5-8]。轴承将运转的液压机构的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失。轴承可以支承转动的轴及轴上零件，并保持轴的正常工作位置和旋转精度，且使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高，已经被广泛应用于一般机械设备。但在使用中，受到滚动体载荷分布不均匀，冲击力大等因素影响，轴承出现磨损、刮伤、噪声甚至断裂的情况也较常见。

以西北地区某330 kV变电站断路器液压机构轴承事件为例，通过外观检查、材质分析、金相检验及扫描电镜微观形貌及能谱分析等试验手段，分析查找轴承破碎的真实原因，为全面开展同类问题的排查处理提供科学依据。

1 事件概述

2020年6月10日，某供电公司发现330 kV变电站断路器液压机构轴承断裂，链接轴销表面有多处划伤痕迹。采用宏观检查、材质分析、金相检验、扫描电镜微观形貌及能谱分析等试验手段开展了失效机理分析。

该断路器为河南平高电气股份有限公司生产，配CYT型液压操动机构，2013年08月08日生产，2013年09月18日投入运行。

2 检验分析

2.1 宏观检查

对轴承进行编号，外观较为完整的编为#1轴承，外观破损较为严重的编为#2轴承(如图1、2)。由#1轴承内圈钢印(LYC)可知(如图3)，该轴承生产厂家为洛阳轴承厂，产品型号为42208H(现型号改为NJ208M)。经过宏观检查发现#1轴承靠近与拐臂相连侧发生损伤，#2轴承整体破损严重(如图4、5、8)，轴承内圈外圈破损为许多碎片(如图6、7)，由于碎片缺失未能将其完整拼接。链接轴销表面有多处划伤痕迹，长度为10～15 mm，最大划伤深度为1.8 mm(如图9)。

图1 #1、#2轴承所在位置 图2 #1轴承内表面

图3 #1轴承内圈外表面 图4 #1轴承内圈内表面

图5 #2轴承外圈内表面 图6 #2保持架及部分滚柱

图7 #2轴承碎片 图8 #2轴承部分滚柱

2.2 材质成分检测检验

对样品进行光谱材质成分检测，轴承内圈及外圈用大型直读光谱仪进行检测，滚柱和轴销由于尺寸原因使用便携式光谱仪进行检测，检测数据详见表1，标准规定分析要求见表2、3。

图9 链接轴销

根据平高集团有限公司提供资料显示，轴承材料牌号为GCr15，轴销材料牌号为20CrMnMo。依据GB/T 18254《高碳铬轴承钢》牌号GCr15轴承钢成分规定与试验结果进行对照，发现#1轴承内圈碳含量超过GCr15上限0.2%，铬含量最低的#2轴承滚柱低于标准下限0.12%，随着碳含量的增加,材料的屈服点和抗拉强度将会增加，但降低了可塑性，铬在低合金钢中主要提高钢的淬透性及强度和硬度，同时会降低伸长率和断面收缩率。轴销的牌号为20CrMnMo，经过检测，轴销的化学成分符合标准要求。

表1 样品元素含量(质量分数/%)

表2 GB/T 18254《高碳铬轴承钢》标准中规定的成分要求

表3 GB/T 3077《合金结构钢》标准中规定的成分要求

2.3 材料硬度检测

分别对2个轴承的外圈、内圈及滚柱进行了硬度检测，检测数据详见表4。参照JB/T 1255-2014 《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》中对GCr15的硬度要求，检测发现所检部件均满足标准要求。

对轴销周向进行了硬度检测，检测数据详见表4。由于平高集团有限公司未能提供轴销热处理方面的具体供货技术条件，经查询工程机械公司质量技术部关于轴销材质热处理等方面的设计规范要求，对于直径小于Φ50的轴销，整体淬火后硬度要求为45～50 HRC。样品检测结果显示轴销的硬度在45 HRC以上，轴销周向硬度值符合一般供货条件。

表4 洛氏硬度检测值 /HRC

2.4 金相检验

分别对#1轴承外圈、#2轴承外圈、#2轴承内圈，#1轴承滚柱、#2轴承滚柱进行金相检查。从金相图可见#1轴承外圈、#2轴承外圈、#2轴承内圈组织均为回火马氏体组织，#1轴承外圈、#2轴承内圈组织评级为1级，#2轴承外圈组织评级为2级(如图10、11、12)。#1轴承滚柱、#2轴承滚柱为淬回火屈氏体组织，组织评级为1级(如图13、14)。金相组织评级满足JB/T 1255-2014 《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》中对GCr15 的显微组织评级要求。

图10 #1轴承外圈 500倍 图11 #2轴承外圈 500倍

图12 #2轴承内圈 500倍 图13 #1轴承滚柱 500倍

2.5 扫描电镜和能谱检查

抽取一块#2轴承碎片进行扫描电镜检查。在200倍下能明显的看到放射形及人字形山脊状花纹(如图15、16)，在10 000倍下发现其断裂面均是韧窝(如图17)，说明该轴承属于韧性断裂。对样品进行能谱线扫描，结果显示该轴承主要化学元素有Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo(如图18)，符合之前对该轴承的光谱分析结果。

图14 #2轴承滚柱500倍 图15 扫描电镜200倍照片

图16 扫描电镜500倍照片 图17 扫描电镜1万倍照片

图18 能谱合金图

3 结 论

(1) 经过对轴承的检测发现其化学成分与标准规定值存在一定偏差，但硬度、金相组织均符合标准要求。

(2) 经对断裂轴承残骸部分断口进行宏观及微观检测，未发现有疲劳及其它损伤断裂迹象，造成材料断裂的主要原因是过载。

(3) 通过对宏观形貌观察，发现两个轴承均在一侧方向发生严重损伤，说明该轴承失效前承受较大的轴向力，此类型滚柱轴承径向承载能力较强，但承受轴向载荷及弯曲载荷的能力很弱，由破损方向判断轴承及运动机构有可能存在装配问题，造成轴承在使用过程中承受过大的轴向力或扭转弯矩，使轴承局部过载破损造成卡涩，最终使得整个轴承完全破坏。通过此次分析实验对实际设计、生产、运行、检修提出了合理实用的意见与建议，采取改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命内再次发生，对设备管理提供了有力的技术支撑。