滚动轴承的主要失效形式和解决方案
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（材料科学与工程学院阜新123000）
【摘要】轴承是机械设备上的常用零部件,也是比较容易损坏的零件之一。按照轴承工作的摩擦性质进行分类,轴承可以分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)。而滚动轴承是最常见的一类轴承,本文主要针对滚动轴承的失效形式进行了分析并提出解决方案
【关键词】轴承内圈；游隙；保持架；摩擦表面；轴承失效；接触表面；
一、轴承失效的基本形式
轴承失效一般可分为止动失效和精度丧失两种。止动失效是轴承因失去工作能力而终止转动。如卡死、断裂等；精度丧失是指轴承因尺寸变化，失去了原设计要求的精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转，例如磨损、腐蚀等。轴承失效的影响因素很复杂，而且因各类轴承的工作条件和结构的差异，产生的失效形式和形貌特征各不相同。按其损伤机理可分为：接触疲劳失效、摩擦磨损失效、断裂失效、变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本模式[1]。
1.接触疲劳失效
轴承疲劳指由滚动体与滚道接触处产生的重复应力引起的组织变化。疲劳明显地表现为金属材料以不同的尺寸和形态从滚道或滚动体表面剥落。按照GB/T24611标准，疲劳又分为次表面起源型疲劳和表面起源型疲劳。
1.1次表面起源型疲劳
次表面起源型疲劳是指在滚动接触载荷作用下，某一深度(即次表面)开始出现显微裂纹。对于润滑充分和制造良好的轴承，剥落首先始于表面下的裂纹，并向滚动接触表面扩展，进而产生小片状剥落、片状剥落(麻点)，然后剥离。大多数学者认为，显微裂纹的出现常常是由轴承钢中的夹杂物引起，Lundberg等人假设，最大正交剪切应力导致了裂纹的产生，而这一剪切应力位于表面下某一深度处。甚至还进一步假设，疲劳裂纹形成于材料表面下的缺陷点，这些缺陷点包括微观夹物和晶格位错。微观夹杂物比较容易理解，而晶格缺陷则是指对于质量合格的产品，由于接触应力导致组织变化，从而产生微裂纹(形核)，最终由微裂纹扩展、连通并造成疲劳剥落，不过，这一过程需要的时间很长，即疲劳寿命很长［2］。
1.2表面起源型疲劳
表面起源型疲劳是由表面损伤导致的一种失效形式。表面损伤是在润滑状态恶劣且出现一定程度的滑动时，对滚动接触金属表面微凸体的损伤，这将引起微凸体显微裂纹、显微片状剥落以及显微片状剥落区;另外由于污染物颗粒、储运在滚道面上形成的压痕或塑性变形压痕也可导致表面起源型疲劳[3]。
表面起源型疲劳的典型特征是疲劳裂纹起源于零件表面并向内部扩展。对于用普通钢材生产的民用轴承，疲劳模式失效所占比例较高;但对于特种轴承，由于钢材冶炼及加工质量均较好，且大多设计安全系数较高，故疲劳模式失效的比例相对较低，大多是表面起源型疲劳。金属的早期疲劳一般起源于金属材料的冶金陷，以及表面加工缺陷、孔边、沟槽、缺口等应力集中部位。疲劳的显微特征分为疲劳源区和疲劳裂纹扩展区。疲劳源区的主要特征是可以找到由夹杂物或第二相质点引起的疲劳裂纹萌生，或呈放射状特征的疲劳源［4］。由于轴承具有较高的硬度和转速，故因裂纹形成的疲劳条纹(或辉纹)极少见到。
2.磨损失效
磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金属不断磨损而产生的失效。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失及其它相关问题。磨损可
能影响到形状变化，配合间隙增大及工作表面形貌变化，可能影响到润滑剂或使其污染达到一定程度而造成润滑功能完全丧失，因而使轴承丧失旋转精度乃至不能正常运转。磨损失效是各类轴承常见的失效模式之一，按磨损形式通常可分为最常见的磨粒磨损和粘着磨损。磨粒磨损系指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造成犁沟状的擦伤。硬质粒子或异物可能来自主机内部或来自主机系统其它相邻零件由润滑介质送进轴承内部。粘着磨损系指由于摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦面受力不均，在润滑条件严重恶化时，因局部摩擦生热，易造成摩擦面局部变形和摩擦显微焊合现象，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂而增大塑性变形。这种粘着——撕裂——粘着的循环过程构成了粘着磨损，一般而言，轻微的粘着磨损称为擦伤，严重的粘着磨损称为咬合。
图1图2滚道表面磨损与剥落组织显微照片图3磨损表面形貌
3.断裂失效
轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。当外加载荷超过材料强度极限而造成零件断裂称为过载断裂。过载原因主要是主机突发故障或安装不当。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、大块外来杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。应当指出，轴承在制造过程中，对原材料的入厂复验、锻造和热处理质量控制、加工过程控制中可通过仪器正确分析上述缺陷是否存在，今后仍必须加强控制。但一般来说，通常出现的轴承断裂失效大多数为过载失效。
4.游隙变化失效
轴承在工作过程中,受外界或内在因素变化的影响,改变了原有的配合间隙,使精度降低,甚至造成咬死的现象,称为游隙变化失效。轴承零件的金相组织(例如残留奥氏体)和应力如果均处于不稳定状态,随着时间的延长其尺寸会产生变化,使轴承丧失运转精度。由于轴承零件的尺寸与形状不同,膨胀系数或膨胀量不同,在超常温下工作就会造成轴承工作游隙变化,轴承也会因失去运转精度造成早期失效[5]。
滚动轴承在制造时有规定的游隙，这个游隙称为原始游隙；该轴承在主机上安装时，由于某个套圈有过盈配合，导致轴承游隙值减小，这一经过安装后形成的游隙被叫做安装游隙；轴承工作时产生运转，轴承零件的温度将随着运转而升高，体积发生变化，又因与轴承相配的轴或壳体温度的升高也发生伸长现象，这也会导致轴承的游隙再度发生变化，这个工作起来后产生的游隙被叫做工作游隙。工作游隙一般要小于安装游隙，有时这一游隙值亦会随着组配、安装方式的不同而增大。轴承的游隙既不能过小也不能过大，游隙过小将造成轴承在运行状态下无法建立油膜空间（热膨胀导致滚子与滚道挤压），严重时会使轴承运行在无油膜、高接触应力的工况下而提早疲劳失效。而过大的游隙，将导致承载区过小，局部提前疲劳失效，且运行精度差。轴承游隙的选择，对机械运转精度、轴承寿命、摩擦阻力、温升、振动和噪声等都有很大的影响。轴承安装前的原始游隙与在工作温度下的工作游隙一般是不同
的，为使轴向定位准确，应使工作游隙尽可能小，但小到什么程度要看具体工况[6]。
滚动轴承按其受力情况不同，可分为承受径向力作用的向心轴承和承受轴向作用的推力轴承，还有承受双向负荷的向心推力轴承。如按其滚动体的形状划分可分为球形、圆柱形、鼓形、针形和螺旋磙子、圆锥磙子轴承等。但无论是承受何种方向负荷或何种形状磙子的滚动轴承，均具有摩擦阻力小、功率消耗少、启动容易灵活的特点，因此在现代机器设备上得到了广泛的应用。虽然滚动轴承的结构形式各式各样，承受负荷方向、大小不一，工作环境和使用条件千差万别，但其损伤和失效的形式基本相同。主要有以下几种：
（1）内、外圈或滚动体出现磨损；
（2）内、外圈或滚动体有压痕；
（3）内、外圈或滚动体产生裂纹；
5.腐蚀失效
轴承零件金属表面同环境介质发生化学或电化学反应,造成的表面损伤和轴承的失效称为腐蚀失效,包括锈蚀、电蚀等。腐蚀在轴承零件表面造成氧化膜或腐蚀孔洞,使表面呈现局部或全部变色。硬脆松散的氧化膜和腐蚀反应物在载荷作用下剥落,轴承表面生成腐蚀坑造成工作表面粗化,进而形成腐蚀磨损或腐蚀疲劳磨损失效[7]。
图4失效滚动轴承的统计
二、滚动轴承失效的形成原因及对策
1.沟道单侧极限位置剥落
轴承沟道单侧极限位置剥落主要表现在沟道与挡边交界处有严重的剥落环带，其产生的原因是轴承安装不到位或运转过程中突发轴向过载。预防措施是确保轴承安装到位或将自由侧轴承外圈配合改为间隙配合，以使轴承在承受过载时使轴承得到补偿。
2.沟道在圆周方向呈对称位置剥落轴承的对称位置剥落表现在内圈为周围环带剥落，而外圈呈周向对称位置剥落（即椭圆的短轴方向），其产生的原因主要是因为外壳孔椭圆过大或两半分离式外壳孔结构。当轴承压入椭圆偏大的外壳孔中或两半分离式外壳固紧时，使轴承外圈产生椭圆，在短轴方向的游隙明显减少甚至为负游隙。轴承在载荷的作用下，内圈旋转产生周向剥落痕迹，外圈只在短轴方向的对称位置产生剥落痕迹。经对该轴承失效件检验表明，该轴承外径圆度已从原工艺控制的0.8μm变为27μm。此值远远大于径向游隙值。因此，可以肯定该轴承是在严重变形及负游隙下工作的，工作面上易早期形成异常的急剧磨损与剥落。采取的措施是提高外壳孔加工精度或尽可能不采用外壳孔两半分离结构。
3.滚道倾斜剥落
在轴承工作面上呈倾斜剥落环带，说明轴承是在倾斜状态下工作的，当倾斜角达到或超过临界状态时，易早期形成异常的急剧磨损与剥落产生的原因主要是安装不良、轴有挠度、轴颈与外壳孔精度低等，采取的措施为确保轴承安装质量与提高轴肩、孔肩的轴向跳动精度。
4.套圈断裂
套圈断裂一般比较少见，发生断裂往往是突发性过载造成的。原因比较复杂，有轴承的原材料缺陷（气泡、缩孔）、锻造缺陷（过烧）、热处理缺陷（过热）、加工缺陷（局部烧伤或表面微裂纹）、主机缺陷（安装不良、缺乏润滑、瞬时过载）等，一旦受到过载冲击负荷或剧烈振动均有可能使套圈断裂。对策为避免过载冲击载荷、选择适当的过盈量、提高安装精度、改善使用条件及加强轴承制造过程中的质量控制。
5.保持架断裂
保持架断裂属于偶发性非正常失效。产生原因主要有：保持架异常载荷；润滑不良；外来异物侵入；蠕变现象；保持架材料缺陷（如裂纹、大块异金属夹杂物、缩孔、气泡）及铆合缺陷（缺钉、垫钉或两半保持架结合面空隙，严重铆伤）等。采取的对策为在制造过程中进行严格的质量控制[1]。
6.锈蚀
锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。防止轴承防锈的措施主要是在工作过程中使用防锈润滑油，储存时根据储存的环境和期限选择防锈油，防锈前保证轴承洁净，不能有锈蚀、手汗、油污、杂质等，同时避免轴承工作环境恶化[8]。
在机械设备中，轴承是可更换的基础件，不能因为更换轴承很平常而不去追究其失效的原因。特别是在汽车、火车、飞机等交通运输和发动机制造等行业中，轴承的使用寿命很重要。预防轴承失效主要是指预防早期失效。预防轴承失效的主要途径有：
(1)采取一切手段，提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加工工艺的改革，原
材料的精选和精炼，高效高洁度的润滑以及精细的装配和安装等。
(2)加强轴承产品的质量检测和监督，确保轴承产品各项指标达到设计要求。在轴承投入运转前，严格的质量检测和监督是预防轴承早期失效的积极措施。
(3)加强对轴承运行状态的诊断和预测，及早发现异常、缺陷和意外损坏，采取措施防止突发性失效事故可能造成的损失。轴承的诊断和预测的特点是不需停机或拆卸零部件，直接对运行中的轴承工作情况实施技术监控，以便发现问题及时处理。熟练工人经常采
用的耳听(振动噪声)、手摸(温度)，铁路车检工人采用的锤击和手摸等方法，在缺少检测仪器的情况下，都是简单而有效的人工监控方法。现代轴承诊断和预测技术，是与精密的测试系统和检测手段联系在一起的。目前应用较成熟的检测方法有：
(1)轴承脉冲测振装置。轴承磨损(或疲劳剥落)后，产生振动，接收器将机械脉冲信号转换为电信号并放大。当信号超出正常范围时，立即报警，轴承停止使用。
(2)轴承温度报警装置。轴承润滑不良、表面磨损或疲劳都会使表面发热，当发热达到一定的极限温度时，即行报警，轴承停止运行。
(3)定期检测运行中轴承的状态，发现或监控已有缺陷及发展趋势。例如采用德国GeartebauBrieselang公司生产的WDG便携式滚动轴承诊断仪就适用于定期检测。
(4)铁粉记录诊断法。将运行中的轴承润滑剂进行抽样，用铁谱仪检测其中的金属磨粒(或粉末)的数量、尺寸及其形状特征，可分析出疲劳与磨损的程度，发现轴承失效的征兆。
近年来，国外不断推出新的轴承诊断装置，使轴承检测技术在原有基础上不断更新，在原理和使用方式上都有新的发展。对滚动轴承而言，不论采用何种方法、原理或仪器设备，最重要的在于尽早发现极限状态和估计剩余寿命，达到预防轴承早期失效，避免造成设备损失，这是设备管理者的目的。
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