滾動(dòng)軸承的失效分析及防治方法，干貨
滾動(dòng)軸承的失效分析及防治方法，干貨
- 2021/1/18 9:13:05
滾動(dòng)軸承是運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械不可缺少的基礎(chǔ)部件之一。雖然滾動(dòng)軸承體積小成本低，可是一旦滾動(dòng)軸承失效，給運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械乃至整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備帶來的損失卻是巨大的。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，企業(yè)對滾動(dòng)軸承質(zhì)量的要求越來越高。特別是自動(dòng)化、連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)，對滾動(dòng)軸承的可靠性的要求十分嚴(yán)苛，因此如何提高滾動(dòng)軸承的可靠性已經(jīng)成為滾動(dòng)軸承生產(chǎn)廠家及使用客戶急需解決的主要問題之一。
滾動(dòng)軸承的可靠性與滾動(dòng)軸承的失效形式有著密切的關(guān)系，要提高軸承的可靠性，就必須從軸承的失效形式著手，仔細(xì)分析滾動(dòng)軸承的失效原因，才能找出解決失效的具體措施。
一.軸承的失效機(jī)理
1.接觸疲勞失效
接觸疲勞失效系指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的材料疲勞失效。
接觸疲勞失效常見的形式是接觸疲勞剝落。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承工作表面，往往伴隨著疲勞裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀，如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴(kuò)大，會(huì)慢慢向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。
2.磨損失效
磨損失效系指表面之間的相對滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效。
持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞，并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其它問題。磨損失效是各類軸承常見的失效模式之一，按磨損形式通?？煞譃槟チＤp和粘著磨損。
磨粒磨損是指軸承工作表面之間擠入外來堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對移動(dòng)而引起的磨損，常在軸承工作表面造成犁溝狀的擦傷。
粘著磨損是指由于摩擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均，在潤滑條件嚴(yán)重惡化時(shí)，因局部摩擦生熱，易造成摩擦面局部變形和摩擦顯微焊合現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂而增大塑性變形。
3.斷裂失效
軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過載兩大因素。當(dāng)外加載荷超過材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過載斷裂。過載原因主要是主機(jī)突發(fā)故障或安裝不當(dāng)。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來雜物、過熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過載或劇烈振動(dòng)時(shí)也會(huì)在缺陷處引起斷裂，稱為缺陷斷裂。
應(yīng)當(dāng)指出，軸承在制造過程中，對原材料的入廠復(fù)驗(yàn)、鍛造和熱處理質(zhì)量控制、加工過程控制中可通過儀器正確分析上述缺陷是否存在。但一般來說，通常出現(xiàn)的軸承斷裂失效大多數(shù)為過載失效。
4.腐蝕失效
有些滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中不可避免的接觸到水、水汽以及腐蝕性介質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)引起滾動(dòng)軸承的生銹和腐蝕。另外滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還會(huì)受到微電流和靜電的作用，造成滾動(dòng)軸承的電流腐蝕。
滾動(dòng)軸承的生銹和腐蝕會(huì)造成套圈、滾動(dòng)體表面的坑狀銹、梨皮狀銹及滾動(dòng)體間隔相同的坑狀銹、全面生銹及腐蝕。最終引起滾動(dòng)軸承的失效。
5.游隙變化失效
滾動(dòng)軸承在工作中，由于外在或內(nèi)在因素的影響，使得原有配合間隙改變，精度降低，乃至造成“咬死"，稱為游隙變化失效。外界因素如過盈量過大，安裝不到位，溫升引起的膨脹量、瞬時(shí)過載等；內(nèi)在因素如殘余奧氏體和殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)等，均是造成游隙變化失效的主要原因。
二、滾動(dòng)軸承常見失效模式及對策
1. 溝道單側(cè)極限位置剝落
溝道單側(cè)極限位置剝落主要表現(xiàn)在溝道與擋邊交界處有嚴(yán)重的剝落環(huán)帶。產(chǎn)生原因是軸承安裝不到位或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突發(fā)軸向過載。
采取的對策是確保軸承安裝到位或?qū)⒆杂蓚?cè)軸承外圈配合改為間隙配合，以期軸承過載時(shí)使軸承得到補(bǔ)償。如果無法確保安裝到位，可以提高潤滑劑的油膜厚度(提高潤滑油的粘度)，或減低軸承的負(fù)載等方法來減少軸承的直接接觸。
2. 溝道在圓周方向呈對稱位置剝落
對稱位置剝落表現(xiàn)在內(nèi)圈為周圍環(huán)帶剝落，而外圈呈周向?qū)ΨQ位置剝落(即橢圓的短軸方向)，原因主要是因?yàn)橥鈿た讬E圓過大或兩半分離式外殼孔結(jié)構(gòu)，這在摩托車用凸輪軸軸承中表現(xiàn)尤為明顯。當(dāng)軸承壓入橢圓偏大的外殼孔中或兩半分離式外殼固緊時(shí)，軸承外圈產(chǎn)生橢圓，在短軸方向的游隙明顯減少甚至負(fù)游隙。軸承在載荷的作用下，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周向剝落痕跡，外圈只在短軸方向的對稱位置產(chǎn)生剝落痕跡。這是該軸承早期失效的主要原因，經(jīng)對該軸承失效件檢驗(yàn)表明，該軸承外徑圓度已從原工藝控制的0.8um變?yōu)?7um。此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向游隙值。因此，可以肯定該軸承是在嚴(yán)重變形及負(fù)游隙下工作的，工作面上易早期形成異常的急劇磨損與剝落。
采取的對策是提高外殼孔加工精度或盡可能不采用外殼孔兩半分離結(jié)構(gòu)。
3. 滾道傾斜剝落
在軸承工作面上呈傾斜剝落環(huán)帶，說明軸承是在傾斜狀態(tài)下工作的，當(dāng)傾斜角達(dá)到或超過臨界狀態(tài)時(shí)易早期形成異常的急劇磨損與剝落。產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)榘惭b不良，軸有撓度、軸頸與外殼孔精度低等。
采取對策為確保軸承安裝質(zhì)量與提高軸肩、孔肩的軸向跳動(dòng)精度，或提高潤滑油的粘度以獲得較厚的潤滑油膜。
4．套圈斷裂
套圈斷裂失效比較少見，通常是突發(fā)性過載造成的。產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，如軸承的原材料缺陷(氣泡縮孔)、鍛造缺陷(過燒)、熱處理缺陷(過熱)、加工缺陷(局部燒傷或表面微裂紋)、主機(jī)缺陷(安裝不良、潤滑貧乏、瞬時(shí)過載)等。受過載沖擊負(fù)荷或劇烈振動(dòng)均有可能使套圈斷裂。
采取的對策是避免過載沖擊載荷、選擇適當(dāng)?shù)倪^盈量、提高安裝精度、改善使用條件及加強(qiáng)軸承制造過程中的質(zhì)量控制。
5. 保持架斷裂
保持架斷裂屬于偶發(fā)性非正常失效模式。其產(chǎn)生原因主要有以下五個(gè)方面：
a.保持架異常載荷。如安裝不到位、傾斜、過盈量過大等易造成游隙減少，加劇摩擦生熱，表面軟化，過早出現(xiàn)異常剝落。隨著剝落的擴(kuò)展，剝落異物進(jìn)入保持架兜孔中，導(dǎo)致保持架運(yùn)轉(zhuǎn)阻滯并產(chǎn)生附加載荷，加劇了保持架的磨損，如此惡化的循環(huán)作用，便可能造成保持架斷裂。
b. 潤滑不良主要指軸承運(yùn)轉(zhuǎn)處于貧油狀態(tài)，易形成粘著磨損，使工作表面狀態(tài)惡化，粘著磨損產(chǎn)生的撕裂物易進(jìn)入保持架，使保持架產(chǎn)生異常載荷，有可能造成保持架斷裂。
c.外來異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見模式。由于外來硬質(zhì)異物的侵入，加劇了保持架的磨損與產(chǎn)生異常附加載荷，也有可能導(dǎo)致保持架斷裂。
d. 蠕變現(xiàn)象也是造成保持架斷裂的原因之一。所謂蠕變多指套圈的滑動(dòng)現(xiàn)象，在配合面過盈量不足的情況下，由于滑動(dòng)而使載荷點(diǎn)向周圍方向移動(dòng)，產(chǎn)生套圈相對軸或外殼向圓周方向位置偏離的現(xiàn)象。蠕變一旦產(chǎn)生，配合面顯著磨損，磨損粉末有可能進(jìn)入軸承內(nèi)部，形成異常磨損--滾道剝落-保持架磨損及附加載荷的過程，以至可能造成保持架斷裂。
e. 保持架材料缺陷(如裂紋、大塊異金屬夾雜物、縮孔、氣泡)及鉚合缺陷(缺釘、墊釘或兩半保持架結(jié)合面空隙，嚴(yán)重鉚傷)等均可能造成保持架斷裂。
采取對策為在制造過程中加以嚴(yán)格控制。
6. 卡傷
所謂卡傷是由于在滑動(dòng)面損傷產(chǎn)生的部分的微小燒傷匯總而產(chǎn)生的表面損傷。滑道面、滾動(dòng)面圓周方句的線狀傷痕。滾子端面的擺線狀傷痕，靠近滾子端面的軸環(huán)面的卡傷。造成卡傷的主要原因有：過大載荷，過大預(yù)壓，潤滑不良，異物咬入，內(nèi)圈外圈的傾斜，軸的撓度、軸、軸承箱的精度不良等。
可以通過適當(dāng)?shù)念A(yù)壓，改善潤滑劑和潤滑方法，提高軸、軸承箱的精度來解決。
7. 磨損
磨損失效是指表面之間的相對滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效。造成磨損失效的因素主要有潤滑劑失效或缺乏潤滑劑，潤滑方式不對，有磨粒進(jìn)入軸承內(nèi)部，負(fù)載過大等。解決方法可以通過改善潤滑劑或改善潤滑方法，增強(qiáng)密封機(jī)構(gòu)等。
8．擦傷
所謂擦傷，是在滾道面和滾動(dòng)面上，有隨著滾動(dòng)的打滑和油膜熱裂產(chǎn)生的微小燒傷的匯總而發(fā)生的表面損傷。產(chǎn)生帶有粘著的粗糙表面。造成擦傷的原因主要有高速輕載荷、急加減速、潤滑劑不適當(dāng)、水的侵入等。
解決方法：改善預(yù)壓，改善軸承游隙，使用油膜性好的潤滑劑，改善潤滑方法，改善密封裝置等。
9. 壓痕
咬入了金屬小粉末或異物的時(shí)候，在滾道面或轉(zhuǎn)動(dòng)面上產(chǎn)生的凹痕或由于安裝時(shí)受到?jīng)_擊，在滾動(dòng)體的間距間隔上形成了凹面(布氏硬度壓痕)。引起壓痕的主要因素是：金屬粉末等異物咬入，組裝時(shí)或運(yùn)輸過程中受到的沖擊載荷過大等。
解決方法：改善密封裝置，過濾潤滑油，改善組裝及使用方法等。
10. 燒傷
滾道、滾動(dòng)體以及保持架在旋轉(zhuǎn)中急劇發(fā)熱直至變色、軟化、熔敷和破損。造成燒傷的原因有潤滑不良，過大載荷(預(yù)壓過大)，轉(zhuǎn)速過大，游隙過小，水、異物的侵入，軸、軸承箱的精度不良，軸的撓度大等。
可以通過改善潤滑劑及潤滑方法，糾正軸承的選擇，研究配合、軸承間隙和預(yù)壓，改善密封裝置，檢查軸和軸承箱的精度或改善安裝方法來解決。
11. 電流腐蝕
所謂電蝕是指電流在旋轉(zhuǎn)中的軸承套圈和滾動(dòng)體的接觸部分流動(dòng)時(shí)，通過薄薄的潤滑油膜發(fā)出火花，其表面出現(xiàn)局部的熔化和凹凸現(xiàn)象。引起電流腐蝕的主要原因是外圈與內(nèi)圈間的電位差以及靜電的作用。
解決方法：在設(shè)定電路時(shí)，電流不通過軸承，對軸承進(jìn)行絕緣，靜電接地。
12.生銹腐蝕
軸承的生銹和腐蝕有滾道、滾動(dòng)體表面的坑狀銹、全面生銹及腐蝕。軸承的生銹和腐蝕會(huì)造成套圈、滾動(dòng)體表面的坑狀銹，梨皮狀銹及滾動(dòng)體間隔相同的坑狀銹、全面生銹及腐蝕。造成滾動(dòng)軸承生銹腐蝕失效的原因很多，主要有：水、腐蝕性物質(zhì)(漆、煤氣等)的侵入，潤滑劑不合適，由于水蒸氣的凝結(jié)而附有水滴，高溫多濕時(shí)停轉(zhuǎn)，運(yùn)輸過程中防銹不良，保管狀態(tài)不合適，使用不合適等。
解決的方法有：改善密封裝置，研究潤滑方法，停轉(zhuǎn)時(shí)的防銹措施，改善保管方法，使用時(shí)要加以注意。
除上述常見的失效形式外，滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行中還有很多的失效形式，有待我們進(jìn)一步的分析研究。綜上所述，從軸承常見失效機(jī)理與失效模式可知，盡管滾動(dòng)軸承是精密而可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體，但使用不當(dāng)也會(huì)引起早期失效。
一般情況下，如果能正確使用軸承，可使用至疲勞壽命為止。軸承的早期失效多起于主機(jī)配合部位的制造精度、安裝質(zhì)量、使用條件、潤滑效果、外部異物侵入、熱影響及主機(jī)突發(fā)故障等方面的因素。
因此，正確合理地使用軸承是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)過程中，針對產(chǎn)生早期失效的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，可有效地提高軸承及主機(jī)的使用壽命。