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(lái)的損失卻是巨大的。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，企業(yè)對(duì)滾動(dòng)軸承質(zhì)量的要求越來(lái)越高。特別是自動(dòng)化、連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)，對(duì)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(wèn)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(jiàn)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(duì)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(wèn)題。磨損失效是各類軸承常見(jiàn)的失效模式之一，按磨損形式通常可分為磨粒磨損和粘著磨損。
磨粒磨損是指軸承工作表面之間擠入外來(lái)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(duì)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(rùn)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(guò)載兩大因素。當(dāng)外加載荷超過(guò)材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過(guò)載斷裂。過(guò)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(lái)雜物、過(guò)熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過(guò)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(guò)程中，對(duì)原材料的入廠復(fù)驗(yàn)、鍛造和熱處理質(zhì)量控制、加工過(guò)程控制中可通過(guò)儀器正確分析上述缺陷是否存在。但一般來(lái)說(shuō)，通常出現(xiàn)的軸承斷裂失效大多數(shù)為過(guò)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(guò)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(guò)盈量過(guò)大，安裝不到位，溫升引起的膨脹量、瞬時(shí)過(guò)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(jiàn)失效模式及對(duì)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(guò)程中突發(fā)軸向過(guò)載。
采取的對(duì)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(guò)載時(shí)使軸承得到補(bǔ)償。如果無(wú)法確保安裝到位，可以提高潤(rùn)滑劑的油膜厚度(提高潤(rùn)滑油的粘度)，或減低軸承的負(fù)載等方法來(lái)減少軸承的直接接觸。
2. 溝道在圓周方向呈對(duì)稱位置剝落
對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)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(guò)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(duì)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(rùn)滑油的粘度以獲得較厚的潤(rùn)滑油膜。
4．套圈斷裂
套圈斷裂失效比較少見(jiàn)，通常是突發(fā)性過(guò)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(guò)燒)、熱處理缺陷(過(guò)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(rùn)滑貧乏、瞬時(shí)過(guò)載)等。受過(guò)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(duì)策是避免過(guò)載沖擊載荷、選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量、提高安裝精度、改善使用條件及加強(qiáng)軸承制造過(guò)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(guò)盈量過(guò)大等易造成游隙減少，加劇摩擦生熱，表面軟化，過(guò)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(rùn)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(lái)異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見(jiàn)模式。由于外來(lái)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)策為在制造過(guò)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?；烂?、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(guò)大載荷，過(guò)大預(yù)壓，潤(rùn)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(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)壓，改善潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法，提高軸、軸承箱的精度來(lái)解決。
7. 磨損
磨損失效是指表面之間的相對(duì)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(rùn)滑劑失效或缺乏潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑方式不對(duì)，有磨粒進(jìn)入軸承內(nèi)部，負(fù)載過(guò)大等。解決方法可以通過(guò)改善潤(rùn)滑劑或改善潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑，改善潤(rùn)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(guò)程中受到的沖擊載荷過(guò)大等。
解決方法：改善密封裝置，過(guò)濾潤(rùn)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(rùn)滑不良，過(guò)大載荷(預(yù)壓過(guò)大)，轉(zhuǎn)速過(guò)大，游隙過(guò)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(guò)改善潤(rùn)滑劑及潤(rùn)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(lái)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(guò)薄薄的潤(rùn)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(guò)軸承，對(duì)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(rùn)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(guò)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(rùn)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(jiàn)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(jiàn)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(rùn)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(guò)程中，針對(duì)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。