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軸承在設(shè)備中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，軸承壽命極其關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障中軸承的損壞故障約占30%，而這些根源很簡(jiǎn)單，例如貨物列車脫軌事故，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)軸箱中的一個(gè)軸承過(guò)熱(如圖1)，導(dǎo)致車軸斷裂，造成車廂傾覆、交通中斷數(shù)小時(shí)，事故損失巨大。

圖1 軸箱軸承

軸承故障損傷根源分析：

軸承是大部分設(shè)備的核心部件，一旦軸承失效，設(shè)備就會(huì)停止，找到根源以避免事故再次發(fā)生就顯得尤為重要。實(shí)際上，軸承一旦受損，它就會(huì)逐漸惡化直到無(wú)法工作，那時(shí)故障發(fā)生的所有證據(jù)可能都被破壞了。

如圖2 揭示了損傷從小到大的整個(gè)過(guò)程，外部顆粒(污染物)進(jìn)入軸承，運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生凹痕(污染物被壓入滾道)。凹痕邊緣會(huì)升高，所以凹痕看起來(lái)像個(gè)坑。滾道局部幾何形狀發(fā)生改變，使得這個(gè)區(qū)域無(wú)法形成良好油膜把接觸表面分離開(kāi)來(lái)，結(jié)果造成材料疲勞。最初是表面出現(xiàn)裂縫，最后是受損區(qū)域剝落，隨著繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，剝落不斷加劇。到后來(lái)，受損區(qū)域變得如此之大，最初的受損點(diǎn)(即凹痕)完全消失。此時(shí)對(duì)受損軸承進(jìn)行檢查，已很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源:即可能由于密封不好致使污染物進(jìn)入軸承。

圖2 軸承損傷的發(fā)展

每種故障都有其特有的特性，通過(guò)觀察損傷狀況有可能確定故障根源。下面相關(guān)軸承損傷類型和軸承損傷的根源

1、磨損

磨損是滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障之一，通常是由異物引起研磨損傷、擦傷、槽痕、圓周線痕或碎屑污染，分磨耗磨損和粘滯磨損兩大類。

磨耗磨損是由于軸承內(nèi)部有微小異物，它們可能是來(lái)自外部或內(nèi)部的污染顆粒，比如齒輪帶來(lái)的金屬微粒或碳化物。這些顆粒將磨損或研磨滾道和滾動(dòng)體，在圓錐滾子軸承中，滾子端面和內(nèi)圈擋邊的磨損程度遠(yuǎn)比滾道嚴(yán)重，這種磨損將造成軸向游隙或內(nèi)部間隙擴(kuò)大，進(jìn)而降低軸承壽命，導(dǎo)致軸承偏心。此外，磨損也會(huì)影響軸承所在機(jī)器的其他零件。污染物能進(jìn)入軸承內(nèi)部，通常是密封圈嚴(yán)重磨損或失效(或沒(méi)有)。潤(rùn)滑劑分析可能會(huì)發(fā)現(xiàn)污染物的來(lái)源，從而有助于找到解決問(wèn)題的方法。

粘滯磨損主要發(fā)生在輕負(fù)荷、潤(rùn)滑不良、滾動(dòng)體速度差較大從而產(chǎn)生滑動(dòng)的接觸表面。例如，滾動(dòng)體從無(wú)載區(qū)進(jìn)入承載區(qū)的過(guò)程，滾動(dòng)體在無(wú)載區(qū)失速，當(dāng)重新進(jìn)入承載區(qū)時(shí)獲得加速。這將導(dǎo)致潤(rùn)滑膜撕破、滑動(dòng)、發(fā)熱，導(dǎo)致材料可能從滾動(dòng)體轉(zhuǎn)移到滾道或從滾道轉(zhuǎn)移到滾動(dòng)體上。早期階段，外觀是發(fā)光表面，但很快它就變成無(wú)光表面，或多或少帶有粘上的材料。

2、疲勞

疲勞的表現(xiàn)形式是剝落，即軸承材料出現(xiàn)麻點(diǎn)或脫落，剝落最初發(fā)生在滾道或滾動(dòng)體上。

來(lái)自滾道表面下的疲勞是材料惡化，是由滾道表面下方的交變應(yīng)力引起，最終導(dǎo)致材料衰變。最初是出現(xiàn)裂縫，裂縫隨軸承工作慢慢發(fā)展，當(dāng)裂縫發(fā)展到表面時(shí)，就發(fā)生剝落。

來(lái)自表面的疲勞通常由潤(rùn)滑不足引起。潤(rùn)滑劑的作用是建立油膜，把滾道與滾動(dòng)體分隔開(kāi)來(lái)。當(dāng)潤(rùn)滑不良時(shí)，會(huì)發(fā)生金屬與金屬的接觸。表面凸凹不平(突出部分)相互剪切，導(dǎo)致表面出現(xiàn)剪切應(yīng)力。由于材料疲勞，出現(xiàn)小裂縫，然后是微剝落。最初由于表面粗糙度降低了，所以表面可能很明亮光滑，但是如果持續(xù)發(fā)展下去，表面就會(huì)變得無(wú)光，表面破碎會(huì)越來(lái)越多，出現(xiàn)麻點(diǎn)。

3、機(jī)械腐蝕

浸蝕通常是由于軸承座內(nèi)溫度變化，內(nèi)部空氣冷凝，水份不斷積聚而成。而濕氣或水時(shí)常從破損或不適當(dāng)?shù)拿芊馊M(jìn)入軸承，由于軸承滾道和滾動(dòng)體表面精度極高，極易受到濕氣與水的腐蝕。相比其它損壞過(guò)程，發(fā)生得較快，能發(fā)展到材料深處導(dǎo)致軸承嚴(yán)重?fù)p傷。空氣濕度過(guò)高或用手指觸摸滾道，都能導(dǎo)致這種類型的腐蝕。因此做好防護(hù)非常重要。潮濕腐蝕通常發(fā)生在靜止?fàn)顟B(tài)，處于深處的銹會(huì)導(dǎo)致軸承早期損壞。

摩擦腐蝕的根源是兩個(gè)承載面之間的微移動(dòng)。大多數(shù)情況下，這種摩擦腐蝕發(fā)生在軸承外徑和軸承座之間和軸承孔和軸之間，微移動(dòng)主要由滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)負(fù)荷引起。配合不好、軸彎曲或接觸面有缺陷，都能導(dǎo)致或加速摩擦腐蝕的發(fā)生。空氣能進(jìn)入沒(méi)有保護(hù)的表面，加速腐蝕的發(fā)展。形成的氧化鐵，體積要比純鋼大得多，造成材料變大，應(yīng)力升高，甚至對(duì)軸承滾道也是這樣，從而導(dǎo)致過(guò)早性的表面下疲勞。摩擦腐蝕容易造成軸承圈開(kāi)裂。

假硬化也是一種摩擦腐蝕，發(fā)生在滾動(dòng)體和滾道間的接觸區(qū)域，是循環(huán)振動(dòng)引起的塑性接觸面微移動(dòng)和回彈所致。由于它是發(fā)生在軸承靜止和承載時(shí)，所以損傷出現(xiàn)在滾動(dòng)體節(jié)圓處。根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)度、潤(rùn)滑條件和負(fù)荷，腐蝕和磨損可能同時(shí)發(fā)生，在滾道上形成淺凹陷。通常，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的局部缺失、金屬與金屬接觸和磨耗磨損。凹陷處外觀通常變得無(wú)光，經(jīng)常褪色，有時(shí)因?yàn)榘l(fā)生潮濕腐蝕而略帶紅色。偶爾凹陷處呈現(xiàn)光亮表面，可能主要是因?yàn)槿杂袧?rùn)滑劑，還沒(méi)有發(fā)生磨耗磨損。假硬化損壞能導(dǎo)致球軸承的球面出現(xiàn)空洞，滾子軸承出現(xiàn)線條。

4、電腐蝕

當(dāng)電流通過(guò)軸承時(shí)，將會(huì)通過(guò)滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈間傳導(dǎo)，可能出現(xiàn)過(guò)高電壓造成的損傷。接觸表面發(fā)生的過(guò)程與電弧焊(小接觸面上的高密度電流)類似，材料被加熱到回火至融化等不同程度。在材料被回火、再硬化或融化的地方，外觀出現(xiàn)大小不一的褪色區(qū)。在材料融化的地方，形成大約0.1mm 至 0.5mm 的坑。

同樣，電流泄漏也能造成損傷，電流泄漏來(lái)自通過(guò)軸承的雜散電流，而雜散電流通常是由頻率變化引起的。主要的可見(jiàn)損傷是凹槽，形似洗衣板圖案。這些凹槽的形狀，在球軸承呈接觸橢圓，在滾子軸承呈接觸線，滾動(dòng)體通常出現(xiàn)均勻的褪色。相比過(guò)高電壓損傷，在電流泄漏中，電流通過(guò)的區(qū)域更大，結(jié)果電流密度變小，損傷溫度也較低。因此主要的可見(jiàn)損壞是回火效應(yīng)，即軸承表面變軟。當(dāng)用高倍放大鏡觀察損傷部位，通常也能看到坑。

5、塑性變形

靜態(tài)負(fù)荷或沖擊負(fù)荷可產(chǎn)生過(guò)載，從而導(dǎo)致塑性變形，在滾道上形成凹痕。通常安裝不當(dāng)是產(chǎn)生此問(wèn)題的根源，即在軸承圈上用力不當(dāng)，從而在滾動(dòng)體上產(chǎn)生沖擊負(fù)荷。碎屑造成的凹痕是因?yàn)橥獠款w粒(污染物)進(jìn)入軸承，被滾動(dòng)體壓入滾道。凹痕的大小和形狀取決于顆粒的性質(zhì)。凹痕處滾道的幾何形狀被破壞，潤(rùn)滑受到影響。表面出現(xiàn)應(yīng)力，疲勞導(dǎo)致表面過(guò)早剝落。

搬運(yùn)造成的凹陷是由于軸承表面被硬的尖銳物體碰壞。由于軸承表面精度極高，當(dāng)局部過(guò)載，比如軸承掉落地上，就可能會(huì)在表面磕出凹痕，從而讓軸承無(wú)法工作。

6、破裂和開(kāi)裂

受壓破裂是因?yàn)榫植窟^(guò)載或應(yīng)力過(guò)高，造成應(yīng)力集中超過(guò)了材料的抗拉強(qiáng)度所致。常見(jiàn)是野蠻拆裝軸承 (沖擊)或圓錐座或襯套擰得太緊。當(dāng)用榔頭和硬鑿直接敲打軸承圈，可能導(dǎo)致形成微小的裂縫。當(dāng)軸承投入使用時(shí)，軸承圈可能有小片脫落。而安裝時(shí)圓錐座或襯套擰得太緊，結(jié)果軸承圈出現(xiàn)抗拉應(yīng)力(圓周應(yīng)力)，當(dāng)軸承投入使用時(shí)產(chǎn)生裂縫。

疲勞破裂開(kāi)始于彎曲狀態(tài)下應(yīng)力超過(guò)疲勞強(qiáng)度時(shí)。最初出現(xiàn)一條裂縫，然后不斷增多，最后整個(gè)軸承圈或保持架開(kāi)裂。當(dāng)使用緊配合時(shí)可能出現(xiàn)疲勞破裂，因?yàn)榫o配合可能產(chǎn)生很高的圓周應(yīng)力。然后交變應(yīng)力和圓周應(yīng)力共同作用，造成軸承圈的過(guò)早疲勞，整個(gè)圈裂開(kāi)。

熱開(kāi)裂產(chǎn)生于兩個(gè)表面相互嚴(yán)重摩擦?xí)r，產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致裂縫，通常與滑動(dòng)方向成直角。

很多軸承故障都可以避免。深入的軸承損傷根源分析可以找到問(wèn)題根源，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧芴崆氨苊夤收显俅伟l(fā)生，降低故障成本。