我國滾動軸承磨損失效分析現(xiàn)狀及展望

王姍姍,郭浩,3,4,雷建中,張永振

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所，武漢 430030；4.特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430030；5.高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

軸承用于支承軸及軸上零件，既保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，又用于減少軸與支承的摩擦磨損，在機(jī)械設(shè)備中的作用舉足輕重[1]，可以說軸承的好壞很大程度影響著機(jī)械的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軸承的服役環(huán)境越來越苛刻，對軸承的使用要求也越來越高，例如高精密、耐腐蝕、無磁、高溫高速等[2-5]。因而，如何提高軸承使用壽命意義重大。眾所周知，材料失效的主要形式包括磨損、斷裂和腐蝕，其中由摩擦副間摩擦所導(dǎo)致的磨損失效約占設(shè)備損壞的70%[6-11]，軸承亦不例外。文獻(xiàn)[12]研究認(rèn)為，滾動軸承磨損失效的主要表現(xiàn)形式是表面磨損，文獻(xiàn)[13]對所收集的2個品牌的200余套轎車后輪軸承的失效統(tǒng)計表明，磨粒磨損平均發(fā)生率高達(dá)60%。因此，研究軸承磨損失效的原因，制定抗磨對策, 提高軸承的使用壽命具有很大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 滾動軸承磨損的類型

滾動軸承磨損的分類方法較多。按磨損的部位不同，有內(nèi)外圈磨損、滾動體磨損、保持架磨損等。按摩擦表面破壞的機(jī)理和特征，磨損分為4大類[14]：疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損；GB/T 26411—2009《滾動軸承 損傷和失效術(shù)語、特征及原因》按照失效的主要原因進(jìn)行劃分失效模式，并且把疲勞磨損(標(biāo)準(zhǔn)中稱為疲勞)和腐蝕磨損分別列為失效模式，電蝕也單獨(dú)歸類[15]。為便于磨損相關(guān)的失效分析，文中以摩擦表面破壞的機(jī)理和特征對磨損失效進(jìn)行論述，具體磨損類型見表1。

表1 滾動軸承磨損的類型

圖1 鋼球疲勞剝落形貌

圖2 滾子軸承內(nèi)圈磨粒磨損形貌

圖3 滾道表面上的涂抹

圖4 內(nèi)圈電腐蝕形貌

2 軸承磨損失效的影響因素及措施

軸承的磨損是諸多因素耦合的損傷累積的過程，涉及摩擦副材料、摩擦條件、接觸表面狀態(tài)、環(huán)境等多種因素。對收集到的滾動軸承磨損失效案例(共64套)按照下述歸類的影響因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖5。可以看出，滾動軸承磨損失效主要受潤滑狀態(tài)與密封技術(shù)影響，其次為滾動軸承摩擦條件(包括運(yùn)轉(zhuǎn)速度、載荷、滾道表面粗糙度等)。

圖5 滾動軸承磨損失效案例統(tǒng)計

2.1 表面摩擦副材料(包括材質(zhì)、表面狀態(tài)等)

不同性能的材料組成摩擦副，其磨損形式不盡相同。若摩擦副表面較硬，則易發(fā)生磨粒磨損；表面較軟且光滑則易發(fā)生粘著磨損。文獻(xiàn)[17]通過對比國產(chǎn)滾動軸承和進(jìn)口同類產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)軸承在微觀組織、硬度分布、元素成分含量等方面與進(jìn)口產(chǎn)品均有很大差異，尤其組織內(nèi)碳化物顆粒較大，因此更易于疲勞磨損。

摩擦副基體的連續(xù)性非金屬夾雜物容易導(dǎo)致其接觸疲勞壽命嚴(yán)重降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，脆性夾雜物處極易形成應(yīng)力集中源，進(jìn)而導(dǎo)致早期疲勞磨損。文獻(xiàn)[18]對客車高碳鉻軸承鋼軸箱軸承內(nèi)圈剝離和裂損的研究發(fā)現(xiàn)，由于滾道面淺表層存在大尺寸的脆性非金屬夾雜物，在軸承滾動過程中，脆性夾雜物處萌生疲勞裂紋并在載荷的作用下持續(xù)擴(kuò)展，最終引起軸承失效。

表面噴涂、物理化學(xué)氣相沉積等表面處理亦能減少軸承磨損，因此合理的選配摩擦副可以有效的減少磨損。

2.2 摩擦條件

摩擦條件對摩擦副的磨損行為影響巨大。摩擦條件包括零件的運(yùn)動形式、摩擦表面的接觸形式、速度、載荷以及加載方式等。通常認(rèn)為載荷大小是決定軸承磨損量的主要因素。文獻(xiàn)[19]對240/530調(diào)心滾子軸承失效分析的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為軸承在使用過程中承受了較大的軸向載荷，導(dǎo)致了軸承偏載，最終引起軸承失效。文獻(xiàn)[20]分析抽油機(jī)減速器滾動軸承失效形式，指出滾動軸承內(nèi)外圈與滾動體之間存在接觸和相對運(yùn)動，使摩擦不可避免，進(jìn)而使?jié)L動軸承零件尺寸和形狀發(fā)生變化，最終導(dǎo)致磨損失效；文獻(xiàn)[21]統(tǒng)計分析鐵路貨車軸承引起熱軸的原因發(fā)現(xiàn)，因接觸不良引起局部過載造成軸承磨損失效的比例高達(dá)67%；文獻(xiàn)[22]研究發(fā)現(xiàn)，由于路面不平，汽車在行駛過程中會產(chǎn)生振動和沖擊載荷，較大的沖擊載荷會造成減摩合金層片狀脫落，即產(chǎn)生疲勞剝落或稱疲勞剝蝕。因此，合理設(shè)計摩擦條件可有效減少滾動軸承磨損失效。

2.3 密封技術(shù)以及潤滑狀態(tài)(包括潤滑劑和潤滑方式等)

潤滑狀態(tài)對粘著磨損的影響很大，滾動軸承在潤滑條件下比干摩擦條件下壽命更長。若潤滑劑中加入有效添加劑，即使同樣的潤滑狀態(tài)，也能成倍提高抗粘著磨損能力；抗疲勞磨損能力與潤滑油的黏度有關(guān)，一定條件下其隨潤滑油黏度的增加而增大。若潤滑脂中混入磨損顆粒、外來異物或水分等，將會影響潤滑脂的潤滑性能和成膜特性，進(jìn)而使?jié)櫥瑵櫥阅芟陆担觿L動軸承失效，良好的密封可有效減少外來異物的影響。

文獻(xiàn)[23]針對660 MW汽輪機(jī)推力軸承經(jīng)常磨損的問題提出改進(jìn)潤滑系統(tǒng)的方法；文獻(xiàn)[24]在機(jī)泵中采用油霧潤滑系統(tǒng)，使故障率減少了90%；文獻(xiàn)[25]分析300 MW 機(jī)組汽泵前置泵軸承損壞原因是密封不實(shí)導(dǎo)致漏油，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑不良；文獻(xiàn)[26]對鏈斗式挖泥船用導(dǎo)輪軸瓦磨損原因進(jìn)行分析，指出因挖泥時壓力、沖擊載荷大和泥砂多等原因?qū)γ芊庠斐闪藫p壞, 外界泥沙大量進(jìn)入將造成嚴(yán)重的磨粒磨損, 縮短軸承使用壽命；文獻(xiàn)[4,27]分析某型航空發(fā)動機(jī)主軸承異常磨損原因以及深溝球軸承磨損失效的原因，均得出密封不好導(dǎo)致軸承磨損失效的結(jié)論。因此，采用良好的潤滑系統(tǒng)及密封技術(shù)可有效減少磨損。

2.4 環(huán)境(包括溫度、氣氛等)與介質(zhì)

摩擦副在摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦功除部分被潤滑液帶走及損失外，主要轉(zhuǎn)化為接觸表面的熱能，摩擦副表面上的熱量由于散發(fā)較慢，逐漸累積，導(dǎo)致摩擦副表面溫度升高。當(dāng)短時摩擦副表面溫度升高至一定程度會將使軸承零件表面產(chǎn)生燒傷層(二次淬火層和高溫回火層)，進(jìn)而使軸承零件表層產(chǎn)生明顯的組織結(jié)構(gòu)和性能變化，最終影響摩擦副的摩擦磨損性能[28]。

文獻(xiàn)[29-30]分析某型泵用推力球軸承的磨損失效以及屏蔽泵故障，均得出摩擦熱過高導(dǎo)致軸承失效的結(jié)論；不同的氣氛和介質(zhì)均對摩擦磨損行為產(chǎn)生影響，如潮濕環(huán)境易于銹蝕以及帶電環(huán)境中軸承的電蝕等。文獻(xiàn)[31]研究認(rèn)為，電除塵器振打裝置中軸承在中溫、高粉塵環(huán)境下工作，磨損方式主要是磨粒磨損。文獻(xiàn)[32]對艦載飛機(jī)發(fā)動機(jī)軸承失效檢測表明，潤滑劑的Cl-量高達(dá)3 mg/L，這與海水腐蝕環(huán)境有關(guān)。文獻(xiàn)[33-34]分析電動機(jī)軸承燒損和減速機(jī)軸承失效原因，均得出電主機(jī)漏電從而產(chǎn)生電蝕的結(jié)論。文獻(xiàn)[35]總結(jié)高壓電機(jī)軸承失效中指出，當(dāng)軸電流產(chǎn)生后，滾道與滾子之間的接觸面會產(chǎn)生電弧，局部產(chǎn)生高溫，最終導(dǎo)致磨損失效。因此，應(yīng)盡量減少環(huán)境與介質(zhì)對磨損的影響，延長軸承的使用壽命及可靠性。

2.5 質(zhì)量問題以及安裝使用問題

軸承質(zhì)量問題包括設(shè)計、安裝以及使用不當(dāng)、熱處理質(zhì)量不合格、加工問題(磨削燒傷以及加工誤差)等。軸承由于設(shè)計不能滿足要求，使用時無視軸承設(shè)計載荷或者轉(zhuǎn)速等，均會導(dǎo)致軸承出現(xiàn)早期磨損失效。軸承安裝時預(yù)緊力若沒有達(dá)到要求，軸與內(nèi)圈相對轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致軸頸嚴(yán)重磨損；軸與軸承若過盈量不足，軸承內(nèi)圈由于承受載荷旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其與軸之間會產(chǎn)生圓周方向的蠕變滑動現(xiàn)象，進(jìn)而使配合面磨損逐漸增大，最終導(dǎo)致軸失效。

文獻(xiàn)[36-39]分析相應(yīng)軸承的損壞原因，均得出由設(shè)計不當(dāng)所致；文獻(xiàn)[40]分析冷軋機(jī)軸承失效原因系安裝不當(dāng)導(dǎo)致滾子與外圈不良接觸進(jìn)而產(chǎn)生磨損；文獻(xiàn)[41]分析某航空發(fā)動機(jī)軸承故障原因認(rèn)為，裝配檢驗(yàn)方法不正確導(dǎo)致的軸承尺寸超差是軸承磨損的主因；文獻(xiàn)[42]對某渦軸發(fā)動機(jī)主動齒輪軸承磨損問題進(jìn)行研究，得出裝配質(zhì)量差，主動齒輪軸頸和軸承磨損與減速器后部鋼套松動，進(jìn)而導(dǎo)致磨損產(chǎn)生；文獻(xiàn)[43] 分析凝結(jié)水泵軸承振動超標(biāo)原因系軸承裝配不當(dāng)所致；文獻(xiàn)[44]對潭頭水電站上導(dǎo)軸承異響原因進(jìn)行分析，認(rèn)為導(dǎo)瓦沒有安裝壓板造成異響。

軸承加工誤差較大以及產(chǎn)生磨削燒傷也會使軸承早期失效。文獻(xiàn)[45-46]分析變速箱軸承異響、高壓電機(jī)軸承故障，均得出系軸承加工誤差過大所致；文獻(xiàn)[47]研究認(rèn)為，局部幾何形狀誤差(如軸承的直線度不好或局部有凸起)會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中而致使產(chǎn)生接觸疲勞。

熱處理組織不合格，過熱或欠熱也會影響軸承性能，最終使軸承早期失效。

綜上，合理的設(shè)計安裝使用軸承，改進(jìn)軸承磨削工藝，保證軸承熱處理質(zhì)量均能有效減少滾動軸承磨損失效。

3 滾動軸承磨損失效分析思路

磨損失效分析影響因素較多，問題極其復(fù)雜，需要在諸多影響因素中排除次要因素找到主導(dǎo)因素，進(jìn)而提出合理的預(yù)防應(yīng)對措施[48]。

分析具體的磨損失效問題時，首先要收集背景資料如主機(jī)的運(yùn)行記錄，已磨損報廢的軸承及其磨粒磨屑等；了解摩擦副相關(guān)信息(零件的運(yùn)動形式、摩擦表面的接觸形式、速度、載荷、加載方式、介質(zhì)、濕度、溫度、潤滑狀態(tài)、潤滑劑及其種類、密封技術(shù)等)；了解材料選擇依據(jù)以及設(shè)備主要零件的生產(chǎn)流程；相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)報告及有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)等；生產(chǎn)設(shè)備的使用情況及日常維護(hù)保養(yǎng)情況。其次，在初步檢驗(yàn)失效零件外觀損傷形貌的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)行技術(shù)復(fù)驗(yàn)，包括材料的化學(xué)成分、金相組織、硬度、均勻性、常規(guī)機(jī)械性能以及軸承的尺寸精度相關(guān)參數(shù)等。然后進(jìn)行深入分析，對磨損失效表面和磨屑進(jìn)行仔細(xì)分析，根據(jù)表面磨損特征和磨屑形狀判定磨損失效模式，必要時分析磨損次表層，了解裂紋或缺陷的形成部位并判定其擴(kuò)展方向，推斷其產(chǎn)生的原因，并由此確定磨損的發(fā)生和發(fā)展過程。最后，得出結(jié)論并進(jìn)行證明性試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)論的可靠性。

4 展望

軸承的磨損失效是一個逐漸累積的過程，軸承使用過程中必定會發(fā)生摩擦，摩擦?xí)a(chǎn)生磨損，磨損到一定程度，軸承就會失效。由于軸承磨損涉及數(shù)學(xué)、材料、物理化學(xué)、機(jī)械、表面工程學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科的知識，因此軸承磨損失效的研究工作難度較大。遺憾的是目前軸承磨損失效研究工作主要是針對具體使用的失效軸承進(jìn)行分析，查找出原因，進(jìn)而提出改進(jìn)措施，沒有系統(tǒng)的歸納總結(jié)，企業(yè)間也沒有進(jìn)行較多的交流或共享。上述的軸承磨損失效影響因素引用的多數(shù)分析實(shí)例，均是如此。

總之，軸承磨損失效研究主要包括磨損失效的監(jiān)測、預(yù)防研究和磨損失效機(jī)理研究2個方面。當(dāng)前應(yīng)結(jié)合國家的重點(diǎn)發(fā)展要求例如高速鐵路軸承、機(jī)器人軸承、航空軸承等以及軸承磨損失效研究所面臨的迫切問題，分析具體的材料磨損失效問題，同時建立、完善軸承監(jiān)測預(yù)防體系和磨損失效理論，最終形成軸承磨損失效的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；同時，推廣減磨設(shè)計理念(包括新型耐磨材料、潤滑技術(shù)以及表面工程技術(shù))，改進(jìn)軸承的摩擦學(xué)設(shè)計。

目前軸承磨損失效研究亟待解決的問題主要有：

1)建立軸承磨損失效的數(shù)據(jù)庫信息，軸承磨損評價以及監(jiān)測等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

2)深入軸承材料磨損機(jī)理模型及磨損監(jiān)測預(yù)防研究：包括軸承運(yùn)轉(zhuǎn)模型以及多場耦合的磨損機(jī)理研究；針對軸承的特殊使用工況，開發(fā)滿足苛刻環(huán)境摩擦學(xué)系統(tǒng)的新型材(X30高氮鋼、EP和IQ高純度軸承鋼等[49])以及新的表面處理工藝的應(yīng)用等；結(jié)合不同監(jiān)測方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行軸承磨損監(jiān)測預(yù)防的研究。