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轴承失效模式分类与分析方法

发布时间：2013-03-06 浏览次数：482

　　1　轴承失效的基本模式
　　轴承失效一般可分为止转失效和丧精失效两种。
　　止转失效就是轴承因失去工作能力而终止转动。例如卡死、断裂等。
　　丧精失效就是轴承因几何尺寸变化了配合间隙，失去了原设计要求的设计精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。例如磨损、腐蚀等。
　　按损伤机理大致可分为：接触疲劳失效；磨擦磨损失效；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
　　接触疲劳失效是各类轴承表面Z常见的失效模式之一，是轴承表面受到交变应力的作用而产生的失效。接触疲劳剥落在轴承表面也有疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过程。初始的接触疲劳裂纹首先从接触表面以下Z大正交切应力处产生，然后扩展到表面形成剥落，如麻点状的称为点蚀或麻点剥落；剥落成小片状的称浅层剥落。初始裂纹在硬化层与心部交界区产生，造成硬化层的早期剥落则称为硬化层剥落。
　　1.2 磨损失效
　　轴承零件之间相对滑动摩擦导致其表面金属不断损失的现象称为磨损。持续的磨损使零件尺寸和形状变化，轴承配合间隙增大，工作表面形貌变坏从而丧失旋转精度，使轴承不能正常工作，称为轴承的磨损失效。磨损失效也是各类轴承表面Z常见的模式之一，按其磨损形式可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损和疲劳磨损等。其中Z常见的为磨粒磨损和粘着磨损。轴承零件的摩擦面之间挤入外来硬颗粒或金属表面的磨屑，引起摩擦面磨损的现象称为磨粒磨损。它常在轴承表面造成凿削式或犁沟式的擦伤。外来硬颗粒常常来自于空气中的灰尘或润滑剂中的杂质。粘着磨损主要是由于摩擦表面的显微突起或摩擦异物使摩擦面受力不均，局部摩擦热有可能使摩擦面形成显微焊合。摩擦表面温升高，会造成润滑油膜破裂，严重时表面层金属将会局部熔化，接触点产生粘着、撕脱、再粘着的循环过程，构成粘着磨损。严重的粘着磨损会造成摩擦面的焊合和卡死。
　　1.3 断裂失效
　　轴承零件断裂将会造成突发性失效事故。轴承断裂的主要原因是过载和缺陷两大因素。由于外加载荷超过轴承零件材料的强度极限，造成轴承零件断裂就称过载断裂。过载的原因可能是主机故障，也可能是轴承的结构或安装不合理。另外，轴承零件存在着微裂纹、缩孔、气泡和大块外来夹杂物等缺陷，在正常载荷条件下，也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。轴承套圈和滚动体经锻造、冲压、热轧、热处理和磨加工过程中产生的过热、过烧、局部
烧伤和表面裂纹就可能会引起轴承的断裂失效。特别是磨削烧伤，检查时不易发现，有磨削烧伤的套圈一受冲击或振动就可能断裂。
　　1.4 塑性变性失效
　　在外力和环境温度的作用下，轴承零件表面局部塑性流动或整体的变形，致使整套轴承不能正常工作而造成的失效称为变形失效。例如保持架翘曲、歪扭、兜孔拉长或框形保持架变形、靠套等都会造成轴承的早期失效。另外轴承摩擦造成的表面塑性划痕也会引起振动和噪声增大、温度升高，从而加快轴承的早期失效。
　　1.5 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。能对轴承零件表面起化学作用的环境介质有大气、湿气、燃料和润滑油的氧化产物（酸类、酮类、乙醇等）以及氧化产物的蒸气等等。通常轴承表面腐蚀可以分为电介质腐蚀、有机酸腐蚀、其它介质腐蚀（如润滑油中含有硫化物）和电流腐蚀等。腐蚀在轴承零件金属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的作用下剥落，轴承表面生成蚀坑或造成工作表面粗化、进而形成腐蚀磨损或腐蚀疲劳失效。由于静电荷或其他放电现象，致使轴承零件表面出现电击的伤痕，称为电流腐蚀，也是腐蚀失效的一种。
　　1.6 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。轴承零件的组织（例如残余奥氏体）和应力如果均处于不稳定状态，随着时间的延长其尺寸会发生变化，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。
　　2　影响轴承失效的因素
　　2.1 外来因素
　　外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪音和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。
　　2.2 内在因素
　　内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。也可称之为制造质量因素。为了提高轴承的寿命和可靠性，人们围绕着上述的三因素，做了大量的研究工作。首先，结构设计不合理当然不可能有合理的轴承寿命;仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长轴承寿命；只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。轴承的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。各种加工工艺的合理性、先进性和稳定性也都会影响到轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨加工工艺，往往与轴承的失效有着更直接的关系。轴承材料的冶金质量曾经是滚动轴承早期失效的主要影响因素。　随着冶金技术(例如轴承钢的真空脱气等)的提高，原材料质量得到较大的改善，在轴承失效分析中所占的比重已经明显下降，但至今它仍然是轴承失效的主要影响因素之一。另外，选材是否得当仍然是轴承失效分析必须考虑的因素。轴承失效分析的主要任务，就是根据大量的背景材料、分析数据和失效的形式，综合分析，找出造成轴承失效的主要影响因素，以便有针对性地提出改进措施，提高轴承的服役期。避免轴承发生突发J性的早期失效。
　　3　轴承失效分析方法
　　一般情况下轴承失效分析大体可分为：失效实物和背景资料的收集，对失效实物的宏观检查和微观分析等三个步骤。
　　3.1 失效实物和背景材料的收集
　　应该尽可能地收集到失效实物的各个零件和残片。尽量多地了解到失效轴承的实际工作条件、使用过程和制造质量情况。这对于正确地失效分析是必不可少的。它具体包括以下的内容:
　　(1) 轴承所服役的机械设备的工作状况、载荷和运转速度、轴承在设备上的设计工作条件。
　　(2) 轴承失效的情况，只有轴承失效还是其他部分也失效，轴承失效大致属于什么类型。
　　(3) 轴承的安装运转记录，运转使用过程中有无不正常操作。
　　(4) 轴承工作中所承受的真正负荷情况如何，是否符合原设计。
　　(5) 轴承工作的实际速度及不同速度出现的频率。
　　(6) 失效时是否有温度的急剧增加或冒烟、噪音及振动的突然增大。
　　(7) 工作环境中有无腐蚀性介质，轴承及其相接触的轴颈处有无特殊的表面氧化或其他沾污色。
　　(8) 轴承的安装记录（包括安装前轴承尺寸精度的复验情况），轴和轴承的间隙、装配和对中情况，轴承座和机架刚性如何，安装是否有异常。
　　(9) 轴承运转是否有热膨胀及动力传递变化。
　　(10)轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂种含量、过滤、更换及供给情况等，并收集其沉淀物以备分析。
　　(11) 轴承的选材是否正确，用材质量是否符合标准或图纸要求。
　　(12 )轴承的制造工艺过程是否正常，表面是否有塑性变化，有没有表面磨削烧伤。
　　(13 )失效轴承的修复和保养记录。
　　(14 )同批或同类轴承的失效情况。
　　3.2 宏观检查
　　对失效轴承进行宏观检查（包括尺寸精度测量和表面状态检查分析），是失效分析Z重要的环节。通过总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征并确定截取的部位做进一步的微观检查和分析。
　　宏观检查的内容应包括：
　　(1) 外形和尺寸精度的变化情况（包括测振分析、动态函数分析和滚道不圆度分析）。
　　(2) 游隙的变化情况。
　　(3) 是否有腐蚀现象，在什么部位，是什么类型的腐蚀，是否与失效直接有关。
　　(4 )是否有破裂。裂纹的形态和断口性质如何。
　　(5) 磨损是什么类型的，对失效有多大作用。
　　(6) 轴承各部件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。
　　(7) 对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒潜入、裂纹、擦伤和其它缺陷。
　　(8) 冷酸洗法或热酸洗法检验轴承零件原始表面有无软点、脱碳层和烧伤，特别是表面磨削烧伤。
　　(9) 用X射线应力测定仪测量轴承工作前后的应力变化情况。宏观检查的结果，有时也可基本判断失效的模式和原因，但要进一部确定失效的性质，取得更多的证据，还必须做微观分析。
　　3.3 微观分析
　　失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证，因而是重要的。微观分析中Z常用、Z普及的方法是断口分析、光学金相分析和硬度检测。
　　分析的内容应包括：
　　(1) 原材料材质是否符合标准和设计要求。
　　(2) 轴承零件的基体组织和热处理质量是否符合标准要求。
　　(3) 表层组织是否存在脱碳层、托氏体和其它表面加工变质层。
　　(4) 测量渗碳层等表面强化层和多层金属各层组织的深度、腐蚀坑或裂纹的形态与深度，并根据缺陷的形状和两侧组织特征确定裂纹产生的原因及性质。
　　(5) 根据晶粒大小、组织变形、局部相变、重结晶、相聚集等判断变形程度、温升情况、材料种类及工艺过程等。
　　(6) 测量表面硬度、基体硬度、硬度均匀性及失效特征区的硬度变化。
　　(7) 断口观察与分析。扫描电子显微镜因具有景深大、放大倍数高、图象清晰等优点，对断口的观察和定性、测量更具优越性。
　　(8) 电子显微镜、探针和电子能谱在疲劳源和裂纹源分析中能测出断口异物的成分，发现断口的性质和断裂的原因。
　　这里所介绍的轴承失效分析一般方法的三个步骤是一个由表及里逐步深人的分析过程。具体分析时应根据轴承失效的类型和特点，并不是三个步骤中的每一个问题和每一种方法都对应使用。这要视具体情况决定取舍，但分析全过程的每一步骤是缺一不可的。而且在整个分析过程中，分析结果应始终与影响轴承失效的内、外诸多因素联系起来，进行综合思考与判断。