滾動軸承失效影響因素與影響機(jī)制

王曉青，夏水華

（黃石理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003）

1 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械多用滾動軸承，軸承失效輕要停機(jī)維修，重則造成機(jī)器損毀甚至重大事故。軸承失效后簡單地更換并不能排除再次失效的風(fēng)險，需要分析失效成因并加以改進(jìn)。就個體看，軸承失效原因千差萬別，但失效樣本數(shù)較多時，就能發(fā)現(xiàn)實際存在的軸承失效影響因素集。尋求全集的意義在于建立軸承生命期質(zhì)量概念，通過遍歷全集中的元素，達(dá)到主動改善軸承生命質(zhì)量的目的，防止同因復(fù)現(xiàn)導(dǎo)致軸承失效。

實際上，每套軸承的失效過程都是一個“試驗”，其數(shù)據(jù)在實驗室中難得，棄之可惜。如果僅止于獲得某個一定的試驗環(huán)境對應(yīng)的試驗結(jié)果，遇到新的使用環(huán)境，很難有100%相符的先例可循，而忽略那些固定試驗條件之外的影響因素，又要承擔(dān)不可預(yù)知的風(fēng)險?？疾焖羞@些“試驗”樣本，就能獲得可為更一般條件下利用的影響因素集。

為了建立軸承失效影響因素集，調(diào)查和分析了來自不同機(jī)械的大量失效軸承信息，發(fā)現(xiàn)了不同生命期階段影響失效因素。失效軸承樣本來自汽車、摩托車、船舶、飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、軋鋼機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、工程機(jī)械、機(jī)車車輛、港口裝載、石油與礦山機(jī)械等多種設(shè)備，軸承服役環(huán)境和受載類型具有一定代表性。

2 軸承失效影響因素按階段分類及相關(guān)性分析

軸承生命期按時序可分為設(shè)計、制造、使用與維護(hù)、失效等幾個階段。為防早期失效，需要了解軸承生命期哪些因素影響其失效，有單一因素所致，也有一個或多個階段多因素所致。對導(dǎo)致116套軸承早期失效的因素統(tǒng)計分析見表1。

表1 軸承失效影響因素按生命期階段分類及影響項次分析

對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得表2。由表2可看出，53.4%的軸承失效與使用相關(guān)。

表1 常見軸承型號的脫模角 （°）

表2 軸承失效與設(shè)計、制造、使用階段和材料的相關(guān)性分析

軸承是機(jī)器的重要部件，軸承失效影響機(jī)器運轉(zhuǎn)，軸承失效也受機(jī)器影響，所以這里把軸承設(shè)計和機(jī)器設(shè)計、軸承制造和機(jī)器制造作為一個整體考察。表3中的分類則是為了分別考察機(jī)器和軸承設(shè)計、制造對軸承失效的影響。

表3 以軸承、機(jī)器和材料為對象對軸承失效影響因素進(jìn)行分類分析

從表3可以看出：軸承制造與機(jī)器制造對軸承失效的影響項次比為6：1，這表明，機(jī)器制造者要選擇質(zhì)量信譽(yù)好的軸承制造商；機(jī)器設(shè)計與軸承設(shè)計的影響項次比約為3：2，表明機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計對軸承失效影響明顯，而且軸承設(shè)計影響失效約占失效樣本數(shù)的10%，足見機(jī)器與軸承協(xié)同設(shè)計的重要性。

設(shè)計選材和材料質(zhì)量都對軸承失效產(chǎn)生影響。從失效樣本看，材料質(zhì)量約為材料選擇影響項次的3倍，表明需要對軸承材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，對特殊用途軸承，更有必要將質(zhì)量控制向材料供應(yīng)甚至冶煉環(huán)節(jié)延伸。

3 生命期各階段影響軸承失效的因素

3.1 設(shè)計階段影響軸承失效的因素

以滾子軸承為例，失效軸承樣本數(shù)據(jù)（表4）表明，設(shè)計階段對軸承失效影響因素出現(xiàn)項次較多的分別是機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計、軸承選材、保持架、托架、軸承座結(jié)構(gòu)和軸承的原始徑向游隙設(shè)計，前6項影響項次為34次，占總項次的82.9%。樣本中軸承設(shè)計對自身失效影響因素有：選材、保持架、軸承游隙、滾子直徑與長度、滾子與擋邊之間間隙和端面表面粗糙度，其影響項次約占設(shè)計階段影響總項次的40%。

表4 設(shè)計階段對軸承失效影響因素及影響項次

3.1.1 機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計對軸承失效的影響

3.1.1.1 載荷類型、大小和平衡

軸承失效樣本分析表明，載荷類型、大小和平衡對軸承失效影響明顯，軸系靜動平衡設(shè)計（軸向推力、葉輪平衡）、高轉(zhuǎn)速引起的慣性力、軋輥送進(jìn)角、軸承間載荷分配不當(dāng)、傳動機(jī)構(gòu)阻力過大等，都對軸承失效產(chǎn)生影響。

機(jī)器軸系零部件由于制造、安裝誤差或結(jié)構(gòu)原因，造成軸系重心偏移或慣性矩不為零，工作時不可避免要對軸承產(chǎn)生附加動反力，轉(zhuǎn)速越高，慣性載荷越大，附加軸向力也越大，對軸承壽命影響就越大，是造成高速轉(zhuǎn)子軸承過早失效的主因之一。因此，在設(shè)計時，對高速轉(zhuǎn)子除要考慮主動力引起靜反力，還要考慮附加動反力的影響；在制造安裝時，必須進(jìn)行動平衡試驗，保證軸系動平衡。

某無扭軋機(jī)錐箱軸承失效，檢測和計算結(jié)果表明，失效是因軸承外圈在工作時承受了過大載荷，在很短時間就產(chǎn)生大面積大塊狀接觸疲勞剝落，隨后引起滾道雪崩似的大面積損傷。根據(jù)失效分析結(jié)果，調(diào)整了軸承安裝間隙，進(jìn)一步控制軋鋼溫度，尤其是鋼溫均勻性，有效地防止了異常載荷和交變疲勞載荷的產(chǎn)生，軸承壽命得到了恢復(fù)性提高。

3.1.1.2 軸承座與托架設(shè)計

某調(diào)心滾子軸承外圈油槽寬為5.5 mm，3油孔徑為3 mm，而用于安裝該軸承的軸承座內(nèi)徑上開有寬20 mm、深5 mm環(huán)形油槽，其中有14.5 mm寬度沒有與軸承外圈接觸，軸承座孔在孔平面及其剖面上變形均不均勻，降低了軸承承載能力。

要完全達(dá)到軸承承載能力，軸承內(nèi)、外圈須沿全表面及全滾道寬度與支撐面緊密接觸。軸承座必須達(dá)到足夠的制造精度，并且表面無間斷，即無溝、槽、孔。壁板中心、軸承座中心和軸承中心必須呈“三心一線”。

3.1.1.3 徑向配合（間隙或過盈）與軸向游隙

機(jī)器在運轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生熱量，如果潤滑和冷卻不良，軸承會隨溫度上升而膨脹。而當(dāng)軸承游隙變小時，滾動體滾動受阻，又加劇溫度升高，直至抱軸卡死。當(dāng)抱軸力大于軸承內(nèi)圈內(nèi)徑與軸頸表面之間的緊固力時，就會引起內(nèi)徑與軸頸表面的滑動，造成黏附磨損。

軸承與軸配合時過盈量不夠，工作時會發(fā)生振蝕現(xiàn)象，引發(fā)軸承與軸之間產(chǎn)生相對滑動，摩擦產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈與軸之間出現(xiàn)焊合與撕裂，在接觸面上就會有金屬遷移現(xiàn)象，結(jié)果是材料較軟的軸表面金屬被遷移到軸承內(nèi)圈內(nèi)徑表面上。高溫還將使軸承內(nèi)徑表面局部加熱，受熱區(qū)內(nèi)部組織和應(yīng)力也會產(chǎn)生變化，繼續(xù)運轉(zhuǎn)就會發(fā)生龜裂和剝落，剝落碎屑又被輾入較軟的軸接觸表面，結(jié)果是不僅軸承而且軸也將損壞［1］。

3.1.2 軸承設(shè)計對軸承失效的影響

3.1.2.1 軸承材料選擇

選擇軸承材料時，除考慮強(qiáng)度、剛度及韌性等因素外，還要考慮對腐蝕、振動等特殊環(huán)境的適應(yīng)性。對某軸承失效分析發(fā)現(xiàn)，GCr15鋼鋼球表面呈深灰色，且存在灰黑色絲狀腐蝕特征，腐蝕區(qū)深入鋼球基體數(shù)十微米。根據(jù)觀察及能譜分析判定，鋼球表面發(fā)生了典型的絲狀腐蝕，主要原因是膜層表面存在微觀孔隙或局部破損，水或腐蝕介質(zhì)滲入膜下與金屬基體形成微電池所致。

3.1.2.2 隔圈倒角設(shè)計

軸承零件倒角過小會引起應(yīng)力集中和產(chǎn)生裂紋。但隔圈倒角太小造成潤滑不足，對滾子端面疲勞剝落也有一定影響，卻容易被忽視。

3.1.2.3 保持架

在設(shè)計保持架端面與滾子端面接觸面時，內(nèi)徑及外徑向端面斜切一角度，這樣做的好處一是有利于潤滑脂進(jìn)入滾子支柱孔，改善支柱和滾子兜孔之間的摩擦；二是減少保持架和滾子端面接觸面積，改善接觸特性，從而可避免因過分摩擦引起的燒傷、膠結(jié)現(xiàn)象［2］。

用B275TZ等材料沖壓制作保持架時，沖壓過程中圓弧過渡處容易形成毛刺，當(dāng)模具老化或凸、凹模間隙控制不良時容易形成較大的剪裂帶和毛刺，保持架窗孔的圓角過渡處可能出現(xiàn)撕裂，形成內(nèi)在質(zhì)量隱患。用沖壓方法加工保持架，必然形成表面拉應(yīng)力，尤其是保持架小端窗梁根部圓角過渡處拉應(yīng)力最大。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的塑性極限時會產(chǎn)生微裂紋，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，軸承在使用過程中受到反復(fù)沖擊、振動載荷作用使其窗梁或圈梁的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致保持架破壞和軸承失效。

3.1.2.4 原始徑向游隙

某型拖拉機(jī)變速箱用軸承原始徑向游隙為0.025～0.05 mm，而軸承在安裝后，實際工作游隙已為零甚至負(fù)游隙，因而易出現(xiàn)徑向夾緊現(xiàn)象，摩擦急劇增加，溫度升高，導(dǎo)致軸承過熱運轉(zhuǎn)。改進(jìn)后，原始徑向游隙增大為0.045～0.07 mm，效果良好［3］。

3.2 制造對軸承失效的影響因素

失效軸承樣本中，軸承制造對其失效的影響項次較多的分別是熱處理工藝與質(zhì)量（35%）、機(jī)加工質(zhì)量、裝配和成形質(zhì)量（表5）。

表5 軸承制造對失效影響因素項次分類統(tǒng)計

3.2.1 熱處理工藝與質(zhì)量

熱處理工藝不當(dāng)及質(zhì)量不足影響軸承零件強(qiáng)度、韌性及耐磨性等，如淬火微裂紋、不良金屬組織與組織不穩(wěn)定、硬度低、氫脆、殘余應(yīng)力等，降低軸承使用壽命。

某起重機(jī)軸承先后發(fā)生鋼球斷裂和內(nèi)圈內(nèi)唇多裂源斷裂，從內(nèi)圈橫截面上觀察，心部未完全淬透，靠外區(qū)域組織為隱針狀回火馬氏體和針狀回火馬氏體，心部組織為粒狀珠光體+隱針狀回火馬氏體，造成內(nèi)圈內(nèi)、外唇硬度高于心部。軸承內(nèi)外圈碳化物為網(wǎng)狀4級，而鋼球碳化物呈帶狀。

某發(fā)動機(jī)軸承因GCrl5滾動體掉塊失效，分析確定為非正常沿晶脆性斷裂，試驗結(jié)果表明，在900℃以上熱處理時斷口沿晶特征漸現(xiàn)，到1 000℃就變?yōu)榈湫偷难鼐嗫?，并伴隨晶粒粗大化，證明滾動體掉塊與其熱處理時局部接觸900℃以上高溫有關(guān)。

3.2.2 磨削加工質(zhì)量

某圓錐滾子軸承因磨削過程中內(nèi)圈滾道產(chǎn)生留邊造成早期失效。圓錐滾子軸承在零載荷條件下滾子與滾道之間的接觸為線接觸，由于內(nèi)圈滾道磨削留邊，導(dǎo)致其與滾子之間由線接觸變?yōu)榻泣c接觸。因此，軸承工作時，其滾子承受很大剪切應(yīng)力作用，當(dāng)剪切應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限時，便產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著循環(huán)載荷作用，疲勞裂紋沿晶界擴(kuò)展最終剝落，導(dǎo)致軸承早期疲勞失效。

3.2.3 成形與鍛造工藝質(zhì)量

某軋機(jī)軸承由于滾道上有鍛造折疊裂紋，使用過程中，在內(nèi)圈的殘余拉應(yīng)力、過盈配合應(yīng)力及軋制應(yīng)力共同作用下，鍛造折疊裂紋源開始緩慢擴(kuò)展，加之材料內(nèi)部夾雜物較多且集中，破壞了材料連續(xù)性，降低了材料強(qiáng)度，裂紋擴(kuò)展到一定深度和長度后，在巨大的周向應(yīng)力作用下，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，內(nèi)圈沿軸向斷裂。

3.3 使用階段對軸承失效的影響因素

如表6所示，失效軸承樣本中，使用階段對軸承失效的影響因素前6項占總項次的80%。

表6 使用階段對軸承失效的影響因素及項次

3.3.1 潤滑質(zhì)量

失效軸承分析表明：潤滑系統(tǒng)設(shè)計、潤滑劑選擇、異物進(jìn)入潤滑劑、潤滑劑失效與更換不及時對軸承失效有顯著影響。

某龍門吊行走機(jī)構(gòu)軸承產(chǎn)生黏附磨損，主要原因是潤滑油嘴設(shè)計不合理。潤滑油嘴設(shè)計在悶蓋上，軸承水平布置，注油時只能將潤滑脂注入到脂腔中，而不能將新的潤滑脂直接注到軸承滾道中。

對某高速動力車托架軸承進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，潤滑油中含有大量水分是導(dǎo)致軸承失效的直接原因。因?qū)恿囋诟咚贍顟B(tài)下的特性及其與環(huán)境的關(guān)系等認(rèn)識不足，托架油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，造成托架箱進(jìn)水。研究表明：僅用0.002%的清水污染潤滑油，會使軸承壽命減少約48%；清水達(dá)到6%時，壽命會減少約83%。污染物若帶腐蝕或磨礪性，軸承壽命減少更多［4］。

某航空發(fā)動機(jī)軸承失效則是因石墨環(huán)隨動圈磨損，使得大量石墨顆粒進(jìn)入溝道，與潤滑油形成油泥，阻滯軸承滾動，引起軸承發(fā)熱，導(dǎo)致潤滑失效，最后造成軸承失效。

一碎渣機(jī)軋輥軸承失效，更換時在軸承座潤滑油中檢查出大量灰渣雜質(zhì)。分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計選用的骨架油封只能防止固態(tài)潤滑脂外漏，卻無法擋住渣水進(jìn)入軸承座。端蓋結(jié)構(gòu)密封方式不合理，骨架油封與軸頸直接接觸，長期運轉(zhuǎn)引起軸頸磨損，致使渣水進(jìn)入軸承座，是造成軸承損壞的主因。

3.3.2 安裝

某核電站風(fēng)機(jī)，因裝配工藝對軸承安裝無明確要求，導(dǎo)致裝配時軸承與軸配合過盈量過大，使剩余游隙過小，運行中軸承磨損大，溫度高，潤滑質(zhì)量漸失，產(chǎn)生異常磨損和高溫過熱，緊定套膨脹并與軸徑產(chǎn)生滑動，最終造成風(fēng)機(jī)損壞［5］。

某渦輪增壓器角接觸球軸承內(nèi)圈溝道產(chǎn)生嚴(yán)重爬行現(xiàn)象，分析認(rèn)為在軸承安裝時，未能使雙半內(nèi)圈四點接觸球軸承與角接觸球軸承內(nèi)圈端面完全接觸，導(dǎo)致系統(tǒng)的軸向載荷主要作用在角接觸球軸承上，過高的軸向載荷超過了角接觸球軸承疲勞強(qiáng)度極限。軸承在高速、重載情況下振動增大，潤滑及散熱情況急劇惡化，導(dǎo)致軸承保持架斷裂。

軸承內(nèi)圈端面與鎖緊螺母之間的預(yù)緊力不足會產(chǎn)生振蝕現(xiàn)象。

3.3.3 過載與偏載

當(dāng)軸承在使用時由于過載等原因使表面局部溫度升高到軸承鋼的Ac1以上時，表面組織便重新奧氏體化，在隨后的冷卻過程中，再次淬成淬火馬氏體，產(chǎn)生二次淬火燒傷。

某軋鋼機(jī)用672736軸承失效，分析表明該軸承在使用時受力超過內(nèi)圈所能承受的接觸疲勞強(qiáng)度，造成內(nèi)圈表面產(chǎn)生小塊金屬剝落，進(jìn)而導(dǎo)致滾動體表面產(chǎn)生麻點和軸承內(nèi)、外圈磨損。

對于熱軋帶鋼軋機(jī)，由于軋材金屬熱流動性強(qiáng)，不易在上、下工作輥之間傳遞軸向剪應(yīng)力，因此，軸向力產(chǎn)生的主要原因是工作輥與支承輥軸線不平行。而圓柱滾子軸承對角度偏差極為敏感，工作輥軸線與支承輥軸線稍有傾斜，就會使軸承受力不均，發(fā)生徑向力偏聚，產(chǎn)生較大附加軸向力。偏差越大，軸向力越大，當(dāng)推力軸承不能抵消產(chǎn)生的軸向力時，將會發(fā)生軸向竄動，使一側(cè)滾道產(chǎn)生接觸疲勞剝落，導(dǎo)致早期失效。

3.4 材料對軸承失效的影響因素

失效軸承樣本中，材料對軸承失效的影響因素主要有材料中夾雜物、化學(xué)元素超標(biāo)及冶煉缺陷等，前3項占總項次的86%（表7）。

表7 材料對軸承失效的影響因素及項次

非金屬夾雜物尤其是氧化物類夾雜物對軸承的接觸疲勞強(qiáng)度有顯著影響，鋼中存在的氧化鋁、球狀變形量小的夾雜對接觸疲勞壽命危害最為嚴(yán)重。據(jù)文獻(xiàn)介紹，引起材料疲勞破壞的夾雜物臨界尺寸隨距表面的深度增加而變大。一般認(rèn)為，在試樣表層能影響疲勞破壞的夾雜物尺寸的下限為8μm，甚至是6μm。對一失效套圈的工作表層進(jìn)行夾雜物檢查時，僅在所取長度為15 mm的金相試樣中就發(fā)現(xiàn)條狀硫化物和球狀氧化物復(fù)合夾雜長度達(dá)28μm，球狀氧化鋁夾雜大于10μm，都超過了上述限值。從失效套圈中觀察到表層內(nèi)萌生裂紋的夾雜物，其長度約為14～18μm，也大于其限值。由此認(rèn)為，大顆粒夾雜是導(dǎo)致套圈早期失效的主要原因［6］。

某送風(fēng)機(jī)失效軸承外圈表面磨損脫落，從測試結(jié)果看，其硬度較GCrl5鋼正常的淬、回火組織硬度明顯偏低。對于GCr15軸承鋼，其鉻含量偏高，碳含量偏低，導(dǎo)致殘留奧氏體含量減少，碳化物分布不均勻，使材料表面硬度下降，耐磨性降低，還使軸承鋼的沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度下降。

4 結(jié)束語

（1）機(jī)械產(chǎn)品要按照生命期質(zhì)量目標(biāo)設(shè)計，只有包括滾動軸承在內(nèi)的基礎(chǔ)零部件都實現(xiàn)生命期質(zhì)量目標(biāo)，產(chǎn)品生命期質(zhì)量目標(biāo)才可能實現(xiàn)。

（2）軸承生命期質(zhì)量受多階段多因素影響，建立和利用軸承失效影響因素集，為實現(xiàn)軸承生命期質(zhì)量目標(biāo)創(chuàng)造條件。

（3）逐步完善軸承失效影響因素集，并籍以修改和補(bǔ)充相關(guān)文獻(xiàn)，引導(dǎo)機(jī)械工程技術(shù)人員建立具體而不只是抽象的軸承和機(jī)器產(chǎn)品生命期質(zhì)量概念。