滾動(dòng)軸承保持器磨損對(duì)軸承失效的影響*

黃海軍 王 雪 薛楷杰

(1.浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 310051；2.浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司浙江杭州 310051；3.南開大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院 天津 300072)

滾動(dòng)軸承作為基礎(chǔ)件已被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)及生活的各個(gè)領(lǐng)域。相關(guān)研究證實(shí)，滾動(dòng)軸承，特別是脂潤(rùn)滑軸承的質(zhì)量、運(yùn)轉(zhuǎn)特性、使用壽命乃至于可能的整體設(shè)備的早期故障等，均與其軸承本身的磨損有關(guān)。其原因除了脂潤(rùn)滑軸承在使用過程中所產(chǎn)生的磨損磨?；烊霛?rùn)滑劑后不易排除，造成軸承表面進(jìn)一步的刮傷及更為嚴(yán)重的磨損外，它還會(huì)因磨損微粒的催化效應(yīng)加劇潤(rùn)滑脂的化學(xué)劣化，使軸承脂潤(rùn)滑性能不斷減弱,進(jìn)而影響軸承的早期疲勞失效，降低軸承使用壽命。因此滾動(dòng)軸承的摩擦行為和磨損過程研究等始終是行業(yè)內(nèi)外所關(guān)注的重點(diǎn)之一。

多年來(lái)，人們普遍認(rèn)為軸承在常規(guī)使用狀況下的摩擦磨損行為及疲勞失效主要發(fā)生于軸承滾動(dòng)體與滾道之間，作為軸承中的主件之一的保持器在軸承運(yùn)行過程中僅起分離、分隔滾動(dòng)體的作用。但自19世紀(jì)初人們發(fā)現(xiàn)軸承在運(yùn)行過程中保持器存在著一定的滑動(dòng)現(xiàn)象后，從理論上證實(shí)了保持器滑動(dòng)摩擦及磨損行為的存在。 隨后大量的研究分別從實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)踐論證的角度，探討了軸承保持器滑動(dòng)對(duì)軸承摩擦與磨損的影響作用。BISWAS、GUPTA等[2-3]對(duì)球及滾子軸承的保持器滑動(dòng)過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究和理論計(jì)算，認(rèn)為球及滾子軸承的保持器滑動(dòng)過程既受軸承外滾道的引導(dǎo)和制約，又受軸承內(nèi)滾道的引導(dǎo)影響。SELVARAJ和MARAPPAN[4]研究了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各因素變化對(duì)軸承保持器滑動(dòng)過程的影響，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步揭示了軸承保持器滑動(dòng)與一些軸承運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的關(guān)系。LU等[5]提出軸承保持器的滑動(dòng)最初是因負(fù)載和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起，保持器的滑動(dòng)速度隨徑向負(fù)載改變而變化。DENG等[6]對(duì)軸承徑向載荷、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、潤(rùn)滑劑黏度和溫度與保持器滑動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了分析。

除了上述研究工作外，研究人員也試圖通過理論建模分析、優(yōu)化保持器兜孔設(shè)計(jì)、改善軸承保持器表面摩擦因數(shù)以及改變保持器材質(zhì)成分等，來(lái)不斷降低軸承保持器在實(shí)際應(yīng)用過程中的摩擦磨損[7-9]。但由于軸承保持器在軸承實(shí)際運(yùn)行中的滑動(dòng)行為，以及它與滾動(dòng)體之間的接觸摩擦，受諸多因素影響，因此對(duì)軸承運(yùn)行中保持器實(shí)際磨損量的定量分析及它對(duì)軸承性能的具體影響等研究，都尚處于起步階段，有待于進(jìn)一步的探索和研究[10-13]。

本文作者借助于XRF等技術(shù)對(duì)各類實(shí)際使用的脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承樣本進(jìn)行調(diào)查和分析，利用獲得的各參數(shù)的對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究，重點(diǎn)探討保持器磨損與軸承整體磨損之間的相關(guān)性和定量關(guān)系；同時(shí)初步分析和評(píng)估了保持器磨損過程所產(chǎn)生的磨粒成分對(duì)軸承滾動(dòng)疲勞形成、潤(rùn)滑脂失效的影響。研究結(jié)果對(duì)深入了解和掌握脂潤(rùn)滑軸承保持器磨損發(fā)生、發(fā)展過程和影響因素具有一定的參考價(jià)值。

1 XRF技術(shù)應(yīng)用于軸承磨損的分析

X-射線熒光光譜分析技術(shù)(簡(jiǎn)稱XRF)是一種快速、無(wú)損元素成分分析技術(shù)，它利用樣品中不同元素原子受高能輻射激發(fā)后引發(fā)內(nèi)層電子的躍遷，進(jìn)而發(fā)射出具有不同能量特性及不同波長(zhǎng)特性的二次X射線的原理，來(lái)定性和定量獲知樣品中各元素的種類及含量。

XRF分析技術(shù)的元素測(cè)定范圍較寬，固體、粉末、液體等樣品均可直接進(jìn)行分析，相對(duì)其他分析手段具有分析速度快、多元素同時(shí)測(cè)定、干擾小、分析精密度高且跟樣品中材料的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。XRF分析技術(shù)應(yīng)用于磨損分析和質(zhì)量監(jiān)控可以追溯到20世紀(jì)70年代，美國(guó)三軍聯(lián)合油料分析支持中心采用X螢光能譜對(duì)飛機(jī)F404渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損進(jìn)行了分析和失效預(yù)警，取得了較為滿意的結(jié)果[14-15]。近年來(lái)，XRF分析技術(shù)除了用于材料元素成分分析外，也被作為航空、船舶及汽車磨損及相關(guān)摩擦零部件運(yùn)行過程中磨損的常規(guī)定量分析及檢測(cè)手段。相對(duì)于其他常見的元素成分檢測(cè)和分析方法，如原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜及轉(zhuǎn)盤電極發(fā)射光譜( ROAD AES)，XRF分析技術(shù)不但可以在材料磨損及失效分析時(shí)不進(jìn)行預(yù)處理，直接分析各形態(tài)的樣品外，還能避免某些分析手段因無(wú)法檢測(cè)大于10 μm以上的金屬磨損微粒成分，從而造成數(shù)據(jù)失真，甚至得到完全錯(cuò)誤結(jié)果的情況[16-17]。

文中以各類實(shí)際使用的脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承中潤(rùn)滑脂試樣為研究對(duì)象，借助于美國(guó)ThermoFisher公司的ARL ADVANT’X IntelliPowerTM 4200 X射線熒光光譜儀，對(duì)從軸承樣品中獲取的潤(rùn)滑脂試樣直接進(jìn)行檢測(cè)和分析，并以其中重金屬如鐵、銅等含量作為定量分析軸承磨損的依據(jù)和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)指標(biāo)。具體方法及過程如下：

(1)取樣：打開使用后的軸承防塵蓋、密封圈，用專用取樣器將其中的潤(rùn)滑脂從軸承中取出；

(2)混樣：將取出的潤(rùn)滑脂攪拌均勻1 min，取其中3 g作為分析試樣；

(3)分析：將3 g分析試樣放入帶邁拉膜的XRF試樣盒中進(jìn)行成分分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

為了論證XRF技術(shù)在脂中所檢測(cè)的鐵、銅等金屬元素的含量與脂潤(rùn)滑軸承或部件實(shí)際磨損之間存在相關(guān)性，探討其分析數(shù)據(jù)、信息是否能真實(shí)地反映和代表軸承或軸承部件的磨損程度，對(duì)多組不同類型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的黃銅保持器脂潤(rùn)滑軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)速度、負(fù)載下的脂樣本進(jìn)行了測(cè)試和分析，并分別對(duì)其脂中的鐵、銅含量與各材料中的鉻、黃銅含量(鋅與銅總量)進(jìn)行了對(duì)比。

圖1給出了多組黃銅保持器軸承潤(rùn)滑脂樣品中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)試結(jié)果與各樣品中鉻含量相對(duì)于鐵含量的占比。結(jié)果表明，盡管各樣品實(shí)測(cè)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異巨大，從最低0.067%到最高16.25%，相差最高達(dá)240倍，但各樣品中鉻與鐵含量的比例卻始終處于1.0%～2.0% 之間，其中有約50%的樣品的Cr/Fe在1.3%～1.85% 之間，與軸承鋼材料本身鉻與鐵含量的比例的分析結(jié)果相吻合。

圖1 黃銅保持器軸承潤(rùn)滑脂樣品中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Cr/Fe比例

圖2給出了軸承潤(rùn)滑脂試樣中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)試結(jié)果及樣品中銅含量相對(duì)于銅鋅總量(Cu/Brass)的占比。 同樣可得出，約有80%以上樣品的Cu/Brass數(shù)據(jù)在58%～64% 之間，符合黃銅材料的元素構(gòu)成。

圖2 黃銅保持器軸承潤(rùn)滑脂樣品中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Cu/Brass比例

此外，對(duì)溶劑分離處理后殘留于潤(rùn)滑脂樣品固體物相中的鐵、銅進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，上述鐵及銅成分均是以5～70 μm固體顆粒狀的形態(tài)存在于樣品中。因此，上述分析數(shù)據(jù)及結(jié)果充分地說明運(yùn)用XRF技術(shù)在軸承潤(rùn)滑脂樣品中所檢測(cè)的鐵、銅元素分別來(lái)源于軸承主體套圈、滾動(dòng)體以及黃銅保持器構(gòu)件中，且以固體磨損顆粒的形式存在于潤(rùn)滑脂樣中。因此作為衡量軸承整體或部件磨損的表征參數(shù)，XRF分析結(jié)果能基本準(zhǔn)確和真實(shí)地反映實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承的磨損程度。

2 銅保持器的磨損及影響

相對(duì)與鋼及其他材料的保持器，黃銅軸承保持器具有耐磨、自潤(rùn)滑、載重力強(qiáng)的特點(diǎn)，它作為一種常見的保持器被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)電及汽車行業(yè)。

圖3和圖4分別給出了對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)以黃銅材料作為保持器的多組240/600球面滾子軸承，經(jīng)4 000和8 000 h運(yùn)行后潤(rùn)滑脂中鐵及銅成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果。結(jié)果表明，盡管軸承樣本的運(yùn)行時(shí)間不同，但軸承的潤(rùn)滑脂中都存在銅的成分，這說明軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其銅保持器確實(shí)存在著一定程度的磨損。圖3中71組風(fēng)電軸承在運(yùn)行4 000 h后潤(rùn)滑脂中銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007 4%，鐵的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.074 5%。而圖4中運(yùn)行8 000 h后的71組風(fēng)電軸承的潤(rùn)滑脂中銅和鐵的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)則分別提高至0.027% 和0.202%。兩組樣本中的銅及鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中位數(shù)分別由0.005 6%和0.030%增加至0.011 2%和0.129%。針對(duì)脂潤(rùn)滑軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軸承運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的磨損微粒會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間、磨損的持續(xù)而不斷產(chǎn)生并累積于潤(rùn)滑脂中，盡管上述兩組樣本中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都表明其保持器的磨損程度要低于軸承本身滾動(dòng)體間的磨損，但圖4所示樣本中表征為軸承本身滾動(dòng)體間磨損的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在運(yùn)行8 000 h后有顯著的提高。這一現(xiàn)象也許與軸承在運(yùn)行初期時(shí)滾道與滾動(dòng)體本身表面狀態(tài)較為理想，磨粒磨損過程相對(duì)較低有關(guān)。隨著后期軸承滾道與滾動(dòng)體之間黏著磨損和磨粒磨損的加劇，使?jié)L動(dòng)體表面狀態(tài)相對(duì)變差，導(dǎo)致軸承磨損量加劇。

圖3 運(yùn)行4 000 h后240/600軸承的潤(rùn)滑脂樣品中鐵與銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 運(yùn)行8 000 h后240/600軸承的潤(rùn)滑脂樣品中鐵與銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為進(jìn)一步分析和研究軸承在不同運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)軸承本身滾動(dòng)磨損量的變化規(guī)律及它與保持器磨損間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)運(yùn)行4 000和8 000 h的240/600風(fēng)電軸承的潤(rùn)滑脂樣品中銅與鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性進(jìn)行了回歸統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。結(jié)果表明，在運(yùn)行4 000 h后軸承的潤(rùn)滑脂樣品中銅磨損顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵磨損顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈現(xiàn)一個(gè)正相關(guān)的關(guān)系，即銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增加。而軸承運(yùn)行8 000 h后回歸分析數(shù)據(jù)則顯示，銅磨損顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化受鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響明顯降低。其主要原因是，作為摩擦工作面的軸承滾動(dòng)體間所出現(xiàn)的磨粒增量，除源自本身的磨粒磨損外,還與保持器磨損產(chǎn)生的磨粒有關(guān)。特別是在軸承運(yùn)行過程的初期，由于滾動(dòng)體本身表面狀態(tài)較為理想，保持器的磨損相對(duì)較高，此時(shí)保持器磨損所產(chǎn)生的磨粒便成為影響軸承滾動(dòng)體磨粒磨損的主導(dǎo)因素，而后期由于不斷加劇的滾動(dòng)體磨損導(dǎo)致其工作面產(chǎn)生大量磨粒，這些磨粒逐漸成為影響滾動(dòng)體磨粒磨損的主導(dǎo)因素，此時(shí)滾動(dòng)體的磨損過程受保持器磨損的影響便降低了。

圖5 運(yùn)行4 000 h后240/600軸承的潤(rùn)滑脂樣品中銅與鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性的回歸分析

圖6 運(yùn)行8 000 h后240/600軸承的潤(rùn)滑脂樣品中銅與鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性的回歸分析

這一分析從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了軸承保持器磨損在軸承初期摩擦磨損過程中的重要性。此外，它對(duì)軸承運(yùn)行性能的影響，包括軸承磨損的形成及發(fā)展，都有進(jìn)一步分析與研究的必要。

3 鋼和高聚物保持器的磨損及影響

優(yōu)質(zhì)的碳素鋼和高聚物材料，如尼龍等也被普遍作為滾動(dòng)軸承的保持器材料。鋼制保持器的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、易于加工，因此眾多O系列球軸承保持器常采用08或10優(yōu)質(zhì)碳素鋼薄板經(jīng)冷沖壓方式加工成浪形保持器。而用量最大的非金屬保持器材料之一是添加有玻纖增強(qiáng)材料的聚酰胺材料。因其質(zhì)量輕，具有良好的強(qiáng)度、一定的自潤(rùn)滑性能、摩擦小及不易銹蝕等特點(diǎn)，常用于工作溫度在-40～120 ℃之間的小型滾動(dòng)軸承。

圖7給出了運(yùn)用XRF分析對(duì)41組實(shí)際使用過程中的鋼制浪形保持架密封球軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂中主要磨損成分鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果。由于其針對(duì)的分析樣本源于不同型號(hào)的球軸承，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不同，負(fù)載和運(yùn)行時(shí)間也不一樣，且部分樣本已出現(xiàn)了磨損失效跡象，因此各樣本中磨損成分中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)間差異十分明顯，從最小的0.097% 到13.41%，差距達(dá)到130倍以上。同時(shí)，圖7中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果所代表的數(shù)據(jù)是一個(gè)含鐵的總量，雖然無(wú)法具體區(qū)分或量化每一樣品中軸承保持架與軸承滾動(dòng)件間各自的磨損，但是由于軸承保持架與軸承滾動(dòng)體所使用的材料不同，因此可以借助它們之間的差異來(lái)確定保持架是否存在磨損及對(duì)其磨損程度作出一個(gè)初步的概率計(jì)算和評(píng)估。圖8給出了上述鋼制保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中鉻、鐵含量比，并與非鋼制保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中鉻、鐵含量比進(jìn)行比較?？梢钥闯觯M管2種保持器Cr/Fe統(tǒng)計(jì)分布都呈現(xiàn)正態(tài)分布，但差距卻十分明顯；非鋼制保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中Cr/Fe統(tǒng)計(jì)分布的置信區(qū)間為1.42～1.54，表明約有95%的分布可能性位于該區(qū)間，即95%樣品磨損顆粒中鉻元素約占鐵元素比值的可能性區(qū)間為1.42%～1.54%，這與軸承滾動(dòng)體的構(gòu)成成分基本吻合，說明其鐵質(zhì)磨損顆粒均來(lái)自于軸承滾動(dòng)體表面。而上述41組不同型號(hào)的鋼制保持器球軸承內(nèi)油脂樣品中Cr/Fe統(tǒng)計(jì)分布的置信區(qū)間僅為0.76～1.09，遠(yuǎn)低于對(duì)照組，由此可證實(shí)大部分以鋼作為保持器的球軸承在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的磨損顆粒中或多或少地存在著普通碳素鋼成分。而這些不含鉻的碳素鋼成分無(wú)疑與軸承鐵質(zhì)保持器本身的磨損密切相關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)概率統(tǒng)計(jì)方法初步計(jì)算和推論認(rèn)為，以碳素鋼作為保持器的球軸承在運(yùn)行過程中，浪形保持器本身所產(chǎn)生的磨損占軸承總磨損的分?jǐn)?shù)在28～45區(qū)間的概率為95%。

圖7 鋼制浪形保持器滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂樣品中的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8 鋼制保持器和非鋼制保持器軸承的潤(rùn)滑脂樣品中鉻/鐵占比(Cr/Fe)的分布對(duì)比

圖9給出了47組非金屬材料尼龍保持架密封球軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂在實(shí)際使用過程中的主要磨損成分鐵及硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)比分析結(jié)果。由于大多數(shù)的尼龍保持架材料中都添加有質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～40%左右的玻纖材料以提高其非金屬尼龍的強(qiáng)度和剛性，因此將磨損顆粒成分中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為計(jì)量和評(píng)估軸承尼龍保持架是否存在磨損及磨損程度高低的數(shù)據(jù)指標(biāo)。圖9中約有近80%油脂樣本的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.004%～0.052%之間，而相對(duì)應(yīng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.010%～0.077%之間。由于軸承套圈、滾動(dòng)體本身含有少量硅，軸承在生產(chǎn)、加工及使用過程中也會(huì)有一些含硅雜質(zhì)混入。因此為了排除其影響，文中采用同樣統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)上述尼龍保持器軸承樣本中硅元素與鐵元素的比例，即Si/Fe進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)對(duì)包括銅及鋼制金屬保持器在內(nèi)的軸承潤(rùn)滑脂樣本中硅、鐵元素比例的統(tǒng)計(jì)分布作為對(duì)照組進(jìn)行分析和對(duì)比，如圖10所示。結(jié)果表明，作為對(duì)照組的金屬保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中Si/Fe統(tǒng)計(jì)分布所呈現(xiàn)的是一個(gè)離散度很小的正態(tài)分布，其置信區(qū)間僅為4.67～7.50。經(jīng)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分布的計(jì)算,結(jié)果表明，金屬保持器軸承在實(shí)際應(yīng)用過程中因本身磨損，包括在生產(chǎn)、加工及使用過程中混入的含硅雜質(zhì)在內(nèi)的硅元素含量很低，按Si/Fe數(shù)值計(jì)算大于10的概率可能性極低。相對(duì)而言，尼龍保持器球軸承內(nèi)油脂樣品中的Si/Fe統(tǒng)計(jì)分布則是一個(gè)離散度很大的正態(tài)分布，95%分布可能性位于的置信區(qū)間為33.3～49.1，顯著高于對(duì)照組。

圖9 尼龍保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中鐵與硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖10 尼龍保持器與金屬保持器軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂樣品中硅/鐵占比(Si/Fe)的分布對(duì)比

對(duì)上述Si/Fe統(tǒng)計(jì)分布的比對(duì)數(shù)據(jù)分析，可以充分說明大多數(shù)尼龍保持架軸承在實(shí)際應(yīng)用過程中軸承內(nèi)的油脂中出現(xiàn)的較高含量的硅元素成分，大多與尼龍保持器的填料有關(guān)。由此也證實(shí)高聚物尼龍保持架與其他金屬材料保持架相同，在軸承運(yùn)行過程中也存在著相類似的磨損。

4 保持器磨損對(duì)軸承失效的影響

借助大數(shù)據(jù)分析亦已證實(shí)，作為滾動(dòng)軸承的保持器，無(wú)論是碳素鋼、高聚物尼龍或黃銅材料保持器，在軸承運(yùn)行使用過程中其都存在一定程度的滑動(dòng)磨損。保持器的滑動(dòng)磨損通常情況下小于軸承滾動(dòng)體本身的磨損，但也不排除在使用過程中受設(shè)計(jì)、制造、使用條件、環(huán)境等因素的影響，造成保持器磨損有顯著提高的可能，甚至因此引發(fā)或?qū)е卤３制髌茐?、斷裂或軸承的失效。2013年6月就曾有尼龍保持器因添加的玻纖量超標(biāo)造成脆性提高，導(dǎo)致滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中發(fā)生嚴(yán)重失效破壞的案例。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，因保持器磨損導(dǎo)致軸承失效的占比在軸承失效總數(shù)的10%以上。此外，由于保持器所用的材料不同，它對(duì)軸承失效過程的影響及表現(xiàn)特征可能有較大的差異。

表1、表2分別給出了多起尼龍和金屬保持器軸承失效后對(duì)失效軸承樣本，包括利用紅外光譜對(duì)潤(rùn)滑脂使用前后化學(xué)結(jié)構(gòu)、成分變化的分析結(jié)果。結(jié)果表明，對(duì)于多數(shù)尼龍保持器軸承，保持器磨損對(duì)其軸承疲勞壽命和軸承失效的主要影響，可歸因于滑動(dòng)磨損出現(xiàn)的大量高聚物及硬質(zhì)填料磨損顆粒加劇了軸承本身的磨粒磨損，結(jié)果導(dǎo)致軸承疲勞失效的過早發(fā)生。以尼龍保持器磨損為主導(dǎo)的軸承失效過程的一個(gè)明顯特征，是其保持器磨損程度或磨損量在磨損總量的占比會(huì)明顯增加，甚至超過軸承滾動(dòng)件的磨損。其中也有部分失效軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，這可能與滑動(dòng)磨損產(chǎn)生的硬質(zhì)顆粒參與并加速了軸承滾道表面的磨粒磨損進(jìn)程有關(guān)。由于滑動(dòng)磨損產(chǎn)生的惰性硬質(zhì)玻纖及高聚物顆粒很少影響潤(rùn)滑脂的氧化進(jìn)程，也不明顯構(gòu)成對(duì)潤(rùn)滑脂稠化劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞。所以軸承在以尼龍保持器磨損為主導(dǎo)發(fā)生的疲勞失效過程中，多數(shù)潤(rùn)滑脂并不一定發(fā)生顯著的氧化或出現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分變化的跡象，通過電鏡能觀察到部分殘留的油脂稠化劑原始纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在(如圖11所示)，因此該類磨損顆粒對(duì)軸承失效的影響更多地反映出一種惰性的、單純的機(jī)械磨料的作用。這類軸承最終的失效機(jī)制及失效過程大多表現(xiàn)為磨損失效。

圖11 尼龍保持器軸承6個(gè)失效樣本內(nèi)脂稠化劑的電鏡形貌(>40 000倍)

表1 尼龍保持器球軸承失效樣本的分析

表2 金屬保持器軸承失效樣本的分析

與尼龍材料不同，金屬保持器所產(chǎn)生的磨損顆粒對(duì)軸承的影響，除了與上述高聚物材料具有相類似的特征以外，最大的差別在于金屬質(zhì)保持器所產(chǎn)生的磨損顆粒具有金屬活性和催化性，它對(duì)脂的化學(xué)氧化、劣化及稠化劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞可能會(huì)更明顯。經(jīng)對(duì)軸承中殘存的潤(rùn)滑油脂的紅外光譜數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證實(shí)了大多數(shù)鋼制保持器軸承在完全失效前油脂就已出現(xiàn)了不斷強(qiáng)化的化學(xué)氧化趨勢(shì)；此外，大多數(shù)軸承在失效時(shí)脂的稠化劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已基本被破壞，如圖12所示。

圖12 鋼制保持器軸承6個(gè)失效樣本內(nèi)脂稠化劑的電鏡形貌(>40 000倍)

由此可見，對(duì)于金屬保持器，特別是鋼制保持器所形成的磨損顆粒，不但會(huì)加速軸承滾道表面的磨粒磨損進(jìn)程，還會(huì)加速軸承脂的氧化、劣化過程，致使軸承在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效或破壞。因此，這類軸承最終的失效機(jī)制及失效過程的特征表現(xiàn)為磨損加劇和潤(rùn)滑效能下降兩項(xiàng)因素的疊加，且互為影響的結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在脂潤(rùn)滑條件下，采用銅、碳鋼及尼龍材料保持器的軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持器始終存在著一定程度的磨損，但其磨損程度通常要遠(yuǎn)小于軸承本身滾動(dòng)體間的磨損。

(2)不同材料的保持器在軸承運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的磨損顆粒對(duì)脂潤(rùn)滑軸承的影響不同，對(duì)于尼龍或高聚物保持器，因其含有玻纖增強(qiáng)材料，因此它所形成的磨損顆粒的影響更多地反映在作為硬質(zhì)磨料的機(jī)械效應(yīng)上。而鐵質(zhì)保持器，由于磨損顆粒具有金屬活性和催化性，因此它同時(shí)具有對(duì)脂的化學(xué)氧化、劣化及稠化劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞作用。

(3)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，以銅作為保持器的軸承在前期運(yùn)行過程中，銅與鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈現(xiàn)一個(gè)正相關(guān)的關(guān)系，且保持器所產(chǎn)生的磨損相對(duì)軸承滾道與滾動(dòng)體之間的磨損普遍較高，而后期則都明顯下降。這可能與初期軸承滾道與滾動(dòng)體本身表面狀態(tài)相對(duì)理想，產(chǎn)生的磨損相對(duì)略低有關(guān)；隨著軸承滾道與滾動(dòng)體之間不斷加劇的黏著磨損和磨粒磨損，滾動(dòng)體摩擦工作面狀態(tài)不斷變化，由此產(chǎn)生的大量磨粒逐漸成為影響軸承磨粒磨損進(jìn)程的主導(dǎo)因素，因此保持器在軸承后期磨損量相對(duì)占比上有降低的現(xiàn)象。