官萃 斯凱孚（中國）銷售有限公司 （上海 200011）

0.引言

隨著對可靠性要求的提高，軸承成為工程設(shè)計中一個非常重要的部件。越來越嚴(yán)格的要求可能會使以往正常使用的軸承無法滿足現(xiàn)在的要求。雖然現(xiàn)在的軸承鋼材質(zhì)量提高了、軸承設(shè)計取得了進(jìn)步，而且生產(chǎn)過程受到了更好的控制，但對軸承供應(yīng)商來說，提供合格的產(chǎn)品來占領(lǐng)新興的高科技市場（例如真空泵，壓縮機和醫(yī)療設(shè)備等市場）仍是一項挑戰(zhàn)。在實際業(yè)務(wù)領(lǐng)域中，某些特殊情況已經(jīng)要求軸承交付前的內(nèi)部顆粒物降至微米級。

除了某些行業(yè)的要求之外，個人客戶、終端用戶和工業(yè)主機客戶有時也會提出特殊要求，使現(xiàn)代軸承生產(chǎn)的優(yōu)勢不復(fù)存在。例如現(xiàn)場運行過程中，由于暴露在嚴(yán)重污染的介質(zhì)中、不正確的拆裝和不細(xì)致的維護(hù)，軸承很容易喪失原有性能。

本文重點論述與顆粒雜質(zhì)相關(guān)的軸承清潔度問題。對生產(chǎn)商來說，嚴(yán)格控制顆粒含量是生產(chǎn)過程中的一個瓶頸，而在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，保粒對軸承壽命的巨大影響，也希望能夠解決這個問題。證軸承工作環(huán)境的清潔也是用戶面臨的一項難題。雖然出發(fā)點不同，但終端用戶和供應(yīng)商都清楚顆

1.顆粒對軸承性能的影響

如上文所述，在生產(chǎn)方式改進(jìn)并且鋼材質(zhì)量提高之后，用Lundberg-Palmgren[1,2]壽命公式計算出來的軸承壽命仍然達(dá)不到SKF在20世紀(jì)70年代后期用實驗性方法測得的非常長的軸承壽命，即使Lundberg-Palmgren計算公式結(jié)合一些經(jīng)驗法、增加的額定動載荷以及“壽命調(diào)整系數(shù)”[3,4]也是如此。新的實驗結(jié)果與Lundberg-Palmgren公式計算壽命存在差異的原因在于Lundberg和Palmgren得出結(jié)論所依據(jù)的實驗條件。所有實驗都是在當(dāng)時所能達(dá)到的最清潔的實驗室條件下進(jìn)行的。因此，他們假定污物顆粒不會對軸承壽命造成影響。但是實驗中所用過濾器的絕對過濾精度都不高于10 μm，所以Lundberg-Palmgren壽命公式實際上沒有排除由污物顆粒和粗糙接觸[5]造成的來自表面的損傷。因此，試驗環(huán)境越清潔（視當(dāng)前狀況而定），測得的軸承運行時間越長。Ioannides和Harris[6,7]據(jù)此作出了修正。新的壽命模型考慮了更多影響因素，包括表面損傷和顆粒污染。

SKF《軸承綜合型錄》4000[8]發(fā)布以后，新的壽命模型引入了壽命修正系數(shù)aSKF（在ISO 281:2007[9]和?NORM M 6320[10]中分別表示為aISO和aON），用于考慮環(huán)境條件的影響，例如潤滑膜k、雜質(zhì)ηc和材料的疲勞載荷限度Pu。簡單表達(dá)為公式（1）和公式（2）：

新的壽命理論更重視來自表面的損傷，而不是傳統(tǒng)的因材料夾雜而產(chǎn)生的來自表面下的疲勞，因為現(xiàn)在大多數(shù)滾動軸承故障都是由來自表面的損傷造成的。而且存在于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒污染物又是造成此類故障的主要原因。在考慮材料性質(zhì)（即彈性模量、屈服強度、極限強度和泊松比）和摩擦系數(shù)的前提下，根據(jù)參考文件[11]中的有限元模型的分析，積存于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒在重載荷接觸時主要在入口區(qū)產(chǎn)生形變，在經(jīng)過赫茲接觸區(qū)時幾乎不發(fā)生變化，而是在配合面留下壓痕。明顯可以看出，脆性顆粒被挾帶到接觸面時會破碎成小塊，而韌性顆粒在挾帶過程中發(fā)生嚴(yán)重形變，隨后在接觸面受到擠壓，如圖1所示。Wan和Spikes[12]用各種固體碎屑行了非常有意義的研究，實驗結(jié)果表明，標(biāo)稱硬度低于軸承鋼材的大懸浮顆粒能夠進(jìn)入接觸區(qū)，并損壞鋼材表面。這一發(fā)現(xiàn)與Sayles等人[13]的研究結(jié)果完全一致，如圖2所示。Sayles等人的研究表明，即使是非常軟的碎片也會使硬配合面產(chǎn)生塑性變形。

圖 1. 脆性顆粒和韌性顆粒的形變機制

圖 2. 碎片大小與硬度的彈性/塑性狀態(tài)圖

圖3. 帶0.55μm厚潤滑膜的凹陷表面的接觸壓力[14]。

Gabelli等人的研究[14]表明，在產(chǎn)生壓痕后的滾動過程中，在模擬的彈性流體動力潤滑（EHL）接觸面上的凹痕會嚴(yán)重影響接觸壓力和油膜的厚度。Gabelli等人在研究中觀察接觸壓力的分布后發(fā)現(xiàn)，凹痕會引起高壓力峰值，且當(dāng)凹痕位于接觸區(qū)時出現(xiàn)最大壓力峰值。圖3所示為滾動接觸面帶有0.55 μm厚的油膜時，凹陷表面的接觸壓力。最大赫茲壓力p0為1255 MPa。在凹痕肩區(qū)附近可以清楚地觀察到更高的壓力峰值。

SKF研究人員發(fā)現(xiàn)，模擬EHL接觸面上的凹痕造成的高壓會引起很大的內(nèi)應(yīng)力，并使最大內(nèi)應(yīng)力位置從表面下轉(zhuǎn)移至表面。圖4所示為接觸面中心凹陷表面的von Mises應(yīng)力分布?？梢钥闯?，最大應(yīng)力向表面移動，而且與其他條件相同的平滑赫茲接觸面相比，最大應(yīng)力的大小增加了。

接觸面凹陷區(qū)附近周期性出現(xiàn)高應(yīng)力可能會最終導(dǎo)致軸承表面發(fā)生疲勞故障，因為應(yīng)力集中會增大凹痕附近局部位置發(fā)生故障的風(fēng)險。在總體疲勞風(fēng)險相同的情況下，凹陷表面比平滑表面能夠抵抗的應(yīng)力循環(huán)少，因此會縮短軸承壽命。

需要說明的是，上述內(nèi)容是針對滾動接觸面疲勞壽命縮短的情況。顆粒還能引起其他故障。例如軸承內(nèi)部的顆粒會導(dǎo)致磨損，也就是說軸承元件會不斷損耗，最后引發(fā)故障。因此，無論從理論還是實際的角度，減少軸承內(nèi)部顆粒都會延長軸承壽命，提高軸承性能。

2.顆粒提取與測量方法

顆粒是導(dǎo)致軸承故障的重要原因。為避免軸承意外受損，需要對軸承組件進(jìn)行清潔度評估，以便評估并保證軸承的性能。ISO 16232[15]規(guī)定了四種顆粒雜質(zhì)的提取方法。.

? 搖動法：向軸承組件注入已知量的溶劑，封口后搖動，提取雜質(zhì)。

圖4. 接觸面中心凹陷表面內(nèi)部von Mises應(yīng)力分布等值線圖（與其他條件相同的平滑赫茲接觸面對比）

? 加壓沖洗：使用試驗液體加壓沖洗軸承，沖掉雜質(zhì)以便提取。

? 超聲波技術(shù)：超聲波產(chǎn)生的微氣泡在顆粒附近聚爆。然后顆粒就會被排出，在提取液中收集顆粒。

? 功能試驗：模擬組件的運行狀態(tài)，使用流動的液體將雜質(zhì)從軸承表面分離，然后提取顆粒，見圖4。

不論選擇哪種提取方法，都要遵循一個共同的原則。ISO 16232介紹了一種有效的顆粒提取方法，如公式（3）與圖5所示。

Sn代表最后一次提取的顆粒數(shù)量，Si代表每次收集到的顆粒數(shù)量。也就是說，直到最后一次的采樣值（Sn）小于等于總采樣值的1/10時才能停止提取。但是，如果6次提取之后仍不能滿足公式（3），則提取參數(shù)無效，應(yīng)重新檢查。

表1. 顆粒分析方法匯總表

圖5. 提取曲線

必須要注意的是，圖5中的空白值反映組件操作和測試引入的雜質(zhì)，該值也應(yīng)小于假定的用重量法測定的清潔度水平的10%，或小于相關(guān)尺寸顆粒的規(guī)定數(shù)量的10%。

然后，可以通過幾種方法來測定與分析提取的液體。根據(jù)ISO 16232[15]，表1列出了幾種不同的分析方法。實際操作時可以根據(jù)對分析結(jié)果的要求選擇一種或多種方法。

3. SKF采用的方法

為了生產(chǎn)精益求精的產(chǎn)品，SKF根據(jù)ISO 16232的規(guī)定，采用了多種方法來測定軸承使用和生產(chǎn)過程中的污物含量。

介紹SKF采用的方法之前，首先說明造成疲勞壽命縮短和軸承故障的顆粒有可能的來源。軸承生產(chǎn)商和終端用戶，包括產(chǎn)業(yè)鏈上的其他參與者（例如工業(yè)配套客戶），必須盡可能減少顆粒數(shù)量，以便在一開始就達(dá)到最佳清潔度水平。

? 軸承生產(chǎn)過程

– 機械加工產(chǎn)生的金屬碎片

– 從工具(砂輪、珩磨石)上掉落的陶瓷顆粒

– 熱處理時產(chǎn)生的分解產(chǎn)物（氧化鐵，炭黑）

– 研磨膏（碳化硅，氧化鋁等）

– 運輸設(shè)備、傳送帶上的磨損顆粒

– 防銹油、潤滑脂等工藝流體污染

– 外界灰塵

– 紙箱、木箱等包裝材料的纖維

– 重新包裝造成的污染

– ……

? 安裝過程

– 不潔凈工具

– 不潔凈環(huán)境

– 組裝過程產(chǎn)生的金屬顆粒

– ……

? 使用過程

–潤滑油、潤滑脂污染

– 從其他來源進(jìn)入的污染物，例如齒輪磨損

– 從外界進(jìn)入的雜質(zhì)顆粒（密封不當(dāng)）

– ……

3.1 軸承清潔度評估

為確保供應(yīng)的軸承達(dá)到性能要求，需要對產(chǎn)品的清潔度進(jìn)行檢查評估。評估采用重量法和顆粒計數(shù)法。

圖6. 提取柜（左）和自動顯微鏡下的顆粒圖（右）

圖7. 采用在線過濾器時循環(huán)油潤滑的ηc值 - β40(C)≥75，ISO 4406代碼-/19/16[9]

圖 8. 無塵室生產(chǎn)條件

圖 9. 半導(dǎo)體、醫(yī)療行業(yè)專用真空包裝

重量法：準(zhǔn)備過濾器，并在烤箱中烘烤數(shù)小時。冷卻后用精密天平稱量過濾器的重量。把組件放入玻璃碗中，玻璃碗預(yù)先用清洗劑清洗以避免交叉污染。將盛有組件的玻璃碗置于超聲波環(huán)境中，用之前烘干并稱量過的過濾器從液體中收集分離的顆粒。然后將帶有顆粒的過濾器烘干后放在精密天平上再次稱量。過濾器與之前相比的重量變化即為提取顆粒的重量。

顆粒計數(shù)法：本方法結(jié)合了加壓沖洗法和自動顯微鏡技術(shù)。在密閉柜中進(jìn)行提取，沖洗前測出密閉柜的空白值。沖洗完組件后，將過濾器在烤箱中烘干。然后使用自動顯微鏡來數(shù)出顆粒數(shù)量。最后生成組件清潔度代碼和顆粒特征圖。圖6所示為顯微鏡視野下的顆粒圖。

3.2 防止污染

SKF針對外部客戶和內(nèi)部自身生產(chǎn)條件提出了一系列方法，用于防止污染、提高軸承清潔度。

外部：在早期設(shè)計階段，SKF工程師會與客戶共同探討軸承的使用，向客戶推薦采用的軸承類型和密封技術(shù)，防止工作環(huán)境中的顆粒污染軸承。此外，采用過濾技術(shù)實現(xiàn)更清潔的潤滑，也是有效防止?jié)櫥臀廴?、防止軸承使用過程中產(chǎn)生磨損碎片的一種方法。比如，現(xiàn)在可以在市面上購買到絕對精度為3 μm的過濾器。如果要軸承的壽命更長，還可以選擇更精細(xì)的過濾器。而且，SKF《軸承綜合型錄》[16]和ISO 281:2007[9]中采用了定量參數(shù)ηc來代表不同的污染等級，因此能夠更精確地預(yù)測軸承壽命L10。確定系數(shù)ηc的值時，根據(jù)ISO 4406:1999[17]來量化潤滑油的污染等級，將其作為系數(shù)ηc的取值依據(jù)。圖7[9]所示為使用在線過濾器時，確定循環(huán)油潤滑ηc值的方法。在圖中可以明確看出，ηc取決于潤滑油膜厚度（k）、軸承尺寸（Dpw）和固體污染等級（用ISO 4406代碼表示）。最后但同樣重要的一點是，現(xiàn)在我們通過各種渠道來讓客戶了解軸承清潔度的重要性。為獲得最佳軸承性能，軸承供應(yīng)商和客戶需要共同努力。

內(nèi)部：為提高產(chǎn)品清潔度，SKF對每道工序都加倍重視。下面介紹了SKF采取的典型措施及相關(guān)圖片。

? 無塵室：如圖8所示，為避免空氣中的灰塵和衣物纖維的影響、滿足客戶要求，某些高精度、超高精度和航空用軸承在無塵室中生產(chǎn)、保存和包裝。

? 真空包裝：如圖9所示，在無塵室中生產(chǎn)的軸承用真空包裝袋專門包裝。包裝包括1張鋁箔、1個抗靜電低密度聚乙烯（LDPE）袋，3個硅膠袋和1個標(biāo)準(zhǔn)LDPE袋。另外，為適應(yīng)真空應(yīng)用，里面的軸承也特別涂抹了少量潤滑脂。該類軸承主要用于半導(dǎo)體和醫(yī)療行業(yè)。

? 激光標(biāo)識：采用該技術(shù)代替蝕刻液，因為蝕刻液會產(chǎn)生顆粒。

4.挑戰(zhàn)

用戶采取了很多措施來避免軸承使用過程中受到的外部顆粒污染（即ηc），但對軸承生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的顆粒卻了解不多。一些客戶不斷提高對產(chǎn)品的清潔度要求，但在某些工作條件下，這不一定能提高軸承的性能。例如，當(dāng)滾動接觸面之間建立起全膜潤滑時，比油膜厚度小的顆粒通常會被沖走，而不會給滾道造成任何損傷。而且，除了生產(chǎn)過程形成的顆粒外，來自外部介質(zhì)的碎片量也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以便匹配軸承產(chǎn)品清潔度等級的要求。因此，要讓用戶形成對軸承清潔度的正確認(rèn)識。

如上文所述，客戶廣泛采用過濾技術(shù)，但采用過濾方法存在兩個主要問題。一個是過濾器堵塞，另一個是油添加劑會被去除。越精細(xì)的過濾器越容易堵塞。堵塞原因不僅是濾下的污染物增多，而且由于靜電力太微弱，不能對大顆粒產(chǎn)生影響，而會使小顆?？ㄔ谶^濾器中。卡住的小顆粒會聚集在一起形成大塊，阻塞過濾器。精細(xì)過濾的另一個問題是不溶于油的油添加劑可能會被去除。在某些情況下，例如使用靜電過濾器時，即使某些添加劑可溶于油，也很有可能受靜電場影響而被去除掉。

除了油潤滑之外，從滾動軸承使用的潤滑脂中分離污染物碎片也一直是一個技術(shù)難題，因為潤滑脂不能通過次微米級的過濾器。雖然某些分離技術(shù)可以利用特定溶劑將濃稠的雜質(zhì)碎片與潤滑脂增稠劑分離開，但這些溶劑通常都對環(huán)境有害，而且違反安全、健康、環(huán)境方面的法規(guī)。此外，纖維等低密度雜質(zhì)碎片不能用常規(guī)方法從潤滑脂中分離。而且在潤滑脂供應(yīng)商看來，生產(chǎn)顆粒含量低于特定范圍的潤滑脂是不現(xiàn)實的。無論在生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是在使用環(huán)節(jié)，上述所有限制因素都對脂潤滑軸承的清潔度評估造成了困難。

5.未來的發(fā)展與結(jié)論

理論上講，新的SKF壽命理論對解釋和預(yù)測由顆粒污染ηc引起的疲勞壽命縮短是有幫助的，并在如今廣泛應(yīng)用于軸承工作環(huán)境的污染分析。本文所述各種研究都證明了軸承清潔度對軸承應(yīng)用的重要性。為了提高軸承清潔度，供應(yīng)商和終端用戶雙方應(yīng)共同努力，既要改進(jìn)生產(chǎn)工藝，又要避免工作環(huán)境中的交叉污染。為了準(zhǔn)確了解產(chǎn)品的清潔度水平，應(yīng)該通過特定的評估來確定顆粒含量，這也有利于我們不斷改進(jìn)。雖然我們?yōu)榻鉀Q這個問題付出了很多努力，但在這個領(lǐng)域還存在很多挑戰(zhàn)，例如從脂潤滑軸承中分離碎片。清潔度提高后，軸承壽命隨之提高，也間接為環(huán)保做出了貢獻(xiàn)。但是，客戶和終端用戶應(yīng)該對軸承清潔度形成正確的認(rèn)識。過度的關(guān)注和不現(xiàn)實的要求不會讓軸承性能提高很多，反而會耗費更多能源，不利于環(huán)保。致謝：

在此謹(jǐn)向荷蘭Nieuwegein SKF工程研發(fā)中心（ERC）高級研究員G. E. Morales-Espejel先生以及瑞典Gothenburg SKF生產(chǎn)開發(fā)中心（MDC）項目經(jīng)理J. V. Riet先生對本文的技術(shù)支持表示感謝。

[1]Lundberg, G.; Palmgren, A.: Dynamic capacity of rolling bearings, Acta Polytechnica, Mech. Eng. Vol. 1, No. 3 (1947)

[2]Lundberg, G.; Palmgren, A.: Dynamic capacity of rolling bearings, Acta Polytechnica, Mech. Eng. Vol. 2, No. 4 (1952)

[3]Fernlund, L.: The interaction between strategy and technological progress, SKF Ball Bearing Journal, Special Issue 1989

[4]Wuttkowski, J.; Ioannides, E.: The new life theory and its practical consequences, SKF Ball Bearing Journal, Special Issue 1989

[5]Ioannides, E.; Jacobson, B.: Dirty lubricants – reduced bearing life, SKF Ball Bearing Journal, Special Issue 1989

[6]Ioannides, E.; Harris, T. A.: A new fatigue life model for rolling bearings, ASME Journal of Lubrication Technology, Vol. 107 1985,pp. 367-378 and Ball Bearing Journal, 224, pp. 2-21

[7]Ioannides, E.; Bergling, G.; Gabelli, A.: An Analytical Formulation fort he Life of Rolling Bearings, Acta Polytechnica Scandinavica, mechanical engineering series No. 137, ESPOO 1999

[8]SKF, General Catalogue 4000, 1994-12

[9]ISO 281:2007, Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life, second edition, 2007

[10]?NORM M 6320-1:2007-11 Vorschlag, Tragf?higkeit von W?lzlagern; Teil 1: Berechnungsverfahren für (Rotations-) W?lzlager

[11]Kang, Y.; Sadeghi, F.; Hoeprich, M. R.: A Finite Element Model for Spherical Debris Denting in Heavily Loaded Contacts, Journal of Tribology, Vol. 126, pp 71-80 (January 2004)

[12]Wan, G.T.Y.; Spikes, H. A.: The Behavior of Suspended Solid Particles in Rolling and Sliding Elastrohydrodynamic Contacts,STLE Tribol. Trans., 31(1), pp 12-21, 1988

[13]Sayles, R. S.; Hamer, J. C.; Ioannides, E.: The Effects of Particulate Contamination in Rolling Bearings – A State of the Art Review,Proc. of IMechE, 204, pp 29 – 36 (1990).

[14]Gabelli, A., Morales-Espejel, G. E.; Ioannides, E.: Particle Damage in Hertzian Contacts and Life Ratings of Rolling Bearings,Tribology Transactions, 51:428-445, 2008

[15]ISO 16232:2007, Road Vehicles – Cleanliness of components of f l uid circuits – part 1 to 10, f i rst edition, 2007

[16]SKF, General Catalogue 6000, November 2005

[17]ISO 4406:1999, Hydraulic f l uid power – Fluids – Methods for coding the level of contamination by solid particles