王姍姍,郭浩,3,4,雷建中,張永振

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 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(yáng) 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(guó)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(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 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(shuō)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(lái)越苛刻，對(duì)軸承的使用要求也越來(lái)越高，例如高精密、耐腐蝕、無(wú)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(dòng)軸承磨損失效的主要表現(xiàn)形式是表面磨損，文獻(xiàn)[13]對(duì)所收集的2個(gè)品牌的200余套轎車(chē)后輪軸承的失效統(tǒng)計(jì)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(duì)策, 提高軸承的使用壽命具有很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 滾動(dòng)軸承磨損的類(lèi)型

滾動(dòng)軸承磨損的分類(lèi)方法較多。按磨損的部位不同，有內(nèi)外圈磨損、滾動(dòng)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(lèi)[14]：疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損；GB/T 26411—2009《滾動(dòng)軸承 損傷和失效術(shù)語(yǔ)、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(chēng)為疲勞)和腐蝕磨損分別列為失效模式，電蝕也單獨(dú)歸類(lèi)[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(duì)磨損失效進(jìn)行論述，具體磨損類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 滾動(dòng)軸承磨損的類(lèi)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(guò)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(duì)收集到的滾動(dòng)軸承磨損失效案例(共64套)按照下述歸類(lèi)的影響因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，滾動(dòng)軸承磨損失效主要受潤(rùn)滑狀態(tài)與密封技術(shù)影響，其次為滾動(dòng)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(dòng)軸承磨損失效案例統(tǒng)計(jì)

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(guò)對(duì)比國(guó)產(chǎn)滾動(dòng)軸承和進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，國(guó)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?shī)A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(duì)客車(chē)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(dòng)過(guò)程中，脆性?shī)A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(duì)摩擦副的磨損行為影響巨大。摩擦條件包括零件的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)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(dòng)軸承失效形式，指出滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間存在接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使摩擦不可避免，進(jìn)而使?jié)L動(dòng)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(jì)分析鐵路貨車(chē)軸承引起熱軸的原因發(fā)現(xiàn)，因接觸不良引起局部過(guò)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(chē)在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊載荷，較大的沖擊載荷會(huì)造成減摩合金層片狀脫落，即產(chǎn)生疲勞剝落或稱(chēng)疲勞剝蝕。因此，合理設(shè)計(jì)摩擦條件可有效減少滾動(dòng)軸承磨損失效。

2.3 密封技術(shù)以及潤(rùn)滑狀態(tài)(包括潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式等)

潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)粘著磨損的影響很大，滾動(dòng)軸承在潤(rùn)滑條件下比干摩擦條件下壽命更長(zhǎng)。若潤(rùn)滑劑中加入有效添加劑，即使同樣的潤(rùn)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(rùn)滑油的黏度有關(guān)，一定條件下其隨潤(rùn)滑油黏度的增加而增大。若潤(rùn)滑脂中混入磨損顆粒、外來(lái)異物或水分等，將會(huì)影響潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能和成膜特性，進(jìn)而使?jié)櫥瑵?rùn)滑性能下降，加劇滾動(dòng)軸承失效，良好的密封可有效減少外來(lái)異物的影響。

文獻(xiàn)[23]針對(duì)660 MW汽輪機(jī)推力軸承經(jīng)常磨損的問(wèn)題提出改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的方法；文獻(xiàn)[24]在機(jī)泵中采用油霧潤(rùn)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(rùn)滑不良；文獻(xiàn)[26]對(duì)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(shí)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(dòng)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(rùn)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(guò)程中產(chǎn)生的摩擦功除部分被潤(rùn)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(shí)摩擦副表面溫度升高至一定程度會(huì)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(guò)高導(dǎo)致軸承失效的結(jié)論；不同的氣氛和介質(zhì)均對(duì)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(duì)艦載飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效檢測(cè)表明，潤(rùn)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(dòng)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(huì)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(duì)磨損的影響，延長(zhǎng)軸承的使用壽命及可靠性。

2.5 質(zhì)量問(wèn)題以及安裝使用問(wèn)題

軸承質(zhì)量問(wèn)題包括設(shè)計(jì)、安裝以及使用不當(dāng)、熱處理質(zhì)量不合格、加工問(wèn)題(磨削燒傷以及加工誤差)等。軸承由于設(shè)計(jì)不能滿足要求，使用時(shí)無(wú)視軸承設(shè)計(jì)載荷或者轉(zhuǎn)速等，均會(huì)導(dǎo)致軸承出現(xiàn)早期磨損失效。軸承安裝時(shí)預(yù)緊力若沒(méi)有達(dá)到要求，軸與內(nèi)圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致軸頸嚴(yán)重磨損；軸與軸承若過(guò)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(huì)產(chǎn)生圓周方向的蠕變滑動(dòng)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(jì)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(dòng)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(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)齒輪軸承磨損問(wèn)題進(jìn)行研究，得出裝配質(zhì)量差，主動(dòng)齒輪軸頸和軸承磨損與減速器后部鋼套松動(dòng)，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(dòng)超標(biāo)原因系軸承裝配不當(dāng)所致；文獻(xiàn)[44]對(duì)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(méi)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(huì)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(guò)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(huì)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(guò)熱或欠熱也會(huì)影響軸承性能，最終使軸承早期失效。

綜上，合理的設(shè)計(jì)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(dòng)軸承磨損失效。

3 滾動(dòng)軸承磨損失效分析思路

磨損失效分析影響因素較多，問(wèn)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(duì)措施[48]。

分析具體的磨損失效問(wèn)題時(shí)，首先要收集背景資料如主機(jī)的運(yùn)行記錄，已磨損報(bào)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(dòng)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(rùn)滑狀態(tài)、潤(rùn)滑劑及其種類(lèi)、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(bào)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(duì)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(shí)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(guò)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(gè)逐漸累積的過(guò)程，軸承使用過(guò)程中必定會(huì)發(fā)生摩擦，摩擦?xí)a(chǎn)生磨損，磨損到一定程度，軸承就會(huì)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(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，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(duì)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(méi)有系統(tǒng)的歸納總結(jié)，企業(yè)間也沒(méi)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(cè)、預(yù)防研究和磨損失效機(jī)理研究2個(gè)方面。當(dāng)前應(yīng)結(jié)合國(guó)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(wèn)題，分析具體的材料磨損失效問(wèn)題，同時(shí)建立、完善軸承監(jiān)測(cè)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(shí)，推廣減磨設(shè)計(jì)理念(包括新型耐磨材料、潤(rùn)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(jì)。

目前軸承磨損失效研究亟待解決的問(wèn)題主要有：

1)建立軸承磨損失效的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，軸承磨損評(píng)價(jià)以及監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)防研究：包括軸承運(yùn)轉(zhuǎn)模型以及多場(chǎng)耦合的磨損機(jī)理研究；針對(duì)軸承的特殊使用工況，開(kāi)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(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行軸承磨損監(jiān)測(cè)預(yù)防的研究。