轴承损坏方式及分析

轴承损坏的形式轴承是精密的机械基础件。由于科技进步的迅速发展，客户对轴承产品质量的要求越来越高。制造厂提供符合标准、满足主机使用性能的高质量的产品固然重要，但正确使用轴承更为重要。笔者在近儿年从事摩托车专用轴承的技术工作中，经常碰到这样的问题，即轴承经检测是合格的，但装机后轴承出现卡滞或使用时的早期止转失效。主要表现转动卡滞感、工作面严重剥落，保持架严重磨损乃至扭曲与断裂。经失效结果分析表明，属于轴承本身质量问题并不多，多数是由于安装使用不当所造成。为此，笔者认为有必要就轴承常见的失效模式与机理作些肤浅的综述，以期起到一个抛砖引玉的作用。一、轴承的失效机理接触疲劳失效接触疲劳失效系指轴承工作表面受到交变应力的作用而产生失效。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，往往也伴随着疲劳裂纹，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生，然后扩展到表面形成不同的剥落形状，如点状为点蚀或麻点剥落，剥落成小片状的称浅层剥落。由于剥落面的逐渐扩大，而往往向深层扩展，形成深层剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。磨损失效磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金属不断磨损而产生的失效。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失及其它相关问题。磨损可能影响到形状变化，配合间隙增大及工作表面形貌变化，可能影响到润滑剂或使其污染达到一定程度而造成润滑功能完全丧失，因而使轴承丧失旋转精度乃至不能正常运转。磨损失效是各类轴承常见的失效模式之一，按磨损形式通常可分为最常见的磨粒磨损和粘着磨损。磨粒磨损系指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造成犁沟状的擦伤。硬质粒子或异物可能来自主机内部或来自主机系统其它相邻零件由润滑介质送进轴承内部。粘着磨损系指山于摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦面受力不均，在润滑条件严重恶化时，因局部摩擦生热，易造成摩擦面局部变形和摩擦显微焊合现象，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂而增大塑性变形。这种粘着一一撕裂一一粘着的循环过程构成了粘着磨损，一般而言，轻微的粘着磨损称为擦伤，严重的粘着磨损称为咬合。断裂失效轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。当外加载荷超过材料强度极限而造成零件断裂称为过载断裂。过载原因主要是主机突发故障或安装不当。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、大块外来杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。应当指出，轴承在制造过程中，对原材料的入厂复验、锻造和热处理质量控制、加工过程控制中可通过仪器正确分析上述缺陷是否存在，今后仍必须加强控制。但一般来说，通常岀现的轴承断裂失效大多数为过载失效。游隙变化失效轴承在工作中，山于外界或内在因素的影响，使原有配合间隙改变，精度降低，乃至造成“咬死”称为游隙变化失效。外界因素如过盈量过大，安装不到位，温升引起的膨胀量、瞬时过载等，内在因素如残余奥氏体和残余应力处于不稳定状态等均是造成游隙变化失效的主要原因。二、轴承常见失效模式及对策沟道单侧极限位置剥落沟道单侧极限位置剥落主要表现在沟道与挡边交界处有严重的剥落环带。产生原因是轴承安装不到位或运转过程中突发轴向过载。采取对策是确保轴承安装到位或将自山侧轴承外圈配合改为间隙配合，以期轴承过载时使轴承得到补偿。沟道在圆周方向呈对称位置剥落对称位置剥落表现在内圈为周用环带剥落，而外圈呈周向对称位置剥落（即椭圆的短轴方向），其产生原因主要是因为外壳孔椭圆过大或两半分离式外壳孔结构，这在摩托车用凸轮轴轴承中表现尤为明显。当轴承压入椭圆偏大的外壳孔中或两半分离式外壳固紧时，使轴承外圈产生椭圆，在短轴方向的游隙明显减少甚至负游隙。轴承在载荷的作用下，内圈旋转产生周向剥落痕迹，外圈只在短轴方向的对称位置产生剥落痕迹。这是该轴承早期失效的主要原因，经对该轴承失效件检验表明，该轴承外径圆度已从原工艺控制的0.8nm变为27umo此值远远大于径向游隙值。因此，可以肯定该轴承是在严重变形及负游隙下工作的，工作面上易早期形成异常的急剧磨损与剥落。采取的对策是提高外壳孔加工精度或尽可能不采用外壳孔两半分离结构。滚道倾斜剥落在轴承工作面上呈倾斜剥落环带，说明轴承是在倾斜状态下工作的，当倾斜角达到或超过临界状态时，易早期形成异常的急剧磨损与剥落。产生的原因主要是因为安装不良，轴有挠度、轴颈与外壳孔精度低等，采取对策为确保轴承安装质量与提高轴肩、孔肩的轴向跳动精度。套圈断裂套圈断裂失效一般较少见，往往是突发性过载造成。产生原因较为复杂，如轴承的原材料缺陷（气泡、缩孔）、锻造缺陷（过烧）、热处理缺陷（过热）、加工缺陷（局部烧伤或表面微裂纹）、主机缺陷（安装不良、润滑贫乏、瞬时过载）等，一旦受过载冲击负荷或剧烈振动均有可能使套圈断裂。采取对策为避免过载冲击载荷、选择适当的过盈量、提高安装精度、改善使用条件及加强轴承制造过程中的质量控制。保持架断裂保持架断裂属于偶发性非正常失效模式。其产生原因主要有以下五个方面：保持架异常载荷。如安装不到位、倾斜、过盈量过大等易造成游隙减少，加剧摩擦生热，表面软化，过早出现异常剥落，随着剥落的扩展，剥落异物进入保持架兜孔中，导致保持架运转阻滞并产生附加载荷，加剧了保持架的磨损，如此恶化的循环作用，便可能造成保持架断裂。润滑不良主要指轴承运转处于贫油状态，易形成粘着磨损，使工作表面状态恶化，粘着磨损产生的撕裂物易进入保持架，使保持架产生异常载荷，有可能造成保持架断裂。外来异物的侵入是造成保持架断裂失效的常见模式。山于外来硬质异物的侵入，加剧了保持架的磨损与产生异常附加载荷，也有可能导致保持架断裂。蠕变现象也是造成保持架断裂的原因之一。所谓蠕变多指套圈的滑动现象，在配合面过盈量不足的情况下，由于滑动而使载荷点向周围方向移动，产生套圈相对轴或外壳向圆周方向位置偏离的现象。蠕变一旦产生，配合面显著磨损，磨损粉末有可能进入轴承内部，形成异常磨损一一滚道剥落一一保持架磨损及附加载荷的过程，以至可能造成保持架断裂。保持架材料缺陷（如裂纹、大块异金属夹杂物、缩孔、气泡）及钏合缺陷（缺钉、垫钉或两半保持架结合面空隙，严重钏伤）等均可能造成保持架断裂。采取对策为在制造过程中加以严格控制。三、结论综上所述，从轴承常见失效机理与失效模式可知，尽管滚动轴承是精密而可靠的机构基础体，但使用不当也会引起早期失效。一般情况下，如果能正确使用轴承，可使用至疲劳寿命为止。轴承的早期失效多起于主机配合部位的制造精度、安装质量、使用条件、润滑效果、外部异物侵入、热影响及主机突发故障等方面的因素。因此，正确合理地使用轴承是一项系统工程，在轴承结构设计、制造和装机过程中，针对产生早期失效的环节，采取相应的措施，可有效地提高轴承及主机的使用寿命，这是制造厂和客户应负有的共同责任1）对中不良轴的支承最少需要两个支点，若两个滑动轴承对中不良，同轴度误差大，则载荷在轴瓦宽度上的分布将不均匀，出现边缘接触现象，导致润滑油膜破裂，发生粘着磨损。（2） 轴瓦与轴承座孔配合不当轴瓦与轴承座孔配合不当，轴瓦可能松动而导致微动磨损。配合松或微动磨损后，对传热不利，可能使轴瓦摩擦表面温度过高。轴瓦与轴承座配合面不清洁，有颗粒和污物，也将使传导不良。总之，检查损坏的轴瓦表面，可能提供轴瓦失效的重要信息，所以应认真更不能忘记检查轴瓦背面。（3） 颗粒侵入颗粒侵入滑动轴承失效的重要原因，侵入滑动轴承的颗粒有外部来的，也有来自轴承内部的，即轴承本身磨损的产物。外部的颗粒主要通过轴承间隙进入和由润滑油带入，因此，滑动轴承运转环境的清洁程度和密封结构十分重要。润滑油可以起到清洁的作用，也能把颗粒带入轴承间隙，关键在于其过滤，所以，过滤器的选择、使用与维护是极其重要的。通常轴瓦材料具有一定的嵌藏颗粒的能力，沉积的颗粒超过轴瓦材料的嵌藏能力，则轴承摩擦表面将被研磨、擦伤和磨损，间隙增大，表面变粗槌。根据轴承运转环境，使润滑方法，过滤器精度、密封结构和轴瓦材料相匹配，是滑动轴承设计者必须关注的问题。只有确定了嵌入轴瓦的颗粒的组成，才能知道它们的来源及确立消除它们的最佳方法和时期。用化学分离技术可以从轴瓦表面分离出嵌入的颗粒。例如：有电沉积铅涂层的轴瓦，可用醋酸和过氧化氢的混合物分离；铝锡合金轴瓦可用氢氧化钠分离；锡铢轴承合金可用醋酸、过氧化氢和氢氧化钠的混合物分离。腐蚀润滑油在使用过程中不断氧化，氧化作用的产物是酸性物质，它们对轴承材料有腐蚀作用。此外，尚有一些特殊的腐蚀形式应予以注意，如：氧对锡铢轴承合金的腐蚀、硫对含银和铜的轴瓦材料的腐蚀、水分对铜铅合金的腐蚀等。润滑油量不足和粘度改变滑动轴承中若润滑油量不足将造成灾难性事故。动压轴承，特别是在许多重型设备中的动压轴承，常因启动时缺乏润滑油而导致轴承损伤，故在启动设备时，提前使润滑油循环以提供润滑是十分重要的。静压轴承的主要优点是能在润滑油膜上启动，故设计采用静压轴承的设备时，必须保证能先启动静压轴承系统，后启动设备。滚动轴承的实用监测技术-—冲击脉冲法滚动轴承是旋转机器中的重要零件，在各机械部门中应用最为广泛。因它具有一系列显著的优点，例如：摩擦系数小，运动精度高，对润滑剂的粘度不敬感，在低速下也能承受载荷。有些轴承还能同时承受径向和轴向力，但是，滚动轴承也是机器中最易损坏的零件之一。据统计，旋转机械的故障有30%是山轴承引起的。所以对滚动轴承的故障监测和诊断一直是近年来国内外发展机械故障诊断技术的重点。其发展状况如下：最原始的方法是将听音棒（或螺丝刀）接触轴承座部位，靠听觉来判断有无故障。虽然训练有素的人能觉察到轴承刚发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。出现各种测振仪后，可用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这可减少对人为经验的依赖。但仍很难发现早期故障•二、冲击脉冲技术原理1・冲击脉冲法原理对轴承寿命影响很大的因素是安装、工作状况和维修保养，为了防止轴承的突然损坏造成的后果最理想的办法是随时掌握轴承的工作状态，过去，为此L1的试用过测温、测振和测声的方法，现在发明了一种新方法一一冲击脉冲法。原理是掌握轴承内部损坏引起的机械冲击。为了说明冲击脉冲法，不妨看看机械冲击过程中发生的现象.（1）当一个钢球垂直掉到一个钢棒上时，在碰撞的冲击点处产生一个很大的冲击加速度，这加速度的幅度全山冲击速度决定，而不受材料的质量、设计或任何机械振动的影响。在钢棒的冲击点处会产生一系列压缩波，此压缩波是一个衰减波，并以超声的速度在钢棒内传播，在钢棒一端用一个传感器接受此信号，就可得到与冲击大小对应的冲击脉冲信号。假如，此钢球是滚动轴承内的一个滚动体，而滚道上有一个缺陷区（剥落、裂纹、凹坑和高低不平的粗糙区）那么在滚动轴承运转中，就会发生如上的撞击现象，产生的冲击脉冲信号会传递到轴承座上，同样，可用一个传感器去接受此冲击脉冲信号。（2）滚动轴承不同于其它机械零件，产生的冲击脉冲信号不同于一般机器的振动信号，它的振动信号频率范围很宽，信噪比很低，信号传递路径上的衰减量大，提取它的特征信息还必须釆用一些特殊的检测技术和处理方法。冲击脉冲法就是诸多方法中的一种。此方法可在轴承的正常丄作过程中测定轴承的状况而不受机械的原始设计、大小、振动或噪声的影响，用此方法制作的仪器在测试时能排除机器和轴承本身的振动影响，直接判断轴承的状态和寿命。并能早期发现和识别滚动轴承因制造不良、装配不良、润滑不良及使用中旋转面产生伤痕等与轴承寿命有关的异常原因、劣化程度和发展趋势。使用冲击脉冲仪的LI的，主要是利用轴承的全部寿命，避免不必要的更换，通过不断测量，获得—个逼近的轴承失效早期报警，减少设备故障率，及无计划的不必要的维修工作。1・CMJ-10电脑冲击脉冲计该仪器是一种专门用于检查旋转机械中滚动轴承运转状况的机械故障诊断仪器，主要功能是用冲击脉冲方法来测量已装机的滚珠（或滚柱）轴承的工作状态并判断其损伤程度。只需输少量的数据，通过测量即可用良好（绿）；警告（黄）；坏（红）三挡直接显示机器轴承的状况。一、滚动轴承失效的诊断方法滚动轴承是旋转设备的主要基础零部件之一，是设备运行中重点监测对象。图1描述了设备主要存在的故障及故障率。轴承失去不对高温磨损齿轮失效平衡中受损（图1）U前，诊断滚动轴承的故障常用的方法有：频谱分析法（FFT）包络分析法冲击脉冲诊断法（SPM）其它（悄度、峰值系数、声发射等）频谱分析法（FFT）和包络分析法有如下特点：需专业

人员进行分析不易给出轴承损伤程度及润滑状态的结论诊断成功率依 赖于诊断人员的经验及水平对低转速轴承无能为力较难发现轴承早期故障诊 断冲击脉冲诊断法（SPM）有如下特点：无须专业人员进行分析，可直接得到轴承损伤程度诊断快捷、准确，可作为滚动轴承监测的主要手段同样适用于低转速轴承可轻易获得轴承早期故障信息二、滚动轴承失效的冲击脉冲诊断法（SPM）冲击脉冲法（英文称SPM,即ShockPulseMethod）,是由瑞典SPMInstrumentAB公司在上世纪70年代最先提出的一套系统监测方法，专门用于滚动轴承多种失效的诊断，尤其对疲劳失效、磨损失效、润滑不良等失效的诊断准确率相当高，是滚动轴承失效诊断的主要方法。1、什么是冲击脉冲：两个物体相互碰撞会产生一定能量的震动，这种震动不是呈连续状态而是以压力波的形式传递并呈脉冲状态，这种山于接触面上的物体发生碰撞而产生的震动为冲击脉（图2）a冲击脉冲的产生过程冲。2、冲击脉冲与振动不同，两者的区别可用一个金属球下落撞击金属棒来描述：①、振动是连续的（图2）b②、冲击脉冲是断续的（图2）a（图2）b振动的产生过程3、冲击脉冲能量的大小取决于两方面：①物体碰撞时的冲击速度②物体表面凹凸不平度4、冲击脉冲信号处理的过程3、冲击脉冲值与滚动轴承状态的关系我们知道，滚动轴承的滚动体与滚道表面并不是绝对光滑的，在轴承转动时，“粗槌”的表面使两者之间的润滑油产生波动，并对外滚道产生能量较小但频率较高的冲击；同时滚动体滚过某一缺陷位置时则会产生一个相对能量较大，但频率较低的冲击，这种冲击会随着滚动体或滚道表面产生的缺陷而明显增大。冲击脉冲法就是采用特殊的振动传感器将以上信号放大后加以采集，经过分析处理后确定滚动轴承的运行状态。（图3）图3形象的描述了滚动轴承工作表面状态与冲击能量的关系。6、滚动轴承的寿命及评定参数（1）、滚动轴承的寿命滚动轴承的寿命是以同一批型号的轴承，在相同运转条件下90%的轴承不发生破坏前的转数（以106转为单位）或工作小时数作为轴承的寿命，并把这个寿命叫做额定寿命。而冲击脉冲对轴承寿命的定义为，一只完好的新轴承有一个初始冲击震动值，当冲击震动值达到初始冲击震动值的1000倍左右时，就认为该轴承已经达到使用寿命的终点。用分贝（dB）表示时，轴承寿命终点的冲击震动值为60dB,即:201gl000/l=201gl03=20*3=60（dB）⑵、几个状态评定参数的含义:dBsv:冲击脉冲值的绝对分贝，是用来衡量冲击脉冲能量强度的绝对值。dBi：冲击脉冲值的背景分贝，即滚动轴承初始值。其数值大小取决于滚动轴承内径大小和转速的大小。dBn：冲击脉冲值的标准分贝。用来评定滚动轴承工作状态的标准。dBn二dBsv-dBidBm：最大分贝，它的定义是时间窗□中最强的脉冲，表示滚动轴承元件损坏的最大程度。dBc:地毯分贝。其数值为每秒产生200个冲击脉冲信号的最高读数。表示滚动轴承的润滑，表面粗糙度以及安装状态。一个工作状态良好的滚动轴承，地毯值低于10dBn。dBc总是小于dBm。dBm、dBc读数是相对读数，不是绝对分贝dBsv，而是标准分贝dBnHR:高频冲击值，其数值为每秒产生1000个冲击脉冲信号时的数值。相当于最小值，但不是最小值。LR：低频冲击值，其数值为每秒产生40个冲击脉冲信号时的平均数值。相当于最大值，但不是最大值。HR、LR读数是绝对分贝dBsv(3)、几个状态评定参数之间的关系:dBsvA30(HR/LR)T30(dBm/dBc)7060dBndBm/W4535dBnLR/403020dBndBc/200HR/1000100dBndBiT9三、轴承故障检测仪通过在大量轴承实验数据的基础上，得出了各类轴承在各种运转条件下的状态评价标准，从而使冲击脉冲技术具备了现场实用的技术条件。评价标准以固化软件的形式存储于仪器内，无需用户人丄查找，仪器可根据测量值结合轴承的基本参数直接给出评价结果一一绿、黃、红区。通过dBm和dBc以及他们之间的△值来进行判断。能反映轴承的运行状态，油膜的分析采用耳机人工分析的方法加以判断。相对来说操作简单易于理解。(1)、CMJ-10轴承故障检测仪的构成CMJ-10轴承故障检测仪主要有三部分组成：传感器、主机、耳机。①、传感器：它是一个压电加速度传感器，内设一个32kHz压电换能器，将滚动轴承在转动状态下的振动信号转换为一个相对应的电信号供主机使用。②、主机：③、耳机：它是用来监听脉冲震动音频信号。是故障诊断的重要辅助手段。(2)、滚动轴承状态的识别轴承故障检测仪将0-60dB分成绿、黃、红三个区域。绿色区域一一读数为0—20dBn。表示滚动轴承处于正常良好状态。检测周期可在1-3个月内选择黄色区域----读数为20-35dBn。表示滚动轴承已出现轻微的失效或表示滚动轴承有降低工作状态的趋势存在。检测周期可缩短到一天或一周。红色区域 读书为35-60dBn。表示滚动轴承已出现较重或严重缺陷。其工作状态不良，有明显的失效存在，需停机检修。dBMdBMdBM绿区-状态良好黃区-性能下降红区-轴承损坏(3)、参数的读取方法识别滚动轴承的状态是否良好，主要是看dBc与dBm两值出于什么区域，因而正确读取dBc与dBm值是非常重要的。（1）>dBm的读取：dBm是滚动轴承冲击脉冲的最高极限。是山滚道表面缺陷产生的震动能量。用耳机监听时，即为二级发出的最高音频信号（断续声响）。（2）、dBc的读取：dBc表示的是滚动轴承滚道表面公共的粗糙度，用耳机监听时，即为连续音频信号与断续音频信号的分界点，声响特点为似断非断。dBcdBmkdBc与dBm值的区别注意：一般规定dBc与dBm两值读数误差不得大于±3dBn。误差大了会给监测和诊断带来不利影响。（4）側入参数和输出结果

输入参数轴承内径轴承型号或轴承中径只需表明尺寸的后三位转速转速轴承类型号(TYPENo)(共8类，查表)查表，见附件测量值dBmLR适于专业人员做趋势分析dBcHR中间量dBiNORM可自动给出COMP可自动计算判断结果绿、黄、红区绿、黃、红区直接指导设备运行和检修讣划状态编码CODE(A、B、C、D)润滑油膜厚度(LUBNo)损坏编码(CONDNo)辅助功能耳机耳机适于人工分析或特殊应用场合的人工修正人工设定dBi补偿值设定(COMP)(5)使用中的要点确定dBi值：轴承检测仪又有三种方式获取dBi值a：通过杳表获取dBi值，然后输入仪器。b：输入轴承内径+转速，仪器会自动给出dBi值。c:输入轴承型号+转速，仪器会自动给出dBi值。

测点的选择：a:测点要尽可能选择在滚动轴承的负载区。轴承负载区的定义为，轴承座承受负载的部位， 般在轴承座下方120度范围内。b：测点要选择冲击波能直线传播道的位置。轴承到测点的距离应尽可能短而直，要避开零件间多界面及空腔部位。这是因为冲击波会在界面上空腔里发生反射和阻尼，一般每增加一个界面，轴承脉冲量会降低35dBn,测点距离轴承200mm时，脉冲量要降低5lOdBnoc:测点表面要平整：被测点般选择在轴承座上，轴承座多为铸造件，表面较粗糙，因此测点表面的平整度是不够的。有毛刺、有凹凸不平形状，存在上述缺陷时，应先清理缺陷。传感器的顶杆头是一个半径8mm的半球形状，顶杆头接触被测表面时应让半球面接触被侧面。（6）、滚动轴承状态的判断规则轴承状态的判断主要依据如下规则参数关系故障判断dBc与dBm相差20dBn以上，且：dBm>40dBn1・设备轴承元件有严重损伤。2•轴承损伤属于危险破坏源，要特别重视。3.设备轴承需更换。dBc与dBm相差10dBn以下，且：dBc〈40dBndBm〈50dBn设备轴承存在均匀磨损，且配合松动。设备轴承可继续使用，但需加强监测。dBc与dBm相差10dBn以下，且：dBc>40dBndBm>50dBn1•设备轴承已磨损到极限。2•需更换轴承。dBc与dBm相差13±3dBn且：dBc>35dBndBm<50dBn1•设备轴承有不明显损伤。2•轴承可继续使用。3.需加强监测。dBc与dBm相差