發布日期：2021-01-27
軸承在設備中的應用相當廣泛，軸承壽命極其關鍵。據統計，旋轉機械的故障中軸承的損壞故障約占30%，而這些根源很簡單，例如貨物列車脫軌事故，據調查發現軸箱中的一個軸承過熱(如圖1)，導致車軸斷裂，造成車廂傾覆、交通中斷數小時，事故損失巨大。
圖1 軸箱軸承
軸承故障損傷根源分析：
軸承是大部分設備的核心部件，一旦軸承失效，設備就會停止，找到根源以避免事故再次發生就顯得尤為重要。實際上，軸承一旦受損，它就會逐漸惡化直到無法工作，那時故障發生的所有證據可能都被破壞了。
如圖2 揭示了損傷從小到大的整個過程，外部顆粒(污染物)進入軸承，運動中產生凹痕(污染物被壓入滾道)。凹痕邊緣會升高，所以凹痕看起來像個坑。滾道局部幾何形狀發生改變，使得這個區域無法形成良好油膜把接觸表面分離開來，結果造成材料疲勞。最初是表面出現裂縫，最后是受損區域剝落，隨著繼續運轉，剝落不斷加劇。到后來，受損區域變得如此之大，最初的受損點(即凹痕)完全消失。此時對受損軸承進行檢查，已很難發現問題的根源:即可能由于密封不好致使污染物進入軸承。
圖2 軸承損傷的發展
每種故障都有其特有的特性，通過觀察損傷狀況有可能確定故障根源。下面相關軸承損傷類型和軸承損傷的根源
1、磨損
磨損是滾動軸承最常見的故障之一，通常是由異物引起研磨損傷、擦傷、槽痕、圓周線痕或碎屑污染，分磨耗磨損和粘滯磨損兩大類。
磨耗磨損是由于軸承內部有微小異物，它們可能是來自外部或內部的污染顆粒，比如齒輪帶來的金屬微粒或碳化物。這些顆粒將磨損或研磨滾道和滾動體，在圓錐滾子軸承中，滾子端面和內圈擋邊的磨損程度遠比滾道嚴重，這種磨損將造成軸向游隙或內部間隙擴大，進而降低軸承壽命，導致軸承偏心。此外，磨損也會影響軸承所在機器的其他零件。污染物能進入軸承內部，通常是密封圈嚴重磨損或失效(或沒有)。潤滑劑分析可能會發現污染物的來源，從而有助于找到解決問題的方法。
粘滯磨損主要發生在輕負荷、潤滑不良、滾動體速度差較大從而產生滑動的接觸表面。例如，滾動體從無載區進入承載區的過程，滾動體在無載區失速，當重新進入承載區時獲得加速。這將導致潤滑膜撕破、滑動、發熱，導致材料可能從滾動體轉移到滾道或從滾道轉移到滾動體上。早期階段，外觀是發光表面，但很快它就變成無光表面，或多或少帶有粘上的材料。
2、疲勞
疲勞的表現形式是剝落，即軸承材料出現麻點或脫落，剝落最初發生在滾道或滾動體上。
來自滾道表面下的疲勞是材料惡化，是由滾道表面下方的交變應力引起，最終導致材料衰變。最初是出現裂縫，裂縫隨軸承工作慢慢發展，當裂縫發展到表面時，就發生剝落。
來自表面的疲勞通常由潤滑不足引起。潤滑劑的作用是建立油膜，把滾道與滾動體分隔開來。當潤滑不良時，會發生金屬與金屬的接觸。表面凸凹不平(突出部分)相互剪切，導致表面出現剪切應力。由于材料疲勞，出現小裂縫，然后是微剝落。最初由于表面粗糙度降低了，所以表面可能很明亮光滑，但是如果持續發展下去，表面就會變得無光，表面破碎會越來越多，出現麻點。
3、機械腐蝕
浸蝕通常是由于軸承座內溫度變化，內部空氣冷凝，水份不斷積聚而成。而濕氣或水時常從破損或不適當的密封圈進入軸承，由于軸承滾道和滾動體表面精度極高，極易受到濕氣與水的腐蝕。相比其它損壞過程，發生得較快，能發展到材料深處導致軸承嚴重損傷。空氣濕度過高或用手指觸摸滾道，都能導致這種類型的腐蝕。因此做好防護非常重要。潮濕腐蝕通常發生在靜止狀態，處于深處的銹會導致軸承早期損壞。
摩擦腐蝕的根源是兩個承載面之間的微移動。大多數情況下，這種摩擦腐蝕發生在軸承外徑和軸承座之間和軸承孔和軸之間，微移動主要由滾動體經過時產生的循環負荷引起。配合不好、軸彎曲或接觸面有缺陷，都能導致或加速摩擦腐蝕的發生。空氣能進入沒有保護的表面，加速腐蝕的發展。形成的氧化鐵，體積要比純鋼大得多，造成材料變大，應力升高，甚至對軸承滾道也是這樣，從而導致過早性的表面下疲勞。摩擦腐蝕容易造成軸承圈開裂。
假硬化也是一種摩擦腐蝕，發生在滾動體和滾道間的接觸區域，是循環振動引起的塑性接觸面微移動和回彈所致。由于它是發生在軸承靜止和承載時，所以損傷出現在滾動體節圓處。根據振動的強度、潤滑條件和負荷，腐蝕和磨損可能同時發生，在滾道上形成淺凹陷。通常，振動會導致潤滑劑的局部缺失、金屬與金屬接觸和磨耗磨損。凹陷處外觀通常變得無光，經常褪色，有時因為發生潮濕腐蝕而略帶紅色。偶爾凹陷處呈現光亮表面，可能主要是因為仍有潤滑劑，還沒有發生磨耗磨損。假硬化損壞能導致球軸承的球面出現空洞，滾子軸承出現線條。
4、電腐蝕
當電流通過軸承時，將會通過滾動體在內、外圈間傳導，可能出現過高電壓造成的損傷。接觸表面發生的過程與電弧焊(小接觸面上的高密度電流)類似，材料被加熱到回火至融化等不同程度。在材料被回火、再硬化或融化的地方，外觀出現大小不一的褪色區。在材料融化的地方，形成大約0.1mm 至 0.5mm 的坑。
同樣，電流泄漏也能造成損傷，電流泄漏來自通過軸承的雜散電流，而雜散電流通常是由頻率變化引起的。主要的可見損傷是凹槽，形似洗衣板圖案。這些凹槽的形狀，在球軸承呈接觸橢圓，在滾子軸承呈接觸線，滾動體通常出現均勻的褪色。相比過高電壓損傷，在電流泄漏中，電流通過的區域更大，結果電流密度變小，損傷溫度也較低。因此主要的可見損壞是回火效應，即軸承表面變軟。當用高倍放大鏡觀察損傷部位，通常也能看到坑。
5、塑性變形
靜態負荷或沖擊負荷可產生過載，從而導致塑性變形，在滾道上形成凹痕。通常安裝不當是產生此問題的根源，即在軸承圈上用力不當，從而在滾動體上產生沖擊負荷。碎屑造成的凹痕是因為外部顆粒(污染物)進入軸承，被滾動體壓入滾道。凹痕的大小和形狀取決于顆粒的性質。凹痕處滾道的幾何形狀被破壞，潤滑受到影響。表面出現應力，疲勞導致表面過早剝落。
搬運造成的凹陷是由于軸承表面被硬的尖銳物體碰壞。由于軸承表面精度極高，當局部過載，比如軸承掉落地上，就可能會在表面磕出凹痕，從而讓軸承無法工作。
6、破裂和開裂
受壓破裂是因為局部過載或應力過高，造成應力集中超過了材料的抗拉強度所致。常見是野蠻拆裝軸承 (沖擊)或圓錐座或襯套擰得太緊。當用榔頭和硬鑿直接敲打軸承圈，可能導致形成微小的裂縫。當軸承投入使用時，軸承圈可能有小片脫落。而安裝時圓錐座或襯套擰得太緊，結果軸承圈出現抗拉應力(圓周應力)，當軸承投入使用時產生裂縫。
疲勞破裂開始于彎曲狀態下應力超過疲勞強度時。最初出現一條裂縫，然后不斷增多，最后整個軸承圈或保持架開裂。當使用緊配合時可能出現疲勞破裂，因為緊配合可能產生很高的圓周應力。然后交變應力和圓周應力共同作用，造成軸承圈的過早疲勞，整個圈裂開。
熱開裂產生于兩個表面相互嚴重摩擦時，產生的摩擦熱導致裂縫，通常與滑動方向成直角。
很多軸承故障都可以避免。深入的軸承損傷根源分析可以找到問題根源，通過采取適當的措施，能提前避免故障再次發生，降低故障成本。
