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          關於軸承失效

          發佈時間:2021/2/23 15:21:09

          一、軸承的失效機理

          1.接觸疲勞失效

          接觸疲勞失效係指軸承工作表面受到交變應力的作用而產生失效。接觸疲勞剝落髮生在軸承工作表面,往往也伴隨着疲勞裂紋,首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生,然後擴展到表面形成不同的剝落形狀,如點狀爲點蝕或麻點剝落,剝落成小片狀的稱淺層剝落。由於剝落面的逐漸擴大,而往往向深層擴展,形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。

          2.磨損失效

          磨損失效係指表面之間的相對滑動摩擦導致其工作表面金屬不斷磨損而產生的失效。持續的磨損將引起軸承零件逐漸損壞,並最終導致軸承尺寸精度喪失及其它相關問題。磨損可能影響到形狀變化,配合間隙增大及工作表面形貌變化,可能影響到潤滑劑或使其污染達到一定程度而造成潤滑功能完全喪失,因而使軸承喪失旋轉精度乃至不能正常運轉。磨損失效是各類軸承常見的失效模式之一,按磨損形式通常可分爲最常見的磨粒磨損和粘着磨損。

          磨粒磨損係指軸承工作表面之間擠入外來堅硬粒子或硬質異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對移動而引起的磨損,常在軸承工作表面造成犁溝狀的擦傷。硬質粒子或異物可能來自主機內部或來自主機系統其它相鄰零件由潤滑介質送進軸承內部。粘着磨損係指由於摩擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均,在潤滑條件嚴重惡化時,因局部摩擦生熱,易造成摩擦面局部變形和摩擦顯微焊合現象,嚴重時表面金屬可能局部熔化,接觸面上作用力將局部摩擦焊接點從基體上撕裂而增大塑性變形。這種粘着——撕裂——粘着的循環過程構成了粘着磨損,一般而言,輕微的粘着磨損稱爲擦傷,嚴重的粘着磨損稱爲咬合。

          3.斷裂失效

          軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過載兩大因素。當外加載荷超過材料強度極限而造成零件斷裂稱爲過載斷裂。過載原因主要是主機突發故障或安裝不當。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來雜物、過熱組織及局部燒傷等缺陷在衝擊過載或劇烈振動時也會在缺陷處引起斷裂,稱爲缺陷斷裂。應當指出,軸承在製造過程中,對原材料的入廠複驗、鍛造和熱處理質量控制、加工過程控制中可通過儀器正確分析上述缺陷是否存在,今後仍必須加強控制。但一般來說,通常出現的軸承斷裂失效大多數爲過載失效。

          4.遊隙變化失效

          軸承在工作中,由於外界或內在因素的影響,使原有配合間隙改變,精度降低,乃至造成“咬死”稱爲遊隙變化失效。外界因素如過盈量過大,安裝不到位,溫升引起的膨脹量、瞬時過載等,內在因素如殘餘奧氏體和殘餘應力處於不穩定狀態等均是造成遊隙變化失效的主要原因。

          軸承失效分析方法

          在分析軸承失效的過程中,往往會碰到許多錯綜複雜的現象,各種實驗結果可能是相互矛盾或者主次不清,這就需要經過反覆實驗、論證,以獲得足夠的證據或反證。只有運用正確的分析方法、程序、步驟,才能找到引發失效的真正原因。

          一般情況下軸承失效分析大體可分爲以下三個步驟:失效實物和背景資料的收集、對失效實物的宏觀檢查和微觀分析。

          1.失效實物和背景材料的收集

          儘可能地收集到失效事物的各個零件和殘片。充分了解失效軸承的工作條件、使用過程和製造質量等。具體內容包括:

          (1)主機的載荷、轉速、工作狀況等軸承的設計工作條件。

          (2)軸承及其相關部位其他零件的失效情況,軸承失效的類型。

          (3)軸承的安裝運轉記錄。運轉使用過程中有無不正常操作。

          (4)軸承工作中所承受的實際載荷是否符合原設計。

          (5)軸承工作的實際轉速及不同轉速出現的頻率。

          (6)失效時是否有溫度的急劇增加或冒煙,是否有噪聲及振動。

          (7)工作環境中有無腐蝕性介質,軸承與軸頸間有無特殊的表面氧化色或其他沾污色。

          (8)軸承的安裝記錄(包括安裝前軸承尺寸公差的複驗情況),軸承原始間隙、裝配和對中情況,軸承座和機座剛性如何,安裝是否有異常。

          (9)軸承運轉是否有熱膨脹及動力傳遞變化。

          (10)軸承的潤滑情況,包括潤滑劑的牌號、成分、顏色、粘度、雜質含量、過濾、更換及供給情況等,並收集其沉澱物。

          (11)軸承的選材是否正確,用材質量是否符合有關標準或圖樣要求。

          (12)軸承的製造工藝過程是否正常,表面是否有塑性變形,有沒有表面磨削燒傷。

          (13)失效軸承的修復和保養記錄。

          (14)同批或同類軸承的失效情況。

          在收集實際背景材料工作中,全部滿足上述要求是很難的。但收集到的資料越多,無疑會更有利於得到正確的分析結論。

          2.宏觀檢查

          對失效軸承進行宏觀檢查(包括尺寸公差測量和表面狀態檢查分析),是失效分析最重要的環節。總體的外觀檢查,可瞭解軸承失效的概貌和損壞部位的特徵,估計造成失效的起因,察看缺陷的大小、形狀、部位、數量和特徵,並截取適當部位做進一步的的微觀檢查和分析。宏觀檢查的內容包括:

          (1)外形和尺寸的變化情況(包括測振分析、動態函數分析和滾道圓度分析)。

          (2)遊隙的變化情況。

          (3)是否有腐蝕現象,在什麼部位,是什麼類型的腐蝕,是否與失效直接有關。

          (4)是否有裂紋,裂紋的形態和斷口性質如何。

          (5)磨損是什麼類型的,對失效有多大作用。

          (6)觀察軸承各零件工作表面變色的情況和部位以確定其潤滑情況和表面溫度效應。

          (7)對失效特徵區主要觀察有無異常磨損、外來顆粒嵌入、裂紋、擦傷和其他缺陷。

          (8)冷酸洗法或熱酸洗法檢驗軸承零件原始表面有無軟點、脫碳層和燒傷,特別是表面磨削燒傷。

          (9)用X射線應力測定儀器測量軸承工作前後的應力變化情況。

          宏觀檢查的結果,有時可基本判斷失效的形式和原因,但要進一步確定失效的性質,還必須取得更多的證據,做微觀分析。

          3.微觀分析

          失效軸承的微觀分析包括光學金相分析、電子顯微鏡分析、探針和電子能譜分析等。主要是根據失效特徵區的微觀組織結構變化和對疲勞源、裂紋源的分析爲失效分析提供更充分的判據或反證。微觀分析中最常用、最普遍的方法是光學金相分析和對錶面硬度檢測。分析的內容應包括:

          (1)材料質量是否符合有關標準和設計要求。

          (2)軸承零件的基本組織和熱處理質量是否符合有關要求。

          (3)表層組織是否存在脫碳層、託氏體和其他表面加工變質層。

          (4)測量滲碳層等表面強化層和多層金屬各層組織的深度,腐蝕坑或裂紋的形態與深度,並根據裂紋的形狀和兩側組織特徵確定裂紋產生的原因及性質。

          (5)根據晶粒大小、組織變形、局部相變、重結晶、相聚集等判斷變形程度、溫升情況、材料種類及工藝過程等。

          (6)測量基本硬度、硬度均勻性及失效特徵區的硬度變化。

          (7)斷口觀察與分析。用掃描電子顯微鏡定性分析和測量觀察斷口。

          (8)電子顯微鏡、探針和電子能譜在疲勞源和裂紋源分析中能測出斷口的成分,發現斷口的性質和斷裂的原因。

          以上介紹的軸承失效分析一般方法的三個步驟是一個由表及裏逐步深入的分析過程。具體每一步驟中包含的內容應根據軸承失效的類型和特點,視具體情況取捨,但分析步驟是缺一不可的。而且在整個分析過程中,分析結果應始終與影響軸承失效的諸多因素聯繫起來,綜合考慮。

          三、軸承常見失效模式及對策

          1.溝道單側極限位置剝落

          溝道單側極限位置剝落主要表現在溝道與擋邊交界處有嚴重的剝落環帶。產生原因是軸承安裝不到位或運轉過程中突發軸向過載。採取對策是確保軸承安裝到位或將自由側軸承外圈配合改爲間隙配合,以期軸承過載時使軸承得到補償。

          2.溝道在圓周方向呈對稱位置剝落

          對稱位置剝落表現在內圈爲周圍環帶剝落,而外圈呈周向對稱位置剝落(即橢圓的短軸方向),其產生原因主要是因爲外殼孔橢圓過大或兩半分離式外殼孔結構,這在摩託車用凸輪軸軸承中表現尤爲明顯。當軸承壓入橢圓偏大的外殼孔中或兩半分離式外殼固緊時,使軸承外圈產生橢圓,在短軸方向的遊隙明顯減少甚至負遊隙。軸承在載荷的作用下,內圈旋轉產生周向剝落痕跡,外圈只在短軸方向的對稱位置產生剝落痕跡。這是該軸承早期失效的主要原因,經對該軸承失效件檢驗表明,該軸承外徑圓度已從原工藝控制的0.8μm變爲27μm。此值遠遠大於徑向遊隙值。因此,可以肯定該軸承是在嚴重變形及負遊隙下工作的,工作面上易早期形成異常的急劇磨損與剝落。採取的對策是提高外殼孔加工精度或儘可能不採用外殼孔兩半分離結構。

          3.滾道傾斜剝落

          在軸承工作面上呈傾斜剝落環帶,說明軸承是在傾斜狀態下工作的,當傾斜角達到或超過臨界狀態時,易早期形成異常的急劇磨損與剝落。產生的原因主要是因爲安裝不良,軸有撓度、軸頸與外殼孔精度低等,採取對策爲確保軸承安裝質量與提高軸肩、孔肩的軸向跳動精度。

          4.套圈斷裂

          套圈斷裂失效一般較少見,往往是突發性過載造成。產生原因較爲複雜,如軸承的原材料缺陷(氣泡、縮孔)、鍛造缺陷(過燒)、熱處理缺陷(過熱)、加工缺陷(局部燒傷或表面微裂紋)、主機缺陷(安裝不良、潤滑貧乏、瞬時過載)等,一旦受過載衝擊負荷或劇烈振動均有可能使套圈斷裂。採取對策爲避免過載衝擊載荷、選擇適當的過盈量、提高安裝精度、改善使用條件及加強軸承製造過程中的質量控制。

          5.保持架斷裂

          保持架斷裂屬於偶發性非正常失效模式。其產生原因主要有以下五個方面:

          a.保持架異常載荷。如安裝不到位、傾斜、過盈量過大等易造成遊隙減少,加劇摩擦生熱,表面軟化,過早出現異常剝落,隨着剝落的擴展,剝落異物進入保持架兜孔中,導致保持架運轉阻滯併產生附加載荷,加劇了保持架的磨損,如此惡化的循環作用,便可能造成保持架斷裂。

          b.潤滑不良主要指軸承運轉處於貧油狀態,易形成粘着磨損,使工作表面狀態惡化,粘着磨損產生的撕裂物易進入保持架,使保持架產生異常載荷,有可能造成保持架斷裂。

          c.外來異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見模式。由於外來硬質異物的侵入,加劇了保持架的磨損與產生異常附加載荷,也有可能導致保持架斷裂。

          d.蠕變現象也是造成保持架斷裂的原因之一。所謂蠕變多指套圈的滑動現象,在配合面過盈量不足的情況下,由於滑動而使載荷點向周圍方向移動,產生套圈相對軸或外殼向圓周方向位置偏離的現象。蠕變一旦產生,配合面顯着磨損,磨損粉末有可能進入軸承內部,形成異常磨損——滾道剝落——保持架磨損及附加載荷的過程,以至可能造成保持架斷裂。

          e.保持架材料缺陷(如裂紋、大塊異金屬夾雜物、縮孔、氣泡)及鉚合缺陷(缺釘、墊釘或兩半保持架結合面空隙,嚴重鉚傷)等均可能造成保持架斷裂。採取對策爲在製造過程中加以嚴格控制。

          四、總結

          綜上所述,從軸承常見失效機理與失效模式可知,儘管滾動軸承是精密而可靠的機構基礎體,但使用不當也會引起早期失效。一般情況下,如果能正確使用軸承,可使用至疲勞壽命爲止。軸承的早期失效多起於主機配合部位的製造精度、安裝質量、使用條件、潤滑效果、外部異物侵入、熱影響及主機突發故障等方面的因素。因此,正確合理地使用軸承是一項系統工程,在軸承結構設計、製造和裝機過程中,針對產生早期失效的環節,採取相應的措施,可有效地提高軸承及主機的使用壽命,這是製造廠和客戶應負有的共同責任。

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