關(guān)于軸承失效
發(fā)布時(shí)間:2021/2/23 15:21:09
一、軸承的失效機(jī)理
1.接觸疲勞失效
接觸疲勞失效系指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生失效。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承工作表面,往往也伴隨著疲勞裂紋,首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生,然后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀,如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落,剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴(kuò)大,而往往向深層擴(kuò)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
磨損失效系指表面之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效。持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞,并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其它相關(guān)問(wèn)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(rùn)滑劑或使其污染達(dá)到一定程度而造成潤(rùn)滑功能完全喪失,因而使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度乃至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。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為最常見的磨粒磨損和粘著磨損。
磨粒磨損系指軸承工作表面之間擠入外來(lái)堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對(duì)移動(dòng)而引起的磨損,常在軸承工作表面造成犁溝狀的擦傷。硬質(zhì)粒子或異物可能來(lái)自主機(jī)內(nèi)部或來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)其它相鄰零件由潤(rùn)滑介質(zhì)送進(jìn)軸承內(nèi)部。粘著磨損系指由于摩擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均,在潤(rùn)滑條件嚴(yán)重惡化時(shí),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(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)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(diǎn)從基體上撕裂而增大塑性變形。這種粘著——撕裂——粘著的循環(huán)過(guò)程構(gòu)成了粘著磨損,一般而言,輕微的粘著磨損稱為擦傷,嚴(yán)重的粘著磨損稱為咬合。
3.?dāng)嗔咽?/p>
軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過(guò)載兩大因素。當(dāng)外加載荷超過(guò)材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過(guò)載斷裂。過(guò)載原因主要是主機(jī)突發(fā)故障或安裝不當(dāng)。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來(lái)雜物、過(guò)熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過(guò)載或劇烈振動(dòng)時(shí)也會(huì)在缺陷處引起斷裂,稱為缺陷斷裂。應(yīng)當(dāng)指出,軸承在制造過(guò)程中,對(duì)原材料的入廠復(fù)驗(yàn)、鍛造和熱處理質(zhì)量控制、加工過(guò)程控制中可通過(guò)儀器正確分析上述缺陷是否存在,今后仍必須加強(qiáng)控制。但一般來(lái)說(shuō),通常出現(xiàn)的軸承斷裂失效大多數(shù)為過(guò)載失效。
4.游隙變化失效
軸承在工作中,由于外界或內(nèi)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”稱為游隙變化失效。外界因素如過(guò)盈量過(guò)大,安裝不到位,溫升引起的膨脹量、瞬時(shí)過(guò)載等,內(nèi)在因素如殘余奧氏體和殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)等均是造成游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(guò)程中,往往會(huì)碰到許多錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象,各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是相互矛盾或者主次不清,這就需要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、論證,以獲得足夠的證據(jù)或反證。只有運(yùn)用正確的分析方法、程序、步驟,才能找到引發(fā)失效的真正原因。
一般情況下軸承失效分析大體可分為以下三個(gè)步驟:失效實(shí)物和背景資料的收集、對(duì)失效實(shí)物的宏觀檢查和微觀分析。
1.失效實(shí)物和背景材料的收集
盡可能地收集到失效事物的各個(gè)零件和殘片。充分了解失效軸承的工作條件、使用過(guò)程和制造質(zhì)量等。具體內(nèi)容包括:
(1)主機(jī)的載荷、轉(zhuǎn)速、工作狀況等軸承的設(shè)計(jì)工作條件。
(2)軸承及其相關(guān)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(yùn)轉(zhuǎn)記錄。運(yùn)轉(zhuǎn)使用過(guò)程中有無(wú)不正常操作。
(4)軸承工作中所承受的實(shí)際載荷是否符合原設(shè)計(jì)。
(5)軸承工作的實(shí)際轉(zhuǎn)速及不同轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的頻率。
(6)失效時(shí)是否有溫度的急劇增加或冒煙,是否有噪聲及振動(dòng)。
(7)工作環(huán)境中有無(wú)腐蝕性介質(zhì),軸承與軸頸間有無(wú)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復(fù)驗(yàn)情況),軸承原始間隙、裝配和對(duì)中情況,軸承座和機(jī)座剛性如何,安裝是否有異常。
(9)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)是否有熱膨脹及動(dòng)力傳遞變化。
(10)軸承的潤(rùn)滑情況,包括潤(rùn)滑劑的牌號(hào)、成分、顏色、粘度、雜質(zhì)含量、過(guò)濾、更換及供給情況等,并收集其沉淀物。
(11)軸承的選材是否正確,用材質(zhì)量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖樣要求。
(12)軸承的制造工藝過(guò)程是否正常,表面是否有塑性變形,有沒(méi)有表面磨削燒傷。
(13)失效軸承的修復(fù)和保養(yǎng)記錄。
(14)同批或同類軸承的失效情況。
在收集實(shí)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(wú)疑會(huì)更有利于得到正確的分析結(jié)論。
2.宏觀檢查
對(duì)失效軸承進(jìn)行宏觀檢查(包括尺寸公差測(cè)量和表面狀態(tài)檢查分析),是失效分析最重要的環(huán)節(jié)。總體的外觀檢查,可了解軸承失效的概貌和損壞部位的特征,估計(jì)造成失效的起因,察看缺陷的大小、形狀、部位、數(shù)量和特征,并截取適當(dāng)部位做進(jìn)一步的的微觀檢查和分析。宏觀檢查的內(nèi)容包括:
(1)外形和尺寸的變化情況(包括測(cè)振分析、動(dòng)態(tài)函數(shù)分析和滾道圓度分析)。
(2)游隙的變化情況。
(3)是否有腐蝕現(xiàn)象,在什么部位,是什么類型的腐蝕,是否與失效直接有關(guān)。
(4)是否有裂紋,裂紋的形態(tài)和斷口性質(zhì)如何。
(5)磨損是什么類型的,對(duì)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(rùn)滑情況和表面溫度效應(yīng)。
(7)對(duì)失效特征區(qū)主要觀察有無(wú)異常磨損、外來(lái)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(yàn)軸承零件原始表面有無(wú)軟點(diǎn)、脫碳層和燒傷,特別是表面磨削燒傷。
(9)用X射線應(yīng)力測(cè)定儀器測(cè)量軸承工作前后的應(yīng)力變化情況。
宏觀檢查的結(jié)果,有時(shí)可基本判斷失效的形式和原因,但要進(jìn)一步確定失效的性質(zhì),還必須取得更多的證據(jù),做微觀分析。
3.微觀分析
失效軸承的微觀分析包括光學(xué)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(jù)失效特征區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)變化和對(duì)疲勞源、裂紋源的分析為失效分析提供更充分的判據(jù)或反證。微觀分析中最常用、最普遍的方法是光學(xué)金相分析和對(duì)表面硬度檢測(cè)。分析的內(nèi)容應(yīng)包括:
(1)材料質(zhì)量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。
(2)軸承零件的基本組織和熱處理質(zhì)量是否符合有關(guān)要求。
(3)表層組織是否存在脫碳層、托氏體和其他表面加工變質(zhì)層。
(4)測(cè)量滲碳層等表面強(qiáng)化層和多層金屬各層組織的深度,腐蝕坑或裂紋的形態(tài)與深度,并根據(jù)裂紋的形狀和兩側(cè)組織特征確定裂紋產(chǎn)生的原因及性質(zhì)。
(5)根據(jù)晶粒大小、組織變形、局部相變、重結(jié)晶、相聚集等判斷變形程度、溫升情況、材料種類及工藝過(guò)程等。
(6)測(cè)量基本硬度、硬度均勻性及失效特征區(qū)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(cè)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(cè)出斷口的成分,發(fā)現(xiàn)斷口的性質(zhì)和斷裂的原因。
以上介紹的軸承失效分析一般方法的三個(gè)步驟是一個(gè)由表及里逐步深入的分析過(guò)程。具體每一步驟中包含的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)軸承失效的類型和特點(diǎn),視具體情況取舍,但分析步驟是缺一不可的。而且在整個(gè)分析過(guò)程中,分析結(jié)果應(yīng)始終與影響軸承失效的諸多因素聯(lián)系起來(lái),綜合考慮。
三、軸承常見失效模式及對(duì)策
1.溝道單側(cè)極限位置剝落
溝道單側(cè)極限位置剝落主要表現(xiàn)在溝道與擋邊交界處有嚴(yán)重的剝落環(huán)帶。產(chǎn)生原因是軸承安裝不到位或運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中突發(fā)軸向過(guò)載。采取對(duì)策是確保軸承安裝到位或?qū)⒆杂蓚?cè)軸承外圈配合改為間隙配合,以期軸承過(guò)載時(shí)使軸承得到補(bǔ)償。
2.溝道在圓周方向呈對(duì)稱位置剝落
對(duì)稱位置剝落表現(xiàn)在內(nèi)圈為周圍環(huán)帶剝落,而外圈呈周向?qū)ΨQ位置剝落(即橢圓的短軸方向),其產(chǎn)生原因主要是因?yàn)橥鈿た讬E圓過(guò)大或兩半分離式外殼孔結(jié)構(gòu),這在摩托車用凸輪軸軸承中表現(xiàn)尤為明顯。當(dāng)軸承壓入橢圓偏大的外殼孔中或兩半分離式外殼固緊時(shí),使軸承外圈產(chǎn)生橢圓,在短軸方向的游隙明顯減少甚至負(fù)游隙。軸承在載荷的作用下,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周向剝落痕跡,外圈只在短軸方向的對(duì)稱位置產(chǎn)生剝落痕跡。這是該軸承早期失效的主要原因,經(jīng)對(duì)該軸承失效件檢驗(yàn)表明,該軸承外徑圓度已從原工藝控制的0.8μm變?yōu)?7μm。此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向游隙值。因此,可以肯定該軸承是在嚴(yán)重變形及負(fù)游隙下工作的,工作面上易早期形成異常的急劇磨損與剝落。采取的對(duì)策是提高外殼孔加工精度或盡可能不采用外殼孔兩半分離結(jié)構(gòu)。
3.滾道傾斜剝落
在軸承工作面上呈傾斜剝落環(huán)帶,說(shuō)明軸承是在傾斜狀態(tài)下工作的,當(dāng)傾斜角達(dá)到或超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí),易早期形成異常的急劇磨損與剝落。產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)榘惭b不良,軸有撓度、軸頸與外殼孔精度低等,采取對(duì)策為確保軸承安裝質(zhì)量與提高軸肩、孔肩的軸向跳動(dòng)精度。
4.套圈斷裂
套圈斷裂失效一般較少見,往往是突發(fā)性過(guò)載造成。產(chǎn)生原因較為復(fù)雜,如軸承的原材料缺陷(氣泡、縮孔)、鍛造缺陷(過(guò)燒)、熱處理缺陷(過(guò)熱)、加工缺陷(局部燒傷或表面微裂紋)、主機(jī)缺陷(安裝不良、潤(rùn)滑貧乏、瞬時(shí)過(guò)載)等,一旦受過(guò)載沖擊負(fù)荷或劇烈振動(dòng)均有可能使套圈斷裂。采取對(duì)策為避免過(guò)載沖擊載荷、選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量、提高安裝精度、改善使用條件及加強(qiáng)軸承制造過(guò)程中的質(zhì)量控制。
5.保持架斷裂
保持架斷裂屬于偶發(fā)性非正常失效模式。其產(chǎn)生原因主要有以下五個(gè)方面:
a.保持架異常載荷。如安裝不到位、傾斜、過(guò)盈量過(guò)大等易造成游隙減少,加劇摩擦生熱,表面軟化,過(guò)早出現(xiàn)異常剝落,隨著剝落的擴(kuò)展,剝落異物進(jìn)入保持架兜孔中,導(dǎo)致保持架運(yùn)轉(zhuǎn)阻滯并產(chǎn)生附加載荷,加劇了保持架的磨損,如此惡化的循環(huán)作用,便可能造成保持架斷裂。
b.潤(rùn)滑不良主要指軸承運(yùn)轉(zhuǎn)處于貧油狀態(tài),易形成粘著磨損,使工作表面狀態(tài)惡化,粘著磨損產(chǎn)生的撕裂物易進(jìn)入保持架,使保持架產(chǎn)生異常載荷,有可能造成保持架斷裂。
c.外來(lái)異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見模式。由于外來(lái)硬質(zhì)異物的侵入,加劇了保持架的磨損與產(chǎn)生異常附加載荷,也有可能導(dǎo)致保持架斷裂。
d.蠕變現(xiàn)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(dòng)現(xiàn)象,在配合面過(guò)盈量不足的情況下,由于滑動(dòng)而使載荷點(diǎn)向周圍方向移動(dòng),產(chǎn)生套圈相對(duì)軸或外殼向圓周方向位置偏離的現(xiàn)象。蠕變一旦產(chǎn)生,配合面顯著磨損,磨損粉末有可能進(jìn)入軸承內(nèi)部,形成異常磨損——滾道剝落——保持架磨損及附加載荷的過(guò)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(jié)合面空隙,嚴(yán)重鉚傷)等均可能造成保持架斷裂。采取對(duì)策為在制造過(guò)程中加以嚴(yán)格控制。
四、總結(jié)
綜上所述,從軸承常見失效機(jī)理與失效模式可知,盡管滾動(dòng)軸承是精密而可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體,但使用不當(dāng)也會(huì)引起早期失效。一般情況下,如果能正確使用軸承,可使用至疲勞壽命為止。軸承的早期失效多起于主機(jī)配合部位的制造精度、安裝質(zhì)量、使用條件、潤(rùn)滑效果、外部異物侵入、熱影響及主機(jī)突發(fā)故障等方面的因素。因此,正確合理地使用軸承是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)過(guò)程中,針對(duì)產(chǎn)生早期失效的環(huán)節(jié),采取相應(yīng)的措施,可有效地提高軸承及主機(jī)的使用壽命,這是制造廠和客戶應(yīng)負(fù)有的共同責(zé)任。
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