从失效案例分析轴承的早期失效.pdf

材料工程／２０１２年ｌ２期从失效案例分析轴承的早期失效ＥａｒｌｙＦａｉｌｕｒｅｏｆＳｈａｆｔＢｅａｒｉｎｇｓ关文秀，姜涛。，陶春虎，张兵，刘德林，胡春燕（１南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌３３００６３；２航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京１０００９５）——ＧＵＡＮＷｅｎｘｉｕ，ＪＩＡＮＧＴａｏ。，ＴＡＯＣｈｕｎｈｕ。，——ＺＨＡＮＧＢｉｎｇ。。ＬＩＵＤｅｌｉｎ，ＨＵＣｈｕｎｙａｎ（１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；２ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：通过对几起由不同原因引起的轴承早期失效件进行分析，讨论了影响轴承失效的常见因素。分析认为导致轴承早期失效的原因有：磨削加工不当导致局部烧伤形成软点；尺寸不当，改变了原有的配合间隙丧失运转精度；未溶解的碳化物在轴承运转的过程中脱落形成空坑，造成轴承运转不平稳；夹杂物也会导致轴承的寿命明显降低；装配不当使轴承运转不良；分析了润滑和载荷对轴承失效的影响。为提高轴承的使用寿命和可靠性，轴承的设计制造、加工过程以及使用过程方面都必须做到精细，尤其是磨削加工和装配环节要有合理的工艺参数和有效的预防措施。关键词：轴承；早期失效；影响因素；预防措施中图分类号：ＴＨ１３３．３文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２Ｏ１２）１２００１４０７Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇｓｏｍｅｃｌａｓｓｉｃｅａｒｌｙｆａｉｌｕｒｅｃａｓｅｓｏｆｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇｓ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｆａｃｔｏｒｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇｔｏｅａｒｌｙｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｌｏｃａｌｂｕｒｎｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙ—ｉｍｐｒｏｐｅｒａｂｒａｓｉｖｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｍａｙｌｅａｄｔｏｅａｒｌｙｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇｓ．Ｉｍｐｒｏｐｅｒｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍａｔｃ—ｈｉｎｇ，ｐｉｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｐｕｌｌｏｆｆｃａｒｂｉｄｅ，ｆｏｒｅｉｇｎｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄｉｍｐｒｏｐｅｒａｓｓｅｍｂｌｙｗｅｒｅｏｔｈｅｒｃｏｍｍｏｎｃａｕｓｅｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｏａｄｉｎｇｏｎｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｕｓｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｍｕｓｔｂｅｆｉｎｅ．Ｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｎｅｅｄｅｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｇｒｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｆｔｂｅａｒｉｎｇ；ｅａｒｌｙｆａｉｌｕｒｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅ在机电工业中，轴承是应用最为广泛的基础件之一ｌ＿１Ｊ。无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天等领域。显然，确保轴承在各种环境条件下都能正常工作，是十分重要的。轴承是机械设计中最重要部件之一¨２。广泛的使用使得更轻便、更耐用的轴承目前仍需要引进。而轴承的设计十分复杂，包括制造、保养和维修＿３］。轴承在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。轴承的失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环①节，它的积极意义在于：可以分析出轴承失效的主要原因，总结经验教训，提出改进措施，不断提高轴承产②品质量；可以判断设计是否合理，纠正某些不尽合理③的方面以提高轴承产品的可靠性；可以发现轴承零件在冷、热加工中存在的问题，纠正不合理的加工工④艺；可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的问题Ｊ。本工作通过对几起轴承失效案例的分析，从内因和外因两方面对轴承的影响进行了探讨，并提出了预防轴承早期失效的实用措施以及对失效的监测。１案例分析１．１支点轴承裂纹发动机工厂试车中发现振动偏大，拆机检验，发现三支点轴承内滚道上有裂纹及掉块。轴承内圈材料为Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ钢，内圈滚道采用粗磨、细磨、精磨及研磨磨制。粗磨后进行４００￣Ｃ回火，从失效案例分析轴承的早期失效１９轴承钢中的少量未溶碳化物可以使轴承保持足够的耐磨性，还能抑制马氏体晶粒长大，获得细晶粒隐晶马氏体，进而提高轴承的强韧性和接触疲劳强度等。除未溶碳化物含量影响轴承性能外，碳化物颗粒大小也严重地影响轴承的使用寿命。但轴承材料中碳化物较多地未溶人基体，不但会造成该轴承硬度低而且影响轴承的耐磨性能，未溶解的碳化物在轴承运转的过程中脱落形成空坑，造成轴承运转不平稳ｌ＿７］。如案例２就是由于未溶碳化物多而导致轴承出现早期疲劳剥落失效。２．１．４夹杂物的影响当材料缺陷如气孔、疏松和碳化物积聚等得以控制后，夹杂物将严重影响材料的疲劳性能和强度。在清洁润滑条件下，轴承的疲劳寿命显著提高］。有夹杂物存在时，使用寿命明显降低。裂纹首先在夹杂物与基体交界处形成并扩展，导致疲劳剥落。案例４中轴承早期失效就与夹杂物数量多有关。轴承构件承载区域内的非金属杂质，明显降低接触疲劳断裂抗力。杂质是与基体明显不同的外来物质，非金属杂质通常是由金属元素和氧、氮、硅、碳、磷和硫等所组成的复杂化合物，对疲劳寿命更为有害。锻件中的杂质，通常是与晶粒流变方向相平行的不连续或半连续的带状物。于是，当应力方向与带状物成垂直时，非金属杂质最不利的影响就会显露出来，在周期性或脉动载荷作用下，由于杂质形状、尺寸、硬度以及其分布不同，会局部地使应力增强到一定程度，那么，疲劳裂纹的萌生和扩展，终将会使轴承寿命比预期的要短。将轴承钢中杂质的含量减小到最小值，就能使轴承的使用寿命显著增加［７。２．２外来因素外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪音和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。２．２．１装配不当的影响装配对轴承寿命的影响是至关重要的，装配间隙过大会妨碍传热，增加轴承温度并导致内环和外环的装配面和轴承表面的磨损；装配过紧会使内环或外环上滚珠跑道的整个圆周上出现麻点，并可能使运转时的径向间隙过小甚至消失而使滚珠所承受的载荷变大，并使温度急剧增加。麻点的出现还会使振动增大，引起很大的扭力。装配不正确时，会引起轴承运转失衡＿１。案例５则是由于安装不当，造成轴承载荷分布不均匀，滚动体的载荷发生变形，形成偏载。当轴承发生偏载后，某列滚动体的当量载荷将大于其他列滚动体的当量载荷，出现该列滚动体承载增大，甚至超出承载能力，形成局部过载破碎。偏载不但影响多列滚子轴承各列滚子间的载荷分配不均，而且很容易引起单列滚子发生严重倾斜。造成局部应力集中，使滚动体由滚动变为滑动，从而破坏了滚动条件，导致了轴承的早期失效。２．２．２润滑的影响润滑质量是轴承使用寿命得以保证的最基本要求。轴承运转过程中有多种摩擦，其中内摩擦最严重的部位是转动圈滚道负荷区，轴承存在径向游隙，滚子只在负荷区滚动，非负荷区的滚子处于半滚半滑状态。当滚子一旦进入负荷区自转突然加速，在增速过程中，滚子与滚道的摩擦较强烈。同时在这一区域承受着冲击负荷。在润滑不良的情况下，零件的表面粗糙度逐渐加大，磨损更加严重，单位表面压力增大，同时轴承运转滚动体与滚道、保持架之间、保持架与内外圈之间均存在滑动摩擦。这类滑动摩擦随速度与负荷的增大“”而增大，从而造成部件之间相对爬行。为了减少摩擦与磨损，滚动轴承工作时各元件之间必须有良好的润滑油膜，利用润滑油膜来隔离各元件的接触表面，防止产生金属与金属的直接接触。润滑还能起到冷却作用，带走运转中产生多余的摩擦热Ｌ７］。案例６则是由于润滑不足引起的轴承早期失效。润滑不足在非常短的时间内，将造成轴承的超温而使之破坏。当过热的轴承发生破坏时，一般产生严重的振动或机件的卡滞。轴承失效的主要特征为：轴承所有滚珠或滚棒直径减小，表面有熔化的痕迹及过热变色的痕迹。２．２．３载荷的影响如排除轴承本身因素，轴承在工况条件下所承受的载荷仍是影响轴承使用寿命的重要因素。轴承在过载条件下运行，会导致轴承金属材料产生异常磨损和疲劳损坏，造成轴承滚动体局部萌生疲劳裂纹。疲劳是负载表面下剪应力周期性出现所形成的结果，经过一段时间后，这些剪应力便引发微小裂纹，渐渐地延伸至表面，当滚动体经过这些裂纹后，最终出现剥落现象引。案例７则是由于冲击载荷导致紧圈内有撞击凹坑，说明轴承所承受载荷已超过了跑道材料的弹性２Ｏ材料工程／２０１２年１２期极限。撞击凹坑是由过大的载荷或严重的撞击而造成的，撞击凹坑能使轴承的振动增加，严重时使轴承很快疲劳破坏。２．３预防轴承失效措施（１）采用一切可能和有效的手段，尽量提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加工工艺的改革、原材料的精选和精炼、高效率高洁度的润滑、精细的装配等。这也是防止轴承早期失效的最根本、最积极主动的途径。（２）加强轴承产品的质量检测和监督，以确保轴承产品质量指标达到设计要求。在轴承投人运转之前，严格的质量检测和监督也是预防轴承早期失效的积极措施。（３）加强对轴承工作状态的诊断和预测，及早发现异常，采用预防措施以防止突发性失效事故可能造成的重大损失。３结论（１）轴承故障中有约４Ｏ是由于内因导致的轴承早期失效，这其中有４Ｏ属磨削加工问题。约６０是属于外因，这其中有５Ｏ是装配问题，其他的就是由于润滑以及过载，或使用过程中的一些偶然因素造成了轴承的早期失效。因此，提高轴承的寿命和可靠性，轴承的设计制造、加工过程以及使用过程都是非常重要的，这些方面都必须做到精细。（２）轴承失效很大一部分原因是出于磨削加工和安装环节，因此，在磨削加工时需通过选择合理的工艺参数，正确选择砂轮、磨削液等措施来防止过烧而引起轴承的早期失效。安装时必须采取有效的措施，将轴承正确地安装于轴上或轴承座圈内，此外轴承必须垂直于轴，紧靠轴肩安装。轴承座圈必须是一个圆，能给整个套圈提供适当的握紧力而不至使其变形。安装后应进行调试与检验，确定安装到位。这样能很大程度上预防轴承的早期失效。（３）轴承是整个机器运转的核心部件之一，因此保证轴承的正常运转是关键。而轴承的一些早期失效是由于偶然因素，因此除了做到好的预防措施外，在使用时也应有良好的监测。这样能够有效防止重大事故的发生。而轴承的重要性和失效原因多且有不能解决的偶然因素，所以预防轴承的早期失效应更深入地进行研究。参考文献［１］韩树人，史铁军，李威，等．滚动轴承拟静力学分析与应用研究—［Ｊ］．冶金设备，２０１０，（６）：１０１３．—ｒ２］ＧＲＵＢＩＳＩＣＶ，ＶＵＬＩＥＮ，ＳＯＮＮＩＣＨＳＥＮＳ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｕｒａｂｉｌｉ—ｔｙｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｂｅａｒｉｎｇｇｉｒｄｅｒｓｉｎｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｓｉ＇Ｊ］．Ｅｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ，２００８，１５（４）：２４７２６０．—［３３ＢＵＲＫＥＶＥＩＩＺＡ，ＳＹＮＧＥＬＬＡＫＩＳＳ，ＲＥＥＤＰＡＳ．Ｆａｔｉｇｕｅ—ｃｒａｃｋｓｈｉｅｌｄｉｎｇａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎｐｌａｉｎｂｅａｒｉｎｇｓｕｎｄｅｒｌａｒｇｅｓｃａｌｅ—ｙｉｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ，２０１０，１７（３）：６４８６５７．［４］梁华．滚动轴承的失效分析ＥＪ］．理化检测一物理分册，２００５，４１（ｓ）：—９９１０３．ｉ－ｓ］张鹏远，庞兆夫，陈晓红，等．轧机轴承使用寿命影响因素分析—［Ｊ］．鞍钢技术，２０１１，（２）：２０２４．［６］张士军，腾旭东，刘志优．发动机齿轮和轴承失效分析［Ｊ］．失效分—析与预防，２０１１，６（２）：１０９１１４．［７３陶春虎，钟培道，王仁智，等．转动部件的失效分析［Ｍ］．北京：国—防工业出版社，２００８．１６５２６１．［８］王林海，杨川，程海明，等．国产与进口轴承钢组织结构与性能分—析［Ｊ］．材料热处理技术，２００８，（９）：４８５１．［９］钱坤．残余奥氏体对滚动轴承疲劳寿命的影响［Ｊ］．材料热处理技术，２０１０，３９（１Ｏ）：６ｏ～６６．［１Ｏ］王振华．滚动轴承的疲劳失效与轴承钢中的非金属夹杂物的关—系口］．宝钢技术，２００３，（ｓ）：４２４６．Ｅ１１］袁和会，魏玉玮，刘志英．滚动轴承工作表面失效分析［Ｊ］．宁夏—工程技术，２００３，２（２）：１６６１６７；［１２］陈光．航空发动机轴承的滑蹭损伤与防止措施［刀．燃气涡轮试—验与研究，２００４，１７（３）：５８６２．［１３］李柱国，谭业琴．汽车发动机轴承与润滑系统的相关ＮＥ［Ｊ］．理化检测一物理分册，２００５，４１（Ｓ）：１０５１０８．［１４］冯良栋．离心泵滚动轴承失效的分析［Ｊ］．工业技术，２０１１，（１６）：７．［１５］罗源东，朱江浩．珠钢ＣＳＰ连铸机矫直辊轴承失效原因分析及预—防［Ｊ］．冶金丛刊，２００９，（５）：４６．基金项目：无损检测技术教育部重点实验室开放基金资助（ＺＤ２０１１２９Ｏ１４）———收稿日期：２０１２０３１５；修订日期：２０１２－０８１３作者简介：关文秀（１９８９一），女，硕士研究生，从事无损检测方面和失效—分析方面的研究，联系地址：北京市８１信箱４分箱（１０００９５），Ｅｍａｉｌ：ｇｕａｎｗｅｎｘｉｕｙｂ＠１６３．ｃｏｒｎ