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識別滾動軸承的失效模式，并查明造成損傷的原因是避免重復(fù)損傷、提高設(shè)備可靠性的第一步。

作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械設(shè)備中最常見的部件之一，軸承以最低的摩擦將旋轉(zhuǎn)部件（軸）和固定部件（軸承座）組合在一起。有了軸承，汽車、飛機(jī)、發(fā)電機(jī)、輸送機(jī)、印刷機(jī)等各種旋轉(zhuǎn)設(shè)備得以平穩(wěn)運(yùn)行。

對于經(jīng)常和工業(yè)設(shè)備打交道的人來說，應(yīng)該更好地了解軸承的工作方式以及在運(yùn)行中過早失效的原因。

為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的ISO 15243標(biāo)準(zhǔn)對滾動軸承的不同失效模式進(jìn)行了分類，并對每種失效模式的特征、外觀變化及其可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了描述。該標(biāo)準(zhǔn)的最新版本于2017年發(fā)布。

除了了解失效模式的特征和外觀，了解導(dǎo)致失效的原因也很重要。認(rèn)識了這些，有助于采取所建議的糾正措施來避免失效的再次發(fā)生。當(dāng)然，如果軸承一直運(yùn)行到失效（RTF）并發(fā)生卡死，則可能無法識別失效模式及其原因。 

本文總結(jié)了滾動軸承的ISO失效模式及其原因。在此之前，首先介紹一些基礎(chǔ)信息。

軸承基礎(chǔ)知識

滾動軸承是由高硬度軸承鋼制成的高精密機(jī)器部件，現(xiàn)在越來越多的滾動軸承采用陶瓷滾動體。軸承由內(nèi)圈和外圈、滾珠或滾子及保持架組成，圖1顯示了滾動軸承的常用部件。有些軸承還帶有密封或防塵蓋，這種密封式軸承出廠時(shí)已預(yù)填潤滑脂。潤滑油或潤滑脂對于分隔滾動體和滾道所需要建立的潤滑膜厚度至關(guān)重要。必須為設(shè)備選擇合適的軸承，并正確安裝，確保軸承潤滑良好且無污染。在尋找損傷跡象時(shí)，正確理解軸承內(nèi)部幾何形狀以及軸承的工作原理非常重要。

圖1：軸承術(shù)語 - 深溝球軸承。

將從設(shè)備上拆卸下來的受損軸承的滾道載荷痕跡與運(yùn)行良好的軸承進(jìn)行比較，有助于了解軸承損傷的原因。防范假冒軸承也很重要，因?yàn)榧倜拜S承的使用壽命通常要比知名軸承制造商制造的軸承短很多。

失效原因

導(dǎo)致軸承無法正常運(yùn)行并失效的原因是什么？

了解失效模式本身很重要，但了解導(dǎo)致失效的原因也許更重要。 

對于這個(gè)問題，不同的人有不同的答案。為了服務(wù)客戶和開展研究，SKF進(jìn)行了許多軸承檢測和損傷分析調(diào)查。調(diào)查結(jié)果記錄在SKF軸承分析報(bào)告軟件（BART）中。這種基于云的軟件會跟蹤所運(yùn)行的軸承被拆卸的原因和造成軸承失效的原因，以及一些其他數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，SKF便可以解答這個(gè)問題：為什么軸承會停止運(yùn)行？

數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)軸承因運(yùn)行過程中振動和噪聲過大而被拆卸下來。當(dāng)對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或溫度過高時(shí)，軸承也會被拆卸（圖2）。

圖2：軸承被拆卸的主要原因（源自SKF軸承分析報(bào)告軟件）。

潤滑不良和污染是造成軸承損傷最常見的原因（圖3）。與潤滑相關(guān)的原因可能是潤滑不足、使用了錯誤的潤滑劑、潤滑劑含有水分或其他液體、潤滑劑性能劣化等。與污染相關(guān)的原因可能在是裝配或維護(hù)期間顆粒污染侵入、機(jī)械部件（齒輪等）磨損造成的顆粒污染、密封失效、過濾不充分等。其他原因包括軸承使用（應(yīng)用場合）錯誤，或軸承安裝（配合）和搬運(yùn)不當(dāng)。

圖3：軸承損傷的常見原因（源自SKF軸承分析報(bào)告軟件）。

軸承運(yùn)行期間的ISO 15243失效模式分類

ISO 15243: 2017 [參考文獻(xiàn)1] 對安裝在設(shè)備中的軸承在運(yùn)行期間發(fā)生的失效模式進(jìn)行了分類，也就是說不包括部分缺損等制造型缺陷。ISO將失效模式分為六個(gè)大類：滾動接觸疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、以及裂紋和斷裂（圖4）。每一大類都包含子類別，以便對失效模式進(jìn)行更具體的分類。

圖4：ISO 15243:2017 失效模式分類。

分類的編號（例如 5.1.2）基于ISO 15243第5章。

《軸承損傷和失效分析》手冊 [參考文獻(xiàn)2] 可用于識別軸承失效模式和原因。

關(guān)于六大類失效模式的描述如下：

1　滾動接觸疲勞（ISO 5.1）

滾動接觸疲勞分為兩個(gè)子類：次表面起源型疲勞和表面起源型疲勞。

次表面起源型疲勞（ISO 5.1.2）（圖5）是由滾動接觸表面的循環(huán)載荷引起的，隨著時(shí)間的推移會導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微裂紋。微裂紋通常在表面下軸承鋼中的夾雜物處萌生，隨后擴(kuò)展至表面，發(fā)生剝落。這種疲勞受軸承質(zhì)量、施加的載荷、潤滑和清潔度的影響。這類似于軸承額定壽命L10mh。如果軸承因瞬時(shí)過載或其他削弱 材料性能的運(yùn)行狀態(tài)而承受高應(yīng)力，則次表面疲勞可能加速擴(kuò)展。在這些情況下，疲勞壽命很短（只有L10mh的5%到10%）。

表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）（圖6）是起源于滾動表面的疲勞，通常由潤滑不良或污染導(dǎo)致的表面損傷引起。潤滑油膜厚度不足和固體污染物過度碾壓會引起金屬與金屬接觸，從而造成表面微凸體相互剪切。之后相繼出現(xiàn)微裂紋和微剝落，最后導(dǎo)致表面起源型疲勞。

圖5：次表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖6：表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

2　磨損（ISO 5.2）

第二類是磨損。ISO將磨損分為兩個(gè)子類：磨粒磨損和粘著磨損。

磨粒磨損（ISO 5.2.2）（圖 7）是指在顆粒污染物等磨粒的作用下，表面材料逐漸移失。潤滑不充分時(shí)，也會發(fā)生磨粒磨損。其特征通常是表面外觀變暗。磨粒磨損是一種退化過程，最終會破壞軸承滾動表面的微觀幾何形狀。磨粒會迅速磨損內(nèi)外圈滾道、滾動體以及保持架兜孔。污染物侵入潤滑劑和軸承，以及滾動接觸中的潤滑劑不足都有可能引起磨粒磨損。

圖7：脂潤滑軸承中由于潤滑劑不足導(dǎo)致的磨粒磨損（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

粘著磨損（ISO 5.2.3）（圖8）是指當(dāng)軸承內(nèi)的兩個(gè)部件相互滑動時(shí)，材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，并伴隨著摩擦發(fā)熱的現(xiàn)象。這可能導(dǎo)致材料回火或二次淬火。當(dāng)軸承承載過輕以及徑向軸承的滾動體在進(jìn)入承載區(qū)時(shí)受到強(qiáng)烈的加速作用時(shí)，會出現(xiàn)粘著磨損，表現(xiàn)為涂抹（滑傷、粘結(jié)）。角接觸球軸承在高速、承載過輕和游隙過大的運(yùn)行條件下也可能發(fā)生粘著磨損。

圖8：粘著磨損（滑傷）（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

3　腐蝕（ISO 5.3）

第三類是腐蝕，分為三個(gè)子類：銹蝕、蠕動腐蝕和偽布什壓痕。

銹蝕（ISO 5.3.2）（圖9）是濕氣進(jìn)入軸承的常見問題。高硬度軸承材料的耐腐蝕性低，當(dāng)軸承處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，濕氣會在對應(yīng)滾動體間距的位置形成銹蝕，表面氧化后會在后續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)生次表面起源型疲勞。濕氣極大地降低了潤滑劑在運(yùn)行的軸承中形成一定厚度油膜的能力。

蠕動腐蝕（ISO 5.3.3.2）（圖10）發(fā)生在配合面之間的界面產(chǎn)生微小運(yùn)動時(shí)，例如軸承內(nèi)圈和軸之間以及軸承外圈和軸承座之間。這可能是由于軸承與軸或與軸承座的配合錯誤，還取決于所施加的載荷。例如，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)和載荷恒定的軸承要求其內(nèi)圈與軸具有一定的最小過盈配合，以避免蠕動腐蝕。同樣，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)和內(nèi)圈上施加旋轉(zhuǎn)載荷的軸承要求軸承外圈與軸承座具有一定的過盈配合，以避免蠕動腐蝕。蠕動腐蝕表現(xiàn)為界面上的黑紅色氧化。

偽布什壓痕（ISO 5.3.3.3）（圖11）發(fā)生在承受小幅振擺或振動的滾動體和滾道之間的接觸區(qū)。滾動體間距的位置上形成凹陷，導(dǎo)致表面的原始拋光面脫落，并且還會在表面上產(chǎn)生類似于蠕動腐蝕的黑紅色氧化。磨損量取決于外加載荷的強(qiáng)度、振擺和振動的強(qiáng)度以及潤滑條件。

圖9：銹蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖10：蠕動腐蝕（ 紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖11：偽布什壓痕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

4　電蝕（ISO 5.4）

電蝕分為兩類：過電壓電蝕和漏電流電蝕。

過電壓電蝕（ISO 5.4.2）（圖12）發(fā)生于電流通過滾動體從軸承的一個(gè)套圈傳遞到另一套圈時(shí)。在接觸表面上，該過程類似于電弧焊（小接觸表面上的高電流密度）。材料被加熱到從回火到熔化的溫度范圍，這會導(dǎo)致出現(xiàn)尺寸大小不一的變色區(qū)域，該處的材料經(jīng)過回火、二次淬火或被熔化，由于軸承的旋轉(zhuǎn)作用，在材料熔化并因此被剝離的地方形成環(huán)形坑，凸起的材料會被磨掉。在焊接設(shè)備接地不當(dāng)情況下對機(jī)器進(jìn)行焊接修補(bǔ)時(shí)，設(shè)備上產(chǎn)生的電火花可能會導(dǎo)致過電壓電蝕。

漏電流電蝕（ISO 5.4.3）（圖13）發(fā)生在低強(qiáng)度電流流過軸承時(shí)。損傷通常呈現(xiàn)彼此靠近的環(huán)形淺坑，并且隨著時(shí)間的推移會出現(xiàn)灰色搓板紋。滾動體可能呈現(xiàn)灰色、暗淡的外觀，并且潤滑劑也會變色。損傷的程度取決于電流強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、軸承載荷、轉(zhuǎn)速和潤滑劑。當(dāng)軸未正確接地或者電機(jī)由變頻驅(qū)動器（VFD）控制時(shí)，漏電流電蝕在有雜散電流的電機(jī)中很常見。

圖12：過電壓電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖13：漏電流電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

防止電蝕型損傷的解決方案是使用帶有電絕緣涂層（SKF INSOCOAT）的軸承或帶有陶瓷滾動體的混合軸承。

5　塑性變形（ISO 5.5）

ISO 將塑性變形分為兩類：過載變形和顆粒壓痕。

過載變形（ISO 5.5.2）（圖14）是由靜態(tài)過載引起的機(jī)械損傷。造成靜態(tài)過載的原因包括搬運(yùn)不當(dāng)（軸承從高處掉落）、安裝不當(dāng)（錘擊軸承）、設(shè)備運(yùn)行時(shí)承受沖擊載荷等。表現(xiàn)為滾道壓痕或?qū)?yīng)于滾動體間距位置的凹陷，保持架、密封和防塵蓋的損傷等。

顆粒壓痕（ISO 5.5.3）（圖15）出現(xiàn)在固體顆粒污染物或碎屑在軸承滾動接觸區(qū)過度碾壓時(shí)，從而導(dǎo)致滾道和滾動體產(chǎn)生壓痕（變形）。損傷的范圍受顆粒的大小、類型和硬度的影響。壓痕處被持續(xù)碾壓后會導(dǎo)致表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）。

圖14：過載變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖15：顆粒壓痕變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

6　裂紋和斷裂（ISO 5.6）

最后一個(gè)ISO失效類別是裂紋和斷裂，分為三個(gè)子類：過載斷裂、疲勞斷裂和熱裂。

過載斷裂（ISO 5.6.2）（圖16）發(fā)生在應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)。過載斷裂的常見原因是過盈配合過緊，或者圓錐孔軸承在錐形軸頸或安裝套上的推進(jìn)距離過大，會產(chǎn)生過高的環(huán)向應(yīng)力。

疲勞斷裂（ISO 5.6.3）（圖17）發(fā)生在循環(huán)彎曲條件下，應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)。反復(fù)彎曲會導(dǎo)致裂紋萌生，并擴(kuò)展到套圈或保持架上。如果軸承承受重載，并且軸承座的支撐剛度不夠大時(shí)，會使外圈承受高循環(huán)應(yīng)力，軸承中便可能出現(xiàn)疲勞斷裂。

熱裂（ISO 5.6.4）（圖18）發(fā)生在兩個(gè)表面相互滑動，并產(chǎn)生摩擦熱時(shí)。如果滑動很大，表面局部會二次淬火，再加上很高的殘余拉應(yīng)力的擴(kuò)展會導(dǎo)致裂紋，裂紋通常垂直于滑動方向。例如，靜止的軸承座與旋轉(zhuǎn)的軸承套圈接觸，就會發(fā)生熱裂。

圖16：過載斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖17：疲勞斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

圖18：熱裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。

有關(guān)軸承失效模式和原因的更詳盡描述，請參見參考文獻(xiàn)2。

值得注意的是，受損軸承內(nèi)的潤滑劑（潤滑油或潤滑脂）也可以為軸承失效研究提供有價(jià)值的信息。需要對舊潤滑劑采樣，再與新樣品進(jìn)行對比。對潤滑劑的分析應(yīng)考慮顆粒和水分污染的含量、粘度變化、潤滑脂稠度變化等因素。

檢查軸承密封或防塵蓋以及其他部件（例如安裝套）也可能獲得有用信息。

預(yù)測性維護(hù)（PdM）或基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）技術(shù)，例如振動分析、熱成像、油液分析等，可用于在軸承發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷以及可能對安裝軸承的設(shè)備損壞之前進(jìn)行的故障檢測。這樣可以更好地識別失效模式。在發(fā)生大面積損傷之前將大型軸承（內(nèi)徑>200毫米）拆卸，就有可能對其進(jìn)行修復(fù)。通過修復(fù)使軸承“煥然一新”，從而降低維護(hù)成本和對環(huán)境的影響（圖19）。

圖19：修復(fù)軸承和新的滾子軸承對環(huán)境影響的比較。

最常見的失效模式

SKF的分析數(shù)據(jù)1確定了五種最常見的ISO失效模式，即磨粒磨損 (26%)、表面起源型疲勞 (16%)、銹蝕 (14%)、粘著磨損 (7%) 和漏電流電蝕 (7%)（圖20）。這些失效模式約占軸承研究中確定的所有失效模式的70%。雖然在大多數(shù)軸承中都可以看到蠕動腐蝕（即使是輕微的），但不構(gòu)成主要的失效模式。其他 ISO失效模式在數(shù)據(jù)中也有所體現(xiàn)，但并不多見。

圖20：最常見的ISO失效模式*

SKF軸承分析報(bào)告軟件（BART）

SKF工程師使用的SKF軸承分析報(bào)告軟件現(xiàn)可供廣大客戶使用。SKF為客戶提供有關(guān)軸承知識、軸承檢測技術(shù)和SKF軸承分析報(bào)告軟件使用方法的基本培訓(xùn)。客戶與SKF應(yīng)用工程師或?qū)＜颐芮泻献饕酝瓿蓹z測報(bào)告，軸承分析報(bào)告軟件生成的檢測報(bào)告經(jīng)由SKF專家審核。通過這種檢測，可以判定軸承是否應(yīng)該更換、能否再次使用、能否進(jìn)行修復(fù)或是必須報(bào)廢。它還可用于記錄對新軸承投入使用前的檢查，這對于已存放很長時(shí)間的軸承非常有用。

在必要時(shí)，SKF應(yīng)用工程師可以對軸承進(jìn)行全面的損傷分析，為提高可靠性提供建議。SKF工程師可借助人工智能[參考文獻(xiàn)3] 來提高軸承損傷分析水平。人工智能使用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，通過數(shù)碼照片來評估軸承損傷情況。該系統(tǒng)采用人工智能形式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行圖像識別，并利用SKF檔案中數(shù)千張失效軸承的圖片進(jìn)行學(xué)習(xí)。

總結(jié)    

綜上所述，ISO 15243有助于對在設(shè)備運(yùn)行中的滾動軸承的失效模式進(jìn)行分類，并識別失效原因。通過了解常見的軸承失效模式及其原因，便可以采取糾正措施以避免再次發(fā)生失效。此舉可大幅降低出現(xiàn)意外和重大故障的風(fēng)險(xiǎn)，并有望提高設(shè)備的可靠性和利用率。由于維護(hù)需要而拆卸的軸承，可以進(jìn)行能否重新使用或進(jìn)行修復(fù)的檢查。

SKF正在收集軸承失效模式及其原因的數(shù)據(jù)，以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，以更好地了解軸承運(yùn)行狀況。SKF使用的軸承分析報(bào)告軟件也可供客戶生成軸承檢測和損傷分析報(bào)告。 

參考文獻(xiàn)

[1] International Standard ISO 15243:2017, “Rolling bearings damage and failures – terms, characteristics and causes”

[2] SKF brochure 14219, “Bearing damage and failure analysis”

[3] SKF Evolution article, “The future of bearing failure analysis is here” (2022)

（來源：演進(jìn)Evolution）