我国滚动轴承磨损失效分析现状及展望

王姗姗,郭浩,3,4,雷建中,张永振

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.机械科学研究总院 武汉材料保护研究所，武汉 430030；4.特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，武汉430030；5.高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471003)

轴承用于支承轴及轴上零件，既保持轴的旋转精度，又用于减少轴与支承的摩擦磨损，在机械设备中的作用举足轻重[1]，可以说轴承的好坏很大程度影响着机械的质量。随着科学技术的发展，轴承的服役环境越来越苛刻，对轴承的使用要求也越来越高，例如高精密、耐腐蚀、无磁、高温高速等[2-5]。因而，如何提高轴承使用寿命意义重大。众所周知，材料失效的主要形式包括磨损、断裂和腐蚀，其中由摩擦副间摩擦所导致的磨损失效约占设备损坏的70%[6-11]，轴承亦不例外。文献[12]研究认为，滚动轴承磨损失效的主要表现形式是表面磨损，文献[13]对所收集的2个品牌的200余套轿车后轮轴承的失效统计表明，磨粒磨损平均发生率高达60%。因此，研究轴承磨损失效的原因，制定抗磨对策, 提高轴承的使用寿命具有很大的社会和经济效益。

1 滚动轴承磨损的类型

滚动轴承磨损的分类方法较多。按磨损的部位不同，有内外圈磨损、滚动体磨损、保持架磨损等。按摩擦表面破坏的机理和特征，磨损分为4大类[14]：疲劳磨损、磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损；GB/T 26411—2009《滚动轴承 损伤和失效术语、特征及原因》按照失效的主要原因进行划分失效模式，并且把疲劳磨损(标准中称为疲劳)和腐蚀磨损分别列为失效模式，电蚀也单独归类[15]。为便于磨损相关的失效分析，文中以摩擦表面破坏的机理和特征对磨损失效进行论述，具体磨损类型见表1。

表1 滚动轴承磨损的类型

图1 钢球疲劳剥落形貌

图2 滚子轴承内圈磨粒磨损形貌

图3 滚道表面上的涂抹

图4 内圈电腐蚀形貌

2 轴承磨损失效的影响因素及措施

轴承的磨损是诸多因素耦合的损伤累积的过程，涉及摩擦副材料、摩擦条件、接触表面状态、环境等多种因素。对收集到的滚动轴承磨损失效案例(共64套)按照下述归类的影响因素进行统计分析，结果见图5。可以看出，滚动轴承磨损失效主要受润滑状态与密封技术影响，其次为滚动轴承摩擦条件(包括运转速度、载荷、滚道表面粗糙度等)。

图5 滚动轴承磨损失效案例统计

2.1 表面摩擦副材料(包括材质、表面状态等)

不同性能的材料组成摩擦副，其磨损形式不尽相同。若摩擦副表面较硬，则易发生磨粒磨损；表面较软且光滑则易发生粘着磨损。文献[17]通过对比国产滚动轴承和进口同类产品发现，国产轴承在微观组织、硬度分布、元素成分含量等方面与进口产品均有很大差异，尤其组织内碳化物颗粒较大，因此更易于疲劳磨损。

摩擦副基体的连续性非金属夹杂物容易导致其接触疲劳寿命严重降低。在循环应力作用下，脆性夹杂物处极易形成应力集中源，进而导致早期疲劳磨损。文献[18]对客车高碳铬轴承钢轴箱轴承内圈剥离和裂损的研究发现，由于滚道面浅表层存在大尺寸的脆性非金属夹杂物，在轴承滚动过程中，脆性夹杂物处萌生疲劳裂纹并在载荷的作用下持续扩展，最终引起轴承失效。

表面喷涂、物理化学气相沉积等表面处理亦能减少轴承磨损，因此合理的选配摩擦副可以有效的减少磨损。

2.2 摩擦条件

摩擦条件对摩擦副的磨损行为影响巨大。摩擦条件包括零件的运动形式、摩擦表面的接触形式、速度、载荷以及加载方式等。通常认为载荷大小是决定轴承磨损量的主要因素。文献[19]对240/530调心滚子轴承失效分析的原因进行分析，认为轴承在使用过程中承受了较大的轴向载荷，导致了轴承偏载，最终引起轴承失效。文献[20]分析抽油机减速器滚动轴承失效形式，指出滚动轴承内外圈与滚动体之间存在接触和相对运动，使摩擦不可避免，进而使滚动轴承零件尺寸和形状发生变化，最终导致磨损失效；文献[21]统计分析铁路货车轴承引起热轴的原因发现，因接触不良引起局部过载造成轴承磨损失效的比例高达67%；文献[22]研究发现，由于路面不平，汽车在行驶过程中会产生振动和冲击载荷，较大的冲击载荷会造成减摩合金层片状脱落，即产生疲劳剥落或称疲劳剥蚀。因此，合理设计摩擦条件可有效减少滚动轴承磨损失效。

2.3 密封技术以及润滑状态(包括润滑剂和润滑方式等)

润滑状态对粘着磨损的影响很大，滚动轴承在润滑条件下比干摩擦条件下寿命更长。若润滑剂中加入有效添加剂，即使同样的润滑状态，也能成倍提高抗粘着磨损能力；抗疲劳磨损能力与润滑油的黏度有关，一定条件下其随润滑油黏度的增加而增大。若润滑脂中混入磨损颗粒、外来异物或水分等，将会影响润滑脂的润滑性能和成膜特性，进而使润滑脂润滑性能下降，加剧滚动轴承失效，良好的密封可有效减少外来异物的影响。

文献[23]针对660 MW汽轮机推力轴承经常磨损的问题提出改进润滑系统的方法；文献[24]在机泵中采用油雾润滑系统，使故障率减少了90%；文献[25]分析300 MW 机组汽泵前置泵轴承损坏原因是密封不实导致漏油，进而导致润滑不良；文献[26]对链斗式挖泥船用导轮轴瓦磨损原因进行分析，指出因挖泥时压力、冲击载荷大和泥砂多等原因对密封造成了损坏, 外界泥沙大量进入将造成严重的磨粒磨损, 缩短轴承使用寿命；文献[4,27]分析某型航空发动机主轴承异常磨损原因以及深沟球轴承磨损失效的原因，均得出密封不好导致轴承磨损失效的结论。因此，采用良好的润滑系统及密封技术可有效减少磨损。

2.4 环境(包括温度、气氛等)与介质

摩擦副在摩擦过程中产生的摩擦功除部分被润滑液带走及损失外，主要转化为接触表面的热能，摩擦副表面上的热量由于散发较慢，逐渐累积，导致摩擦副表面温度升高。当短时摩擦副表面温度升高至一定程度会将使轴承零件表面产生烧伤层(二次淬火层和高温回火层)，进而使轴承零件表层产生明显的组织结构和性能变化，最终影响摩擦副的摩擦磨损性能[28]。

文献[29-30]分析某型泵用推力球轴承的磨损失效以及屏蔽泵故障，均得出摩擦热过高导致轴承失效的结论；不同的气氛和介质均对摩擦磨损行为产生影响，如潮湿环境易于锈蚀以及带电环境中轴承的电蚀等。文献[31]研究认为，电除尘器振打装置中轴承在中温、高粉尘环境下工作，磨损方式主要是磨粒磨损。文献[32]对舰载飞机发动机轴承失效检测表明，润滑剂的Cl-量高达3 mg/L，这与海水腐蚀环境有关。文献[33-34]分析电动机轴承烧损和减速机轴承失效原因，均得出电主机漏电从而产生电蚀的结论。文献[35]总结高压电机轴承失效中指出，当轴电流产生后，滚道与滚子之间的接触面会产生电弧，局部产生高温，最终导致磨损失效。因此，应尽量减少环境与介质对磨损的影响，延长轴承的使用寿命及可靠性。

2.5 质量问题以及安装使用问题

轴承质量问题包括设计、安装以及使用不当、热处理质量不合格、加工问题(磨削烧伤以及加工误差)等。轴承由于设计不能满足要求，使用时无视轴承设计载荷或者转速等，均会导致轴承出现早期磨损失效。轴承安装时预紧力若没有达到要求，轴与内圈相对转动，导致轴颈严重磨损；轴与轴承若过盈量不足，轴承内圈由于承受载荷旋转，导致其与轴之间会产生圆周方向的蠕变滑动现象，进而使配合面磨损逐渐增大，最终导致轴失效。

文献[36-39]分析相应轴承的损坏原因，均得出由设计不当所致；文献[40]分析冷轧机轴承失效原因系安装不当导致滚子与外圈不良接触进而产生磨损；文献[41]分析某航空发动机轴承故障原因认为，装配检验方法不正确导致的轴承尺寸超差是轴承磨损的主因；文献[42]对某涡轴发动机主动齿轮轴承磨损问题进行研究，得出装配质量差，主动齿轮轴颈和轴承磨损与减速器后部钢套松动，进而导致磨损产生；文献[43] 分析凝结水泵轴承振动超标原因系轴承装配不当所致；文献[44]对潭头水电站上导轴承异响原因进行分析，认为导瓦没有安装压板造成异响。

轴承加工误差较大以及产生磨削烧伤也会使轴承早期失效。文献[45-46]分析变速箱轴承异响、高压电机轴承故障，均得出系轴承加工误差过大所致；文献[47]研究认为，局部几何形状误差(如轴承的直线度不好或局部有凸起)会导致局部应力集中而致使产生接触疲劳。

热处理组织不合格，过热或欠热也会影响轴承性能，最终使轴承早期失效。

综上，合理的设计安装使用轴承，改进轴承磨削工艺，保证轴承热处理质量均能有效减少滚动轴承磨损失效。

3 滚动轴承磨损失效分析思路

磨损失效分析影响因素较多，问题极其复杂，需要在诸多影响因素中排除次要因素找到主导因素，进而提出合理的预防应对措施[48]。

分析具体的磨损失效问题时，首先要收集背景资料如主机的运行记录，已磨损报废的轴承及其磨粒磨屑等；了解摩擦副相关信息(零件的运动形式、摩擦表面的接触形式、速度、载荷、加载方式、介质、湿度、温度、润滑状态、润滑剂及其种类、密封技术等)；了解材料选择依据以及设备主要零件的生产流程；相关质量检验报告及有关的标准等；生产设备的使用情况及日常维护保养情况。其次，在初步检验失效零件外观损伤形貌的基础上，还应进行技术复验，包括材料的化学成分、金相组织、硬度、均匀性、常规机械性能以及轴承的尺寸精度相关参数等。然后进行深入分析，对磨损失效表面和磨屑进行仔细分析，根据表面磨损特征和磨屑形状判定磨损失效模式，必要时分析磨损次表层，了解裂纹或缺陷的形成部位并判定其扩展方向，推断其产生的原因，并由此确定磨损的发生和发展过程。最后，得出结论并进行证明性试验，验证结论的可靠性。

4 展望

轴承的磨损失效是一个逐渐累积的过程，轴承使用过程中必定会发生摩擦，摩擦会产生磨损，磨损到一定程度，轴承就会失效。由于轴承磨损涉及数学、材料、物理化学、机械、表面工程学、动力学、热力学等多学科的知识，因此轴承磨损失效的研究工作难度较大。遗憾的是目前轴承磨损失效研究工作主要是针对具体使用的失效轴承进行分析，查找出原因，进而提出改进措施，没有系统的归纳总结，企业间也没有进行较多的交流或共享。上述的轴承磨损失效影响因素引用的多数分析实例，均是如此。

总之，轴承磨损失效研究主要包括磨损失效的监测、预防研究和磨损失效机理研究2个方面。当前应结合国家的重点发展要求例如高速铁路轴承、机器人轴承、航空轴承等以及轴承磨损失效研究所面临的迫切问题，分析具体的材料磨损失效问题，同时建立、完善轴承监测预防体系和磨损失效理论，最终形成轴承磨损失效的相关技术标准规范；同时，推广减磨设计理念(包括新型耐磨材料、润滑技术以及表面工程技术)，改进轴承的摩擦学设计。

目前轴承磨损失效研究亟待解决的问题主要有：

1)建立轴承磨损失效的数据库信息，轴承磨损评价以及监测等技术标准规范；

2)深入轴承材料磨损机理模型及磨损监测预防研究：包括轴承运转模型以及多场耦合的磨损机理研究；针对轴承的特殊使用工况，开发满足苛刻环境摩擦学系统的新型材(X30高氮钢、EP和IQ高纯度轴承钢等[49])以及新的表面处理工艺的应用等；结合不同监测方法的优点进行轴承磨损监测预防的研究。