滚动轴承保持器磨损对轴承失效的影响*

黄海军 王 雪 薛楷杰

(1.浙江省机电设计研究院有限公司 浙江杭州 310051；2.浙江方圆检测集团股份有限公司浙江杭州 310051；3.南开大学统计与数据科学学院 天津 300072)

滚动轴承作为基础件已被广泛地应用于当代工业生产及生活的各个领域。相关研究证实，滚动轴承，特别是脂润滑轴承的质量、运转特性、使用寿命乃至于可能的整体设备的早期故障等，均与其轴承本身的磨损有关。其原因除了脂润滑轴承在使用过程中所产生的磨损磨粒混入润滑剂后不易排除，造成轴承表面进一步的刮伤及更为严重的磨损外，它还会因磨损微粒的催化效应加剧润滑脂的化学劣化，使轴承脂润滑性能不断减弱,进而影响轴承的早期疲劳失效，降低轴承使用寿命。因此滚动轴承的摩擦行为和磨损过程研究等始终是行业内外所关注的重点之一。

多年来，人们普遍认为轴承在常规使用状况下的摩擦磨损行为及疲劳失效主要发生于轴承滚动体与滚道之间，作为轴承中的主件之一的保持器在轴承运行过程中仅起分离、分隔滚动体的作用。但自19世纪初人们发现轴承在运行过程中保持器存在着一定的滑动现象后，从理论上证实了保持器滑动摩擦及磨损行为的存在。 随后大量的研究分别从实验分析和实践论证的角度，探讨了轴承保持器滑动对轴承摩擦与磨损的影响作用。BISWAS、GUPTA等[2-3]对球及滚子轴承的保持器滑动过程进行了详细的研究和理论计算，认为球及滚子轴承的保持器滑动过程既受轴承外滚道的引导和制约，又受轴承内滚道的引导影响。SELVARAJ和MARAPPAN[4]研究了轴承运转过程中各因素变化对轴承保持器滑动过程的影响，获得的实验数据初步揭示了轴承保持器滑动与一些轴承运转参数的关系。LU等[5]提出轴承保持器的滑动最初是因负载和主轴转动引起，保持器的滑动速度随径向负载改变而变化。DENG等[6]对轴承径向载荷、运转速度、润滑剂黏度和温度与保持器滑动的关系进行了分析。

除了上述研究工作外，研究人员也试图通过理论建模分析、优化保持器兜孔设计、改善轴承保持器表面摩擦因数以及改变保持器材质成分等，来不断降低轴承保持器在实际应用过程中的摩擦磨损[7-9]。但由于轴承保持器在轴承实际运行中的滑动行为，以及它与滚动体之间的接触摩擦，受诸多因素影响，因此对轴承运行中保持器实际磨损量的定量分析及它对轴承性能的具体影响等研究，都尚处于起步阶段，有待于进一步的探索和研究[10-13]。

本文作者借助于XRF等技术对各类实际使用的脂润滑滚动轴承样本进行调查和分析，利用获得的各参数的对比数据进行统计和研究，重点探讨保持器磨损与轴承整体磨损之间的相关性和定量关系；同时初步分析和评估了保持器磨损过程所产生的磨粒成分对轴承滚动疲劳形成、润滑脂失效的影响。研究结果对深入了解和掌握脂润滑轴承保持器磨损发生、发展过程和影响因素具有一定的参考价值。

1 XRF技术应用于轴承磨损的分析

X-射线荧光光谱分析技术(简称XRF)是一种快速、无损元素成分分析技术，它利用样品中不同元素原子受高能辐射激发后引发内层电子的跃迁，进而发射出具有不同能量特性及不同波长特性的二次X射线的原理，来定性和定量获知样品中各元素的种类及含量。

XRF分析技术的元素测定范围较宽，固体、粉末、液体等样品均可直接进行分析，相对其他分析手段具有分析速度快、多元素同时测定、干扰小、分析精密度高且跟样品中材料的化学结合状态无关等优点。XRF分析技术应用于磨损分析和质量监控可以追溯到20世纪70年代，美国三军联合油料分析支持中心采用X萤光能谱对飞机F404涡轮发动机的磨损进行了分析和失效预警，取得了较为满意的结果[14-15]。近年来，XRF分析技术除了用于材料元素成分分析外，也被作为航空、船舶及汽车磨损及相关摩擦零部件运行过程中磨损的常规定量分析及检测手段。相对于其他常见的元素成分检测和分析方法，如原子吸收光谱、原子发射光谱及转盘电极发射光谱( ROAD AES)，XRF分析技术不但可以在材料磨损及失效分析时不进行预处理，直接分析各形态的样品外，还能避免某些分析手段因无法检测大于10 μm以上的金属磨损微粒成分，从而造成数据失真，甚至得到完全错误结果的情况[16-17]。

文中以各类实际使用的脂润滑滚动轴承中润滑脂试样为研究对象，借助于美国ThermoFisher公司的ARL ADVANT’X IntelliPowerTM 4200 X射线荧光光谱仪，对从轴承样品中获取的润滑脂试样直接进行检测和分析，并以其中重金属如铁、铜等含量作为定量分析轴承磨损的依据和评价数据指标。具体方法及过程如下：

(1)取样：打开使用后的轴承防尘盖、密封圈，用专用取样器将其中的润滑脂从轴承中取出；

(2)混样：将取出的润滑脂搅拌均匀1 min，取其中3 g作为分析试样；

(3)分析：将3 g分析试样放入带迈拉膜的XRF试样盒中进行成分分析，并进行数据统计。

为了论证XRF技术在脂中所检测的铁、铜等金属元素的含量与脂润滑轴承或部件实际磨损之间存在相关性，探讨其分析数据、信息是否能真实地反映和代表轴承或轴承部件的磨损程度，对多组不同类型和内部结构的黄铜保持器脂润滑轴承在运转速度、负载下的脂样本进行了测试和分析，并分别对其脂中的铁、铜含量与各材料中的铬、黄铜含量(锌与铜总量)进行了对比。

图1给出了多组黄铜保持器轴承润滑脂样品中铁质量分数的测试结果与各样品中铬含量相对于铁含量的占比。结果表明，尽管各样品实测的铁质量分数差异巨大，从最低0.067%到最高16.25%，相差最高达240倍，但各样品中铬与铁含量的比例却始终处于1.0%～2.0% 之间，其中有约50%的样品的Cr/Fe在1.3%～1.85% 之间，与轴承钢材料本身铬与铁含量的比例的分析结果相吻合。

图1 黄铜保持器轴承润滑脂样品中Fe质量分数及Cr/Fe比例

图2给出了轴承润滑脂试样中铜质量分数的测试结果及样品中铜含量相对于铜锌总量(Cu/Brass)的占比。 同样可得出，约有80%以上样品的Cu/Brass数据在58%～64% 之间，符合黄铜材料的元素构成。

图2 黄铜保持器轴承润滑脂样品中Cu质量分数及Cu/Brass比例

此外，对溶剂分离处理后残留于润滑脂样品固体物相中的铁、铜进行了分析，结果表明，上述铁及铜成分均是以5～70 μm固体颗粒状的形态存在于样品中。因此，上述分析数据及结果充分地说明运用XRF技术在轴承润滑脂样品中所检测的铁、铜元素分别来源于轴承主体套圈、滚动体以及黄铜保持器构件中，且以固体磨损颗粒的形式存在于润滑脂样中。因此作为衡量轴承整体或部件磨损的表征参数，XRF分析结果能基本准确和真实地反映实际运转过程中轴承的磨损程度。

2 铜保持器的磨损及影响

相对与钢及其他材料的保持器，黄铜轴承保持器具有耐磨、自润滑、载重力强的特点，它作为一种常见的保持器被广泛地应用于风电及汽车行业。

图3和图4分别给出了对某风电场以黄铜材料作为保持器的多组240/600球面滚子轴承，经4 000和8 000 h运行后润滑脂中铁及铜成分质量分数的分析结果。结果表明，尽管轴承样本的运行时间不同，但轴承的润滑脂中都存在铜的成分，这说明轴承在正常运转过程中，其铜保持器确实存在着一定程度的磨损。图3中71组风电轴承在运行4 000 h后润滑脂中铜的平均质量分数为0.007 4%，铁的平均质量分数为0.074 5%。而图4中运行8 000 h后的71组风电轴承的润滑脂中铜和铁的平均质量分数则分别提高至0.027% 和0.202%。两组样本中的铜及铁质量分数的中位数分别由0.005 6%和0.030%增加至0.011 2%和0.129%。针对脂润滑轴承的结构特点，轴承运行过程中所产生的磨损微粒会随运行时间、磨损的持续而不断产生并累积于润滑脂中，尽管上述两组样本中的统计数据都表明其保持器的磨损程度要低于轴承本身滚动体间的磨损，但图4所示样本中表征为轴承本身滚动体间磨损的铁质量分数在运行8 000 h后有显著的提高。这一现象也许与轴承在运行初期时滚道与滚动体本身表面状态较为理想，磨粒磨损过程相对较低有关。随着后期轴承滚道与滚动体之间黏着磨损和磨粒磨损的加剧，使滚动体表面状态相对变差，导致轴承磨损量加剧。

图3 运行4 000 h后240/600轴承的润滑脂样品中铁与铜的质量分数

图4 运行8 000 h后240/600轴承的润滑脂样品中铁与铜的质量分数

为进一步分析和研究轴承在不同运转周期内轴承本身滚动磨损量的变化规律及它与保持器磨损间的关联性，对运行4 000和8 000 h的240/600风电轴承的润滑脂样品中铜与铁质量分数的相关性进行了回归统计分析，结果如图5、图6所示。结果表明，在运行4 000 h后轴承的润滑脂样品中铜磨损颗粒质量分数与铁磨损颗粒质量分数之间呈现一个正相关的关系，即铜质量分数随着铁质量分数的提高而增加。而轴承运行8 000 h后回归分析数据则显示，铜磨损颗粒质量分数的变化受铁质量分数变化的影响明显降低。其主要原因是，作为摩擦工作面的轴承滚动体间所出现的磨粒增量，除源自本身的磨粒磨损外,还与保持器磨损产生的磨粒有关。特别是在轴承运行过程的初期，由于滚动体本身表面状态较为理想，保持器的磨损相对较高，此时保持器磨损所产生的磨粒便成为影响轴承滚动体磨粒磨损的主导因素，而后期由于不断加剧的滚动体磨损导致其工作面产生大量磨粒，这些磨粒逐渐成为影响滚动体磨粒磨损的主导因素，此时滚动体的磨损过程受保持器磨损的影响便降低了。

图5 运行4 000 h后240/600轴承的润滑脂样品中铜与铁质量分数相关性的回归分析

图6 运行8 000 h后240/600轴承的润滑脂样品中铜与铁质量分数相关性的回归分析

这一分析从另一个侧面证实了轴承保持器磨损在轴承初期摩擦磨损过程中的重要性。此外，它对轴承运行性能的影响，包括轴承磨损的形成及发展，都有进一步分析与研究的必要。

3 钢和高聚物保持器的磨损及影响

优质的碳素钢和高聚物材料，如尼龙等也被普遍作为滚动轴承的保持器材料。钢制保持器的特点是强度高、韧性好、易于加工，因此众多O系列球轴承保持器常采用08或10优质碳素钢薄板经冷冲压方式加工成浪形保持器。而用量最大的非金属保持器材料之一是添加有玻纤增强材料的聚酰胺材料。因其质量轻，具有良好的强度、一定的自润滑性能、摩擦小及不易锈蚀等特点，常用于工作温度在-40～120 ℃之间的小型滚动轴承。

图7给出了运用XRF分析对41组实际使用过程中的钢制浪形保持架密封球轴承内润滑脂中主要磨损成分铁质量分数的分析结果。由于其针对的分析样本源于不同型号的球轴承，轴承的运转速度不同，负载和运行时间也不一样，且部分样本已出现了磨损失效迹象，因此各样本中磨损成分中铁的质量分数间差异十分明显，从最小的0.097% 到13.41%，差距达到130倍以上。同时，图7中铁质量分数的分析结果所代表的数据是一个含铁的总量，虽然无法具体区分或量化每一样品中轴承保持架与轴承滚动件间各自的磨损，但是由于轴承保持架与轴承滚动体所使用的材料不同，因此可以借助它们之间的差异来确定保持架是否存在磨损及对其磨损程度作出一个初步的概率计算和评估。图8给出了上述钢制保持器轴承内润滑脂样品中铬、铁含量比，并与非钢制保持器轴承内润滑脂样品中铬、铁含量比进行比较。可以看出，尽管2种保持器Cr/Fe统计分布都呈现正态分布，但差距却十分明显；非钢制保持器轴承内润滑脂样品中Cr/Fe统计分布的置信区间为1.42～1.54，表明约有95%的分布可能性位于该区间，即95%样品磨损颗粒中铬元素约占铁元素比值的可能性区间为1.42%～1.54%，这与轴承滚动体的构成成分基本吻合，说明其铁质磨损颗粒均来自于轴承滚动体表面。而上述41组不同型号的钢制保持器球轴承内油脂样品中Cr/Fe统计分布的置信区间仅为0.76～1.09，远低于对照组，由此可证实大部分以钢作为保持器的球轴承在运行过程中出现的磨损颗粒中或多或少地存在着普通碳素钢成分。而这些不含铬的碳素钢成分无疑与轴承铁质保持器本身的磨损密切相关。经统计学概率统计方法初步计算和推论认为，以碳素钢作为保持器的球轴承在运行过程中，浪形保持器本身所产生的磨损占轴承总磨损的分数在28～45区间的概率为95%。

图7 钢制浪形保持器滚动轴承的润滑脂样品中的铁质量分数

图8 钢制保持器和非钢制保持器轴承的润滑脂样品中铬/铁占比(Cr/Fe)的分布对比

图9给出了47组非金属材料尼龙保持架密封球轴承内润滑脂在实际使用过程中的主要磨损成分铁及硅质量分数的对比分析结果。由于大多数的尼龙保持架材料中都添加有质量分数20%～40%左右的玻纤材料以提高其非金属尼龙的强度和刚性，因此将磨损颗粒成分中硅质量分数作为计量和评估轴承尼龙保持架是否存在磨损及磨损程度高低的数据指标。图9中约有近80%油脂样本的硅质量分数在0.004%～0.052%之间，而相对应的铁质量分数在0.010%～0.077%之间。由于轴承套圈、滚动体本身含有少量硅，轴承在生产、加工及使用过程中也会有一些含硅杂质混入。因此为了排除其影响，文中采用同样统计学方法对上述尼龙保持器轴承样本中硅元素与铁元素的比例，即Si/Fe进行统计分布的数据分析，同时对包括铜及钢制金属保持器在内的轴承润滑脂样本中硅、铁元素比例的统计分布作为对照组进行分析和对比，如图10所示。结果表明，作为对照组的金属保持器轴承内润滑脂样品中Si/Fe统计分布所呈现的是一个离散度很小的正态分布，其置信区间仅为4.67～7.50。经进一步统计分布的计算,结果表明，金属保持器轴承在实际应用过程中因本身磨损，包括在生产、加工及使用过程中混入的含硅杂质在内的硅元素含量很低，按Si/Fe数值计算大于10的概率可能性极低。相对而言，尼龙保持器球轴承内油脂样品中的Si/Fe统计分布则是一个离散度很大的正态分布，95%分布可能性位于的置信区间为33.3～49.1，显著高于对照组。

图9 尼龙保持器轴承内润滑脂样品中铁与硅的质量分数

图10 尼龙保持器与金属保持器轴承内润滑脂样品中硅/铁占比(Si/Fe)的分布对比

对上述Si/Fe统计分布的比对数据分析，可以充分说明大多数尼龙保持架轴承在实际应用过程中轴承内的油脂中出现的较高含量的硅元素成分，大多与尼龙保持器的填料有关。由此也证实高聚物尼龙保持架与其他金属材料保持架相同，在轴承运行过程中也存在着相类似的磨损。

4 保持器磨损对轴承失效的影响

借助大数据分析亦已证实，作为滚动轴承的保持器，无论是碳素钢、高聚物尼龙或黄铜材料保持器，在轴承运行使用过程中其都存在一定程度的滑动磨损。保持器的滑动磨损通常情况下小于轴承滚动体本身的磨损，但也不排除在使用过程中受设计、制造、使用条件、环境等因素的影响，造成保持器磨损有显著提高的可能，甚至因此引发或导致保持器破坏、断裂或轴承的失效。2013年6月就曾有尼龙保持器因添加的玻纤量超标造成脆性提高，导致滚动轴承在运行过程中发生严重失效破坏的案例。经调查统计，因保持器磨损导致轴承失效的占比在轴承失效总数的10%以上。此外，由于保持器所用的材料不同，它对轴承失效过程的影响及表现特征可能有较大的差异。

表1、表2分别给出了多起尼龙和金属保持器轴承失效后对失效轴承样本，包括利用红外光谱对润滑脂使用前后化学结构、成分变化的分析结果。结果表明，对于多数尼龙保持器轴承，保持器磨损对其轴承疲劳寿命和轴承失效的主要影响，可归因于滑动磨损出现的大量高聚物及硬质填料磨损颗粒加剧了轴承本身的磨粒磨损，结果导致轴承疲劳失效的过早发生。以尼龙保持器磨损为主导的轴承失效过程的一个明显特征，是其保持器磨损程度或磨损量在磨损总量的占比会明显增加，甚至超过轴承滚动件的磨损。其中也有部分失效轴承内的润滑脂的铁质量分数很高，这可能与滑动磨损产生的硬质颗粒参与并加速了轴承滚道表面的磨粒磨损进程有关。由于滑动磨损产生的惰性硬质玻纤及高聚物颗粒很少影响润滑脂的氧化进程，也不明显构成对润滑脂稠化剂网状结构的破坏。所以轴承在以尼龙保持器磨损为主导发生的疲劳失效过程中，多数润滑脂并不一定发生显著的氧化或出现化学结构和成分变化的迹象，通过电镜能观察到部分残留的油脂稠化剂原始纤维网状结构的存在(如图11所示)，因此该类磨损颗粒对轴承失效的影响更多地反映出一种惰性的、单纯的机械磨料的作用。这类轴承最终的失效机制及失效过程大多表现为磨损失效。

图11 尼龙保持器轴承6个失效样本内脂稠化剂的电镜形貌(>40 000倍)

表1 尼龙保持器球轴承失效样本的分析

表2 金属保持器轴承失效样本的分析

与尼龙材料不同，金属保持器所产生的磨损颗粒对轴承的影响，除了与上述高聚物材料具有相类似的特征以外，最大的差别在于金属质保持器所产生的磨损颗粒具有金属活性和催化性，它对脂的化学氧化、劣化及稠化剂网状结构的破坏可能会更明显。经对轴承中残存的润滑油脂的红外光谱数据对比分析，证实了大多数钢制保持器轴承在完全失效前油脂就已出现了不断强化的化学氧化趋势；此外，大多数轴承在失效时脂的稠化剂网状结构已基本被破坏，如图12所示。

图12 钢制保持器轴承6个失效样本内脂稠化剂的电镜形貌(>40 000倍)

由此可见，对于金属保持器，特别是钢制保持器所形成的磨损颗粒，不但会加速轴承滚道表面的磨粒磨损进程，还会加速轴承脂的氧化、劣化过程，致使轴承在相对较短的时间内发生失效或破坏。因此，这类轴承最终的失效机制及失效过程的特征表现为磨损加剧和润滑效能下降两项因素的叠加，且互为影响的结果。

5 结论

(1)测试数据表明，在脂润滑条件下，采用铜、碳钢及尼龙材料保持器的轴承在正常运转过程中，保持器始终存在着一定程度的磨损，但其磨损程度通常要远小于轴承本身滚动体间的磨损。

(2)不同材料的保持器在轴承运行过程中所产生的磨损颗粒对脂润滑轴承的影响不同，对于尼龙或高聚物保持器，因其含有玻纤增强材料，因此它所形成的磨损颗粒的影响更多地反映在作为硬质磨料的机械效应上。而铁质保持器，由于磨损颗粒具有金属活性和催化性，因此它同时具有对脂的化学氧化、劣化及稠化剂网状结构的破坏作用。

(3)统计数据显示，以铜作为保持器的轴承在前期运行过程中，铜与铁质量分数之间呈现一个正相关的关系，且保持器所产生的磨损相对轴承滚道与滚动体之间的磨损普遍较高，而后期则都明显下降。这可能与初期轴承滚道与滚动体本身表面状态相对理想，产生的磨损相对略低有关；随着轴承滚道与滚动体之间不断加剧的黏着磨损和磨粒磨损，滚动体摩擦工作面状态不断变化，由此产生的大量磨粒逐渐成为影响轴承磨粒磨损进程的主导因素，因此保持器在轴承后期磨损量相对占比上有降低的现象。