滚动轴承的故障产生机理与常用诊断技术

2021-11-28金艳，齐威

农机使用与维修 2021年5期

金艳，齐威

(大连工业大学，辽宁大连 116034)

0 引言

滚动轴承是机械传动过程中最常用的辅助性部件，也是机械产品的标准件之一，滚动轴承的应用使机械传动结构的使用寿命大幅增加，更使传动件的性能和振动噪音等都大幅降低。在机械传动结构运转的过程中，滚动轴承是使用最频繁的部件之一，也是很容易产生损坏的部件之一。据生产实际统计，在转动类的机械零件使用过程中，超过30%的故障是由于滚动轴承出现问题而引起的，因此滚动轴承工作状态的好坏对机械装备的工作状态影响很大，若滚动轴承的运转状态不良，很可能导致整体的传动效率降低，甚至会因为受力不良而导致局部零件产生损坏，因此，针对滚动轴承的故障问题，采取合理的维修与诊断方法，对于优化机械装备工作状态和延长机具的使用寿命具有重要的意义。

1 滚动轴承的结构与优势

1.1 主要结构

滚动轴承的主要作用是能够将原始的滑动摩擦转变为滚动摩擦，滚动轴承主要应用于轴与轴座之间，是一种能够有效减少摩擦损失的机械部件。滚动轴承的结构主要由内圈、外圈、滚动体和保持架4个部分组成，图1是最常用的深沟球轴承结构，其滚动体多采用钢制球体，利用保持架将滚动体固接，并与内圈、外圈共同组合成轴承的整体。

在滚动轴承中，内圈主要用来与轴进行配合，而外圈多与轴座或轴承室进行配合，滚动体的形式有多种多样，如圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等，可应用于不同的机械传动场合。滚动轴承的使用需要由良好的润滑作保障，根据不同的使用场合可采用脂润滑或润滑油润滑，润滑介质能有效降低轴承的摩擦力，减少磨损问题的发生，以保证轴承良好的使用寿命。

1.2 应用优势

滚动轴承的应用优势主要包括以下几点：一是滚动轴承具有显著的节能作用，由于滚动摩擦的阻力远远小于滑动摩擦的阻力，因此，其应用相对于普通的滑动轴承而言约可节约10%～20%的能量消耗；二是滚动轴承的结构形式具有一定的调心功能，当轴中心线与轴承座孔中心线倾斜的角度在许可范围内，滚动轴承仍具备正常工作的能力，对于加工精度不高的配合，也可采用自调心轴承来进行匹配；三是成本较低且维修方便，滚动轴承作为标准件在大批量生产的条件下，综合制造成本很低，在机械结构中进行应用不会明显提高机具的成本。同时，在进行维修时，由于配件众多，因此可更换性良好，维修成本很低。随着机械产品种类的增多，滚动轴承在精密仪器、高速重载、高温腐蚀、自动化设备等众多场合仍具有极高的应用价值。

2 滚动轴承的故障产生机理

尽管滚动轴承在制造工艺、结构和使用条件等方面都具有明显的提升，但是在机械产品复杂的工作过程中，轴承作为易损件仍有一定的概率会出现故障问题，下面针对滚动轴承故障产生的主要机理进行分析。

2.1 磨损问题造成的故障

磨损问题是传动零部件故障问题的主要原因之一，对于滚动轴承来说产生磨损异常故障的主要原因包括以下几点：一是润滑状态不良，当出现润滑油、润滑脂不足，或润滑油、润滑脂品质不佳时，都可能产生润滑状态不良的问题，使轴承内外圈与滚动体间存在一定的干摩擦现象，造成轴承的早期磨损问题；二是在轴承的运转环境中，如果进入过量的灰尘或杂物，也会因为轴承的运转状态异常而产生磨损问题，不仅精度和使用寿命明显下降，还会出现明显的振动和噪音。

2.2 疲劳损坏造成的故障

在滚动轴承运转的过程中，始终受到传动结构的复杂作用力影响，使轴承连续且频繁地受到交变载荷的影响，容易在轴承的深层位置出现裂纹。当轴承已经出现细小的裂纹，在后期的频繁使用中，裂纹会持续扩展，引起疲劳损坏出现表层金属材料剥落的问题，轴承的疲劳损坏会导致润滑油和润滑脂中的金属杂质明显增多，进而引起磨损的加剧，二者共同作用下轴承的使用寿命将会大幅缩减。

2.3 胶合问题造成的故障

造成滚动轴承出现胶合问题的原因是多方面的，日常使用中最常见的原因包括润滑不良、工作温度过高、工作负载过大、转速超速等，胶合问题产生的机理是在轴承运转的过程中，轴承中的热量不能及时散发出去，导致热量累积使轴承的温度急剧升高，超过轴承的承受极限后会产生轴承的表面烧蚀、金属粘连等严重损毁问题。

2.4 配合不当造成的故障

通常情况下滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，而外圈与轴承室的配合应采用基轴制，对于旋转的部件，轴承的外圈通常应具有一定的过盈量，以保证可靠的传动关系，并有利于轴承的使用寿命。但在实际的设计和生产制造过程中，常存在着配合间隙选择和应用不合理的问题，若过盈量不足，轴承安装不牢靠，易出现旷量而引发振动，使轴承及其传动件受振动冲击而影响使用寿命，若过盈量过大，轴承的外圈会受到较大的挤压力，导致轴承内部的径向间隙减少，轴承转动困难、摩擦阻力增大，也会造成轴承故障的发生。

2.5 使用不当造成的故障

对于滚动轴承的检查和保养不及时，也是造成轴承故障问题的原因之一，当轴承在使用过程中出现了故障问题，应及时进行检查和维修，若检查与维修不及时，则会因为轴承磨损加剧、润滑失效、散热不良等造成轴承的严重损坏。此外，在检查和拆卸轴承的过程中，还可能因为拆装方式不正确导致轴承变型、开裂等，而产生相应的机械故障。

3 滚动轴承的常用诊断技术

针对滚动轴承的故障诊断技术具有很多方法，总体来说包括常规方法和智能诊断两种形式。

3.1 常规诊断技术

常规的故障诊断方法包括人工观察、声音观察、温度检测、拆卸检测等，这需要维修人员具有足够的机械维修经验，从而准确判断故障问题的位置，并对其进行维修。常规的故障诊断方法具有一定的盲目性，故障的最终位置可能需要多次拆卸不同位置才能确定，这造成了维修时间的延长和效率的降低。

3.2 新型诊断技术

随着科学技术的不断进步，很多先进的滚动轴承检测设备被研发和应用到机械检修工作中，现阶段广泛普及的新技术包括了振动分析、油液分析、噪声分析、无损探伤等，而近年来，随着计算机技术的应用，将传感器技术与计算机技术结合应用，能够获得高度自动化的诊断效果，新的故障诊断可结合多种传感器技术综合进行，通过传感器将获取到的数据信息发送给计算机，再由计算机利用相应的算法和技术进行数据分析与诊断。现阶段常用的数据分析诊断技术包括：时域分析、频域分析、时频分析、非线性分析等，使滚动轴承的故障判断更加精确与便捷，同时维修的效率也得到大幅提升。