液体静压动静压轴承的失效形式分析

赵 峰

（国家电投集团山西铝业有限公司，山西忻州 034100）

0 引言

液体静压动静压轴承在工业生产中使用广泛，尤其在大型磨机应用中，因其重载设备的重要性和轴承修复要求高而备受关注。因该类滑动轴承的培训不够深入，大部分人对其认识不足，在使用、检修和故障处理方面存在误区，有时在实际工作中存在不同的观点。针对以上现象，本文介绍基本的原理知识，着重分析不同的失效形式，针对该类轴承存在争论的刮研进行分析说明，希望对业内能有所帮助。

液体滑动轴承是滑动轴承的一种，可分为动压轴承、静压轴承和动静压轴承，这3 种类型是伴随着设备和技术的进步逐步发展起来的。

1 液体动压轴承

所谓的“动”，是指轴和轴承之间相对运行，通过运动把油带入二者的间隙，形成油膜减少摩擦（图1）。因此，动压轴承的关键是产生动压力，产生动压力的关键，一是间隙（突变或渐变均可），而且间隙是收敛的；二是足够的相对运动速度，润滑油带入后形成油楔。根据不同的分类方法，液体动压轴承可分为径向轴承、推力轴承、单油楔轴承、多油楔轴承。

图1 动压轴承原理

2 液体静压轴承

“静”是相对于动压轴承而言，对轴和轴承的相对运动没有特殊要求。它是利用高压泵（一般为柱塞泵）将润滑油直接注入轴和轴承之间的微小间隙形成压力油膜，以承受载荷（图2）。该类轴承是随着高压泵技术的逐步成熟和稳定后发展起来的。

图2 静压轴承原理

静压轴承的最大优点是不需要较高的速度，甚至完全静止的状态下也能建立起承载油膜。因此在设备的慢速盘车和启停阶段是非常有利的，慢速条件下轴和轴承之间也不会直接接触，有着动压轴承不可比的优势。静压轴承的优势是有先决条件的，必须有高可靠性的辅机、完善的检测和联锁保护手段。

3 液体动静压轴承

将液体动压轴承和静压轴承结合起来就形成了动静压轴承。其方法是在动压轴承的基础上，于适当的位置开设适当数量和大小的静压腔，并配置动压和静压油站。该类轴承同时具备动压效应和静压效应两种能力，在设备的不同运转阶段，可以设置动压/静压单一模式或混合模式运行。

3.1 特点

该类轴承兼备了动压轴承和静压轴承优点，可靠性最高，尤其是静压腔的设置比较灵活，可以满足不同设备和应用场所的需要。缺点也很明显，结构相对复杂，辅机较多。

3.2 分类

可以根据工作原理、轴承结构、供油方式和用途不同进行分类，其中最普遍的是根据工作原理进行分类。

（1）静压浮升、动压工作式：低速时使用静压模式，正常转速时使用动压模式。一般情况下，当主轴的线速度＜1 m/s，动压模式下的油膜压力不足以承载外部载荷，此时静压介入辅助润滑保护两个摩擦面。

（2）动静压混合式：动压模式和静压模式始终运行，可靠性最高。

（3）静压工作、动压辅助式：以静压模式为主，动压仅起辅助作用。一方面是利用油膜的动压作用，提高轴承的承载能力；另一方面是当静压失效时，动压可以辅助保护设备减少损伤。

为便于论述，静压动静压轴承以下简称滑动轴承。滑动轴承是大型设备可靠运行的关键部件，为了提高设备的管理水平，必须分析判别滑动轴承的各种失效形式，了解其机理，采取正确的应对措施。失效机理一般分为磨损、疲劳、腐蚀、气蚀和微动腐蚀磨损等5 类。

4 磨损失效

机械零件材料的磨损是一种表面损伤现象，它可以缓慢地也可以急速地发生。滑动轴承的磨损可分为两种情况：①正常磨损，即由于启动、停车、润滑油中少量的微小异物和轴表面粗糙程度的作用而引起的轴承磨损；②异常磨损，轴承过早损坏，是失效的一种形式。正常磨损的特点：①在机器启用后的磨合过程中，初期磨损较大，随后表面粗糙程度逐渐减小而趋于稳定，轴承表面顺应轴的外形而磨损急剧减少；②在合适的维护保养条件下，轴承的正常磨损量很少且与使用时间成正比。

4.1 磨损机理和分类

按照磨损的机理，准确严格的磨损只有两类：粘附磨损、磨粒磨损。这两种磨损是滑动轴承比较常见的失效形式。

4.1.1 粘附磨损

形成粘附磨损的根本原因是金属的微观表面并不是光滑的，当两个金属表面相对滑动时，微观峰部局部接触，产生很高的局部压力，金属间产生粘合，进而强度低的金属表面被撕裂、脱落、受损，周而复始，脱落的金属不断长大形成金属硬颗粒，进一步损伤滑动轴承。粘附磨损的程度受撕下碎片的大小、碎片的粘附强度等因素影响，按损伤程度分为轻型磨损、涂抹、刮伤、撕脱和咬死等。在理想状态下，轴与滑动轴承之间有油膜分隔，不应该产生粘附磨损；在实际使用时，由于油膜不均、落入异物等因素，油膜会被破坏，轴与轴承局部就会直接接触，就可能发生粘附磨损。

4.1.2 磨粒磨损

磨粒磨损是产生了磨粒，磨粒磨损了轴承。磨粒的产生有3种情况：①前述的粘附磨损过程产生；②较硬的金属表面微小突起；③外来异物。在两个作相对滑动的表面间隙中，因混有外来硬质点或硬化的磨损碎片而使相对滑动的金属表面产生变形或磨去的现象，或是在两个作相对滑动的表面中，较硬金属表面的微小隆起在运动过程中使较软金属表面出现变形或划痕，均称为磨粒磨损。大颗粒磨粒磨损会在轴承表面出现拉毛或沟槽，这种沟槽因其外形犹如犁过的地一样，所以又称犁沟。

4.2 实际的磨损形式

根据设备的不同使用阶段和磨损现象，实际工作中一般分成5 类：磨合磨损、正常磨损、异常磨损、伤痕和咬粘。

4.2.1 磨合磨损

任何机械设备都有磨合期，在开（停）车阶段没有完全形成油膜时，由于轴与轴承工作面的表面存在微峰谷，二者相互切割，结果使表面微峰部分被磨损，这两种情况下金属表面的轻微磨损属于正常现象，不属于故障或轴承失效。

4.2.2 正常磨损

正常磨损是指在设计使用周期内，滑动轴承的磨损速度在合理的限度内，有时也会略微超出合理限度。它与后述的异常磨损不同，其特点是磨损缓慢和均匀，往往集中在轴承表面与轴表面的接触部分，形成亮斑或亮带，沿轴承工作圆周作不均匀分布。

4.2.3 伤痕

在滑动轴承合金表面上形成点状凹坑或沿轴承圆周方向形成线状划痕和拉槽等缺陷统称伤痕。它是一种不均匀磨损，往往由异物造成。伤痕的形成和形态与各种因素有关，如油膜厚度、负荷、轴及轴承的表面质量、材料、油流轨迹、异物的形状大小和种类等。如果合金层较厚，异物嵌入合金层中，表面可恢复原状而不形成伤痕；如果合金层较薄且较硬时，出现线状伤痕的机会就较多；若异物小而多，则会以油流轨迹形态呈现线状伤痕；若异物较大，则形成明显的线状伤痕。所以根据伤痕的形状反过来也可估计异物的种类和性质。

4.2.4 异常磨损

造成滑动轴承表面的严重磨损称作异常磨损，其因素有很多，如瓦背与瓦座之间有硬质点和异物、同轴度超标、设备偏载、轴或轴承座的刚性不足等。这种磨损的特点是在单侧或局部区域产生，磨损的速度较快，其微观组织特点是在磨损区周围出现组织的微变形，但无其他显著的组织变化。

4.2.5 咬粘

咬粘是粘附磨损的一种形式，在程度上有轻重之分，最严重时产生轴与滑动轴承的咬死，它使油路堵塞或机器停止运转。发生咬粘后，滑动轴承基本报废，厚壁轴承则须经修复后使用，严重时还需更换转轴。做滑动轴承失效分析时，按咬粘损伤的程度，可分为轴承过热、表面流动、刮伤和撕脱、咬死。

（1）轴承过热。由于轴承温度上升过高而使材料软化，易产生凹陷，它会产生瞬时的咬粘状态。如降低温度，则仍可使轴承恢复原状，这种现象就叫过热。若继续不断地升温而连续发生过热，最后会导致其他形式的损坏。铜铅轴承合金因偏载而发生过热时，在金相显微镜下可观察到轴承工作面有铅熔出，并沿滑动方向流动，形成铜的疏松状组织，此时轴承表面仅呈现轻微磨损。锡基巴氏合金由于熔点低，轴承过热时容易熔化，冷却时熔化区重新凝固。

（2）表面流动，或称涂抹。由于开车、停车、轴承间隙过小、高负荷、偏载接触等原因使油膜破裂，轴承局部区域与光滑轴直接接触，摩擦发热，使轴承合金表层软化和低熔点相熔化，并沿轴的旋转方向流动，这种现象称作表面流动。由于熔化的低熔点金属涂抹在轴承工作表面，从而在轴承上形成一层发亮的表面。在高速、高载荷、润滑油黏度小、轴承材料熔点低的工作条件下，极易产生表面流动。铅基巴氏合金在较低工作温度受重载时，因其熔点低，其表面易发生表面流动现象。

（3）刮伤和撕脱。刮伤是由于许多微小的冷焊合处剪断而形成的，当焊合层在较深部位剪断时则叫做撕脱，撕脱程度严重时可形成微区咬粘。撕脱和刮伤是由于润滑油膜破裂造成的，所以凡是能破坏润滑油膜的因素，如机器的开和关、轴承间隙过小、低速高载和单面接触都容易造成这种缺陷。但在工作过程中如果润滑油膜能及时得到恢复，则轴承有可能自行恢复功能。刮伤和撕脱与伤痕的表现形式相同，但它们形成的机理不同：伤痕是由外来异物颗粒造成的，而刮伤由被轴承合金自身的冷作硬化碎片引起的。

（4）咬死。油膜是滑动轴承稳定运行的关键，当它遭到严重破坏时，轴承温度过高、表面流动、刮伤和撕脱就会不断地发生，出现恶性循环，如果此时还存在尺寸较大的异物硬颗粒部分嵌入在合金层中，则此类异物就会与轴摩擦生热，上述两种作用叠加在一起，使接触面粘附力急剧增加，造成轴与滑动轴承抱合在一起，这种现象称作咬死。对发生咬死的轴承合金层作检查时，在轴承边沿处常可发现凝固了的低熔点金属液滴，微观上可以看到其金相组织中只剩下高熔点金属的骨架，有时还可看到这些骨架发生变形或合金层与钢背粘合处有剥离等现象。

5 疲劳失效

5.1 疲劳失效概述

滑动轴承不论是由单层、二层或三层金属所制成，在周期或交变载荷和热膨胀产生的应力作用下，也会产生疲劳，但是它的疲劳失效形式与常见机械零件疲劳断裂形式是不同的。滑动轴承的疲劳损坏形式不是断裂而是剥落。尽管损坏形式不同，但也是材料的交变应力大于疲劳极限的结果。滑动轴承的疲劳失效有其独有的特点，一般会出现不同大小的凹坑，有的小如虫洞，大的呈现剥落状，虫洞有时聚成条状或块状，它们的边缘却是不规则形状。在轴承表面有时也能观察到疲劳裂纹，但多数情况下疲劳裂纹极细，需要用荧光或着色探伤来发现。

5.2 疲劳失效机理

（1）轴承表面受到交变应力的作用而产生失效。正常工作时，油膜虽然起润滑保护轴和滑动轴承的作用，但是它也同时传递着负荷，而且是交变负荷，在轴承表面会有拉、压、剪等各种应力。轴承表面在应力特别是剪切应力的作用下会产生裂纹，裂纹由表及里扩展，同时高压油膜的楔入作用加快了裂纹的扩展。当裂纹不断向下扩展达到结合面时，由于结合面的阻碍作用，裂纹不再向底层金属扩展，而是转向沿着结合线扩展。当底部裂纹彼此相遇时，合金的小块剥落就出现了。许多小片剥落的组合导致了轴承表面的大块剥离。根据剥落物的大小，有的可被润滑油带走，有的则成为异物而起磨粒磨损作用。此外，由于疲劳剥离还使轴承间隙变化，造成润滑油泄漏，破坏稳定的润滑油膜，形成恶性循环。

（2）软相腐蚀和渗出形成疲劳源，在交变应力作用下形成疲劳失效。这是滑动轴承产生疲劳失效的另一种过程，常在铜铅合金轴承中见到，由于铅相被腐蚀，形成疲劳源。这种腐蚀往往是因为在润滑油中混进了水和重油而产生。由于铅被腐蚀而渗出，强度降低，在油膜的变载荷作用下，产生变形，并以原来的铅相被腐蚀后所遗留下来的空隙，作为裂纹源进行扩展，最终形成疲劳失效。这种疲劳损坏必须具备2 个条件：①有软相的腐蚀和渗出；②有幅度较大的交变载荷。所以这种损坏均发生在油膜峰值压力区，即使在轴承表面全面受蚀的情况下，疲劳也只发生在油膜峰值压力区。

（3）热效应导致疲劳失效。无论油膜失效还是外来硬物，出现轴承温度升高，产生热应力，导致出现疲劳裂纹，直至形成疲劳剥落。

5.3 典型特征

滑动轴承疲劳失效的最终破坏形式是剥落，这些剥落易与气蚀或轴承制造缺陷混淆，但是仍可从它们的机理加以区分：①疲劳剥落一般发生在结合线附近，且周边不规则，有合金残留；②制造缺陷如在合金层与瓦背间结合线上有气孔、氧化、夹杂等，使层间结合力减弱，在使用过程中产生分离，则分离后其底面较光滑，在钢背上不残留合金，而且往往是大面积剥落；③疲劳剥落没有对称图形且呈不规则分布，而气蚀往往为对称分布。

6 腐蚀失效

腐蚀失效是指滑动轴承工作面受到腐蚀导致失效。常见的可分为以下3 类。

（1）电解质腐蚀：轴承表面受酸、碱、盐水溶液腐蚀产生麻点。它是由于表面金属被溶解或是在表面形成硬而脆的氧化膜，在载荷作用下崩碎剥离而造成的。

（2）有机酸腐蚀：①内燃机燃料油燃烧不完全时，燃料油中的碳氢化合物氧化所产生的酸；②在充气、高温、长期使用条件下，润滑油被氧化而生成的有机酸；③从长效防冻剂中泄漏而来的乙二醇，由于能转变成低分子有机酸（如甲酸、草酸等），这种有机酸对铅有强烈的腐蚀性，会引起含铅轴承的腐蚀，判别此类腐蚀主要是检查油箱中的沉淀物，这些沉淀物应具有水溶性的特征。

（3）其他的腐蚀：润滑油中含有硫化物时，会与轴承材料中银和铜等元素生成硫化膜，或硫化物在使用日久和工作温度过高时会分解而产生硫酸，从而腐蚀轴承。

因此，腐蚀失效的特点可归纳如下：①表面产生氧化膜、硫化物膜或腐蚀孔洞，使表面出现局部或全部变色，如变色橙色、褐色或黑色等；②硬脆松散的氧化膜、硫化物膜剥落，在轴承表面上生成蚀坑或使轴承工作表面粗化；③剥落的腐蚀产物有些较硬的则往往嵌入合金层中或混入轴承间隙中，起磨粒磨损作用。

7 气蚀失效

滑动轴承气蚀的机理与离心泵的气蚀类似，油膜中的气泡在高压区破裂，局部形成真空，润滑油快速冲向气泡中心，像子弹一样，产生很高的局部压力，冲击并损伤轴承。气蚀失效发生后，滑动轴承表面剥落一般较轻微，形状也不规则，而且不会波及其他未被气蚀的部位。

8 微动腐蚀磨损

在一些具有振动源的紧配合构件中容易产生微动腐蚀磨损，其机理是由于微小幅度的相对运动引起机械化学磨损。对于滑动轴承，最容易发生在瓦背和瓦座之间。振动使两个接触表面产生相对的周期性运动，是此类磨损的重要原因之一，所以消除或减缓振动是最直接也是最理想的方法。

微动腐蚀磨损的特征是局部表面有氧化色，呈黑色或红棕色。黑色是生成的Fe3O4所致，红棕色则是由Fe2O3造成的。宏观检查时用氧化铝研磨膏，可极易去除微动腐蚀磨损表面的氧化层。

9 关于滑动轴承刮研的理解

设备厂在制造动压或动静压轴承时，传统的方法是采用手工刮削校合，由于这种工艺主要依靠人力，劳动量很大，生产率低，对人员的技术要求高。手工刮配校瓦通常是以接触印痕作为质量指标，轴承与轴颈的间隙很难掌握，往往轴承厚度很不均匀，而且很难保证合理的合金层厚度，一般是整个合金层的厚度偏厚，靠瓦口分界处偏薄。

随着加工制造水平的提高，目前动压动静压轴承的配合间隙和接触状况全部由机械加工的高精度保证。因此，如今新设备安装时，其接触面是不允许也没有必要刮研的。由于传统经验的惯性，有的公司习惯于刮研，新旧观念有时存在一定的碰撞，深入了解各类滑动轴承的原理和发展历程后，将会有助于形成统一共识。

需要说明的是，手工刮研作为新设备安装前的复核校验和旧轴瓦的现场修复，依然是一种快速经济实用的不可或缺的方法。另外，从培养人才和手工技艺传承方面考虑，手工刮研的方法还是应该积极提倡和保留的。