滚动轴承失效类型及痕迹特征
- 引言
滚动轴承是工程机械设备中常用重要机件，各种因素导致的损害会在轴承上留下不同的特征。通过检查分析损坏的轴承，找出其损坏的原因并采取必要的改善措施，防止不利因素的发生，是非常有意义的。即使有时没有找出失效的真实原因，也能得出一些方向性的提示，排除一些错误的观点和避免一些不必要的弯路。
1 滚动轴承运转轨迹模式
滚动轴承在低负荷下运转时，内、外圈滚道接触面会有一些钝化痕迹，通常这不算磨损，对轴承寿命影响不大。钝化痕迹形成的部位及大小即所谓的轨迹模式，因转动与滚动情况不同而各异，一般可以通过对轨迹模式的检测来掌握轴承的运行环境，区分其运行环境是否正常和适当。
2 失效分类及实例
轴承失效的典型损坏形式一般是由初期阶段延续上升到第二阶段，即由压痕、擦痕、刮伤、电击、锈迹、过热等上升至凹痕、磨损、瘢痕、腐蚀、疲劳、剥落、失圆、烧伤、断裂、内部间隙增大、振动和噪声上升，直至失效，而轴承失效通常表现为各阶段损坏的混合，以下为常见的失效形式和不适当运行方式。
2.1 疲劳
疲劳是载荷所产生的剪切应力在金属承载表面以下快速周期性的出现，经过一定时间后产生微观裂纹，并逐渐延伸到金属表面引起的剥离或脱落，并逐渐扩展最终使轴承失效。它与因润滑不足、粗糙表面及微观凹凸在周期载荷作用下滚道表面形成的微小裂纹不同，表面裂纹（或表面疲劳）非常细微，但逐渐扩展会缩短轴承使用寿命。
2.2 磨损
2.2.1 润滑原因
当润滑油型号不对、变质、流失、润滑不充分或润滑失效，无法形成有承载力的油膜，金属之间直接接触，相对滑动，表面材料原始微观刀纹被磨掉，起初出现明显的碾压光亮镜面效果。当润滑油耗尽，干摩擦使温度急剧上升，发蓝直至呈棕色，温度继续升高，金属表面变软，发生流动和粘连，表面材料发生相互转移的拖尾效应，呈泪痕状。摩擦发生时，某些材料的表面也可能会被加热后又经油淋快速冷却而局部硬化，造成滚动中局部应力集中和其它材料的加速磨损。
2.2.2 污染原因
因装配操作不当，密封性差，维护不良，杂质或轴承材料磨屑进入等，轴承工作面会被
逐渐磨损直至不能使用。
2.2.3 振动原因
轴承静止时，滚子与滚道间还未形成润滑膜，相互接触的金属之间受振动环境影响产生相对移动摩擦，有时会产生搓板条纹状印痕，微小颗粒从滚道表面剥离形成印痕，滚柱轴承产生长条凹槽，滚珠轴承产生球状凹坑。大多情况剥离部位会氧化使印痕底部有暗红色锈迹，而滚子没有明显的损害。振动幅度的大小、持续的时间和间隙的大小都影响损害的程度，但振频与损害程度无显著关系。圆柱滚子轴承相对更易受到伤害，因为滚珠能在任何方向滚动，而滚柱只能朝一个方向滚动，其他方向则形成滑动。所以，提供振动阻尼基座、采用油浴润滑、轴承预加弹性载荷，或可能情况下采用球面滚子代替圆柱滚子等，尽量避免振动损害。
2.2.4 进出载荷区
滚动轴承运转时，载荷区的滚子受到内、外圈的压力驱动处于滚动状态，而无载荷区域的滚子并未完全形成滚动，当这部分滚子处于正在进入与尚未进入载荷时刻，处于刚性体与塑性体、滑动和滚动的混合状态，受加速、压力失圆和剧烈的搓挤，此刻若润滑油膜失效，会导致滚子和内外滚道磨损。
2.2.5 安装原因
安装圆柱滚子轴承时，滚子与保持架相连的环应加以润滑和旋转进行安装，否则滚子容易刮擦滚道，导致与滚子间距一致的横向擦痕。批量装配轴承时若采用合理的工装会非常方便。若轴承内圈与轴、外圈与轴承座配合不够紧，此种情况靠轴向压紧难以改善，运行时产生相对运动（跑套），在轴和轴承孔、轴承外表面和轴承座孔会产生磨损。
2.2.6 轴承结构
轴承挡边、角环及保持架等都容易在运行中发生摩擦，双列球面滚子轴承的中隔圈在尺寸设计上过于靠近保持架容易磨损；双支撑轴承跨度较大时，常因热膨胀释放受阻，受过大的单向轴向载荷导致滚子端部与挡边和角环的导向面发生磨损。
2.2.7 轴承质量原因
不具备资质的制造厂家所生产的轴承，结构设计不合理、材料选用不当、制造上的缺陷、质量控制不善、工艺执行不严及运输保管失误等，均可能引起轴承较快磨损。
2.3 凹痕
2.3.1 轴承拆装时施力不当、过盈配合过大、锥孔轴承轴套过度胀紧，轴承未运转时受不对称或非正常载荷，使座圈和滚子上形成凹痕，有时轴承圈上的凹痕与滚子的间距是一致的。
2.3.2 毛刺类杂质卷入滚动中座环会产生碾压凹痕，导致凹痕的粒子并不一定很硬，碎纸、纤维也可能导致这种情况。
2.4 瘢痕
推力球轴承若载荷不足情况下转速过高，离心力会把滚珠甩向滚道外侧，滚珠与滚道产生相对滑动而非正常滚动，导致滚道外侧形成倾斜的条状划擦痕迹，一般通过对轴承附加预紧载荷（如弹簧）可以避免。此外，一些轴承定位件、压紧件及随轴旋转件的各种缺陷也会在轴承上留下损伤痕迹。
2.5 腐蚀和锈蚀
暴露在空气中的轴承金属表面会产生一层很薄的氧化保护膜，但若无润滑油保护，此薄膜极易破坏，一经与水或腐蚀元素接触，就会产生腐蚀痕迹并迅速扩展。如盐水能产生电解腐蚀，一般硫酸腐蚀很快，硝液腐蚀较弱。腐蚀也可因摩擦引起氧化薄膜破坏，氧化逐渐渗透至材料内部，锈蚀处破裂形成凹坑，产生承载不均匀，载荷分布恶化。
2.6 电击
当对机械设备施焊，电流从一个轴承环经滚子流向另一个环，接触点产生高温电弧，局部材料受热产生大小不一的变色或灼伤区域，此处材料被回火、被再次硬化或融化，形成凹坑褶皱，滚动受到影响，外环滚道上的剥落会因碾压周向扩展，滚子上的灼伤有黑色或变色瘢痕。直流电和交流电都能损伤轴承，即使是很小的电流。转动着的轴承对电流损害更敏感，损伤的程度取决于电流强度、持续时间、载荷、速度和润滑。
有时电流产生的凹痕与振动引起的凹痕非常相似，一般较难区分，但是前者产生的凹痕底部深暗发黑，通常不明亮不锈蚀；而振动引起的凹痕底部较亮或带锈迹；另一个特征是振动损伤主要在滚道上，滚子上无明显损伤。
2.7 剥落
通常的轴承剥落并非疲劳已达到额定寿命，而有可能存在6种情况。
2.7.1 轴承配置选型不当，装调预载荷过大，配合过紧造成轴承运行过载荷。
2.7.2 运行轴承散热不良，材料间相互温差过大，轴承圈热变形和局部高负载会引起剥落。
2.7.3 剖分式轴承座中分面错位或连接螺栓过紧，致轴承孔失圆而形成附加载荷。
2.7.4 双支型轴承浮动端移动度受限，不能释放热膨胀引起的轴向附加载荷，导致挤压。
2.7.5 安装倾斜，定位不良或缺乏定位，内外圈不同轴，深沟球轴承直径两端造成严重的倾斜受力印痕和剥落；圆柱滚子轴承则在内圈一侧滚道边缘超载出现印痕和剥落。
2.7.6 硬粒杂质污染碾压造成剥落，其它如表面腐蚀、锈蚀、摩擦或电击损害等引起的剥落，当剥落到一定程度时，通过声音和振动的不正常可以判断出。
2.8 断裂
2.8.1 野蛮拆装，对内外环的直接锤击或以硬物敲凿都将导致裂纹或碎片脱落；球面滚子轴承装配时受敲击易造成中部法兰破裂，或撞击力由另一列滚子传递后造成另一侧内环外挡边破裂。
2.8.2 锥形内孔或胀套紧力过度，圆柱孔内圈配合过盈量过大，导致过度加热后与主轴套装过紧，造成内环上过大的附加拉应力，在运行载荷作用下容易断裂。
2.8.3 轴承内圈与主轴配合不够紧，运行中产生相对转动和摩擦，易导致内圈裂纹或横贯摩擦面的断裂。
2.8.4 深沟球轴承易产生外圈周向断裂，严重磨损锈蚀的球面滚子轴承易产生内圈横向断裂。
2.9 保持架损坏
2.9.1 剧烈振动下滚子惯性力会使保持架受冲击过载荷，保持架内部会疲劳产生裂纹，这些裂纹迟早会导致保持架破裂。
2.9.2 若轴承转速超过保持架设计强度，保持架也会因高速产生的巨大惯性力而破坏。
2.9.3 使用滚动轴承的初衷是避免滑动摩擦，但保持架和与其接触的轴承组件不可避免地会产生滑动摩擦。保持架材料相对偏软，若润滑不充分和微粒研磨，磨损相对较快，当保持架尺寸因磨损减小后，间隙增大，对滚动件的导向作用减弱，滚动会偏离正常运动轨迹，会更加速保持架失效。
2.9.4 若硬质颗粒进入保持架阻碍了滚子正常旋转，也将导致保持架失效。
2.9.5 其它 原因：若轴承安装时内外环轴心偏移或轴承间隙增大，滚子以椭圆和非正常轨迹运动，那么保持架每转一圈都必定改变形状，产生附加载荷或承受剧烈加速、减速及速度波动和惯性力的影响，其内部材料迟早会因疲劳导致破损。
3 结论
总之，只要注意保护运行现场和保留失效轴承遗留物件，认真进行观察分析和不断总结积累经验，就能找到解决问题的方法和思路，从失效轴承的运行环境和损坏痕迹分析中获益。