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轴承失效分析方法、预测及预防、失效的原因

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-07-11

一、在分析轴承失效的过程中，往往会碰到许多错综复杂的现象，各种实验结果可能是相互矛盾或者主次不清，这就需要经过反复实验、论证，以获得足够的证据或反证。只有运用正确的分析方法、程序、步骤，才能找到引发失效的真正原因。 一般情况下轴承失效分析大体可分为以下三个步骤：失效实物和背景资料的收集、对失效实物的宏观检查和微观分析。 1.失效实物和背景材料的收集 尽可能地收集到失效事物的各个零件和残片。充分了解失效轴承的工作条件、使用过程和制造质量等。具体内容包括： （1）主机的载荷、转速、工作状况等轴承的设计工作条件。 （2）轴承及其相关部位其他零件的失效情况，轴承失效的类型。 （3）轴承的安装运转记录。运转使用过程中有无不正常操作。 （4）轴承工作中所承受的实际载荷是否符合原设计。 （5）轴承工作的实际转速及不同转速出现的频率。 （6）失效时是否有温度的急剧增加或冒烟，是否有噪声及振动。 （7）工作环境中有无腐蚀性介质，轴承与轴颈间有无特殊的表面氧化色或其他沾污色。 （8）轴承的安装记录（包括安装前轴承尺寸公差的复验情况），轴承原始间隙、装配和对中情况，轴承座和机座刚性如何，安装是否有异常。 （9）轴承运转是否有热膨胀及动力传递变化。 （10）轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、颜色、粘度、杂质含量、过滤、更换及供给情况等，并收集其沉淀物。 （11）轴承的选材是否正确，用材质量是否符合有关标准或图样要求。 （12）轴承的制造工艺过程是否正常，表面是否有塑性变形，有没有表面磨削烧伤。 （13）失效轴承的修复和保养记录。 （14）同批或同类轴承的失效情况。 在收集实际背景材料工作中，全部满足上述要求是很难的。但收集到的资料越多，无疑会更有利于得到正确的分析结论。 2.宏观检查 对失效轴承进行宏观检查（包括尺寸公差测量和表面状态检查分析），是失效分析最重要的环节。总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征，并截取适当部位做进一步的的微观检查和分析。宏观检查的内容包括： （1）外形和尺寸的变化情况（包括测振分析、动态函数分析和滚道圆度分析）。 （2）游隙的变化情况。 （3）是否有腐蚀现象，在什么部位，是什么类型的腐蚀，是否与失效直接有关。 （4）是否有裂纹，裂纹的形态和断口性质如何。 （5）磨损是什么类型的，对失效有多大作用。 （6）观察轴承各零件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。 （7）对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒嵌入、裂纹、擦伤和其他缺陷。 （8）冷酸洗法或热酸洗法检验轴承零件原始表面有无软点、脱碳层和烧伤，特别是表面磨削烧伤。 （9）用X射线应力测定仪器测量轴承工作前后的应力变化情况。 宏观检查的结果，有时可基本判断失效的形式和原因，但要进一步确定失效的性质，还必须取得更多的证据，做微观分析。 3.微观分析 失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微镜分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证。微观分析中最常用、最普遍的方法是光学金相分析和对表面硬度检测。分析的内容应包括： （1）材料质量是否符合有关标准和设计要求。 （2）轴承零件的基本组织和热处理质量是否符合有关要求。 （3）表层组织是否存在脱碳层、托氏体和其他表面加工变质层。 （4）测量渗碳层等表面强化层和多层金属各层组织的深度，腐蚀坑或裂纹的形态与深度，并根据裂纹的形状和两侧组织特征确定裂纹产生的原因及性质。 （5）根据晶粒大小、组织变形、局部相变、重结晶、相聚集等判断变形程度、温升情况、材料种类及工艺过程等。 （6）测量基本硬度、硬度均匀性及失效特征区的硬度变化。 （7）断口观察与分析。用扫描电子显微镜定性分析和测量观察断口。 （8）电子显微镜、探针和电子能谱在疲劳源和裂纹源分析中能测出断口的成分，发现断口的性质和断裂的原因。 以上介绍的轴承失效分析一般方法的三个步骤是一个由表及里逐步深入的分析过程。具体每一步骤中包含的内容应根据轴承失效的类型和特点，视具体情况取舍，但分析步骤是缺一不可的。而且在整个分析过程中，分析结果应始终与影响轴承失效的诸多因素联系起来，综合考虑。二、1.预测、预防轴承早期失效的途径 在重要的机械设备中轴承的使用寿命是一项重要指标，了解并掌握轴承的工作状态，预测、预防轴承早期失效十分必要。通常有以下主要途径。 （1）采用先进技术，提高轴承的寿命和可靠性。包括结构优化设计、加工工艺的改革、材料的精选和精练、高效率高洁度的润滑、精细的装配和安装等等。 （2）加强轴承产品的质量检测和监督，确保轴承产品质量达到有关标准或设计要求。 （3）加强对轴承工作状态的监测和诊断，及早发现异常，采用预防措施以防止突发性事故可能造成的重大损失。2.故障诊断检测系统 现代轴承故障诊断技术，是与精密的测试系统和监测手段联系在一起的。目前实际应用中比较成熟的检测系统有以下几种。 （1）轴承脉冲侧振装置 轴承疲劳磨损（或疲劳剥落）后，产生振动，接收器将机械脉冲信号转换为电信号并放大。当脉冲数超出正常范围达到突变时，立即报警，轴承停止使用。 （2）轴承温度报警装置 轴承润滑不良、表面磨损或疲劳都会使表面发热，当发热到一定的极限温度时，既行报警，轴承停止运行。 （3）定期检测运行中轴承的当时状态，发现或监控已有缺陷极其发展趋势。 （4）铁谱诊断法 定时抽取工作轴承的润滑脂的样本，用铁谱仪检测其中的磨粒数量、尺寸及其形状特征，可发现出疲劳与磨损的程度，发现轴承失效的征兆。三、轴承失效的原因往往是多因素的，所有设计制造过程的影响因素都会与轴承的失效有关，分析起来不易判断。在一般情况下，大体上可以从使用因素和内在因素两方面考虑和分析。 使用因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动、噪声和润滑条件进行监控和检查，发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。此外，对润滑脂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。 内在因素主要是指结构设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。 首先，结构设计合理的同时具备有先进性，才会有较长的轴承寿命。轴承的制造一般要经过锻造、热处理、车削、磨削和装配等多道加工工序。各加工工艺的合理性、先进性、稳定性也会影响到轴承的寿命。其中影响成品轴承质量的热处理和磨削加工工序，往往与轴承的失效有着更直接的关系。近年来对轴承工作表面变质层的研究表明，磨削工艺与轴承表面质量的关系密切。 轴承材料的冶金质量曾经是影响滚动轴承早期失效的主要因素。随着冶金技术（例如轴承钢的真空脱气等）的进步，原材料质量得到改善。原材料质量因素在轴承失效分析中所占的比重已经明显下降，但它仍然是轴承失效的主要影响因素之一。选材是否得当仍然是轴承失效分析必须考虑的因素。 轴承失效分析的主要任务，就是根据大量的背景材料、分析数据和失效形式，找出造成轴承失效的主要因素，以便有针对性地提出改进措施，延长轴承的服役期，避免轴承发生突发性的早期失效。
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