滚动轴承失效原因解析.docx

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滚动轴承失效原因解析

 滚动轴承失效原因分析

                                                        前  言

       滚动轴承是重要的机械基础件之一，应用相当广泛。

滚动轴承的运行状况直接影响主机运行质量，随着市场经济迅速发展，使用者对滚动轴承质量、精度、使用寿命等的要求越来越明确，对滚动轴承的选型、安装、使用及维护和保养也越来越重视，目的都是为了提高仪器或机器的运行质量。

通过滚动轴承失效分析，可以直观地发现轴承损坏的直接原因，便于查找引起轴承失效的根本原因。

为此我们编辑了《滚动轴承失效分析图集》，希望对滚动轴承制造和使用方面有所帮助。

        滚动轴承的失效原因比较复杂，本书所涉及的只是常见失效形式。

我们结合滚动轴承的使用工况，通过对轴承的安装、配合及调整的分析，运行速度、温升分析，受力分析，包括对轴承使用过程中维护、保养的分析等，归纳总结出滚动轴承早期失效过程和失效原因，是根据轴承的结构特性，以轴承失效形式及其使用工况为依据作出的常规分析和鉴定。

          本书不包含以材料、精度的检验和测量为依据，分析滚动轴承外在或内在质量的内容，因此，本书不能作为轴承质量异议仲裁的依据。

                                                   第一章 失效形式及形成原因

一、   滚动轴承的失效形式及其定义

    常见的轴承失效形式及其定义如下：

1. 点蚀    金属表面呈分散或群集状的细小坑点。

   形貌特征    产生于滚动接触面上，呈黑色针孔状凹坑，有一定深度，个别存在或密集分布。

  产生原因    润滑不良时，在滚动接触应力的循环作用下，金属亚表层夹杂物或炭化物形成应力集中，进而产生微观裂纹，并逐渐发展成凹坑状的微小剥离。

2. 磨耗    零件在摩擦作用下使金属表面材料被去除的现象。

   形貌特征    产生于滚动接触面上或引导面上，呈磨合状的浅沟槽，表面光亮。

随着滚动接触表面的磨耗发展，轴承游隙增大。

  产生原因   细微颗粒物进入轴承或润滑不良，在滑动摩擦的作用下，零件接触处金属表面材料被磨掉。

3. 辗皮    金属表面由于疲劳而发生的极薄的金属起皮现象。

形态特征    产生于滚动面的极薄的起皮或脱落颗粒，强光下有光泽，手搓时有手感；辗皮后的零件表面失去原有光泽。

产生原因    装配不当或润滑不良时，在滚动接触应力和滑动摩擦的作用下，滚动面产生的极浅的疲劳剥落。

4. 剥离    金属表面在高接触应力的循环作用下产生的片状剥落现象。

   形貌特征    在滚动面有一定的深度和面积，表面呈凸凹不平的鳞状，边角锐利。

  产生原因    装配不当或润滑不良时，在过载应力的作用下产生的严重剥落。

5. 热变色    由于温升造成金属表面产生氧化的现象。

形态特征    零件受热部位呈现淡黄色、黄色、橙色、棕红色、紫兰色、蓝黑色。

产生原因    润滑不良、润滑剂老化，安装配合不当，游隙小。

6. 烧附    金属表面的热熔性材料粘着现象。

形貌特征    在零件相互接触的表面上，金属表面粘附有被迁移的熔融性材料。

产生原因    预紧力过大、轴承游隙过小，润滑不良，轴承高速运转温升，使滚动体受热膨胀后接触表面摩擦产生的急剧温升形成，是热变色的发展。

7. 微振磨损    滚动轴承在静压下的极小幅度摆动和振动，滚道面产生的磨蚀；或在运行状态下因轴挠曲，使配合面间反复张合而产生的磨蚀。

形貌特征   滚道面上呈现与滚动体等间隔的模拟布氏压痕；在配合面上呈现压痕和疲劳剥落。

产生原因   滚动轴承在非转动状态下的振动；运转状态下轴承配合过盈量不足、与轴承相配合的配合面几何形状不良、轴与轴承座同轴度差或轴挠曲。

8.  凹痕    硬性颗粒进入轴承腔体内，使滚动接触面产生的不规则点状或条状塑性凹陷现象，通常会使滚动接触面产生磨粒磨损。

形貌特征    形状、大小不规则，有一定深度，边缘光滑，有手感。

产生原因    轴承清洁度不够或轴承密封不良进入异物。

9.  压痕    在强大挤压力作用下，金属表面产生的塑性凹陷。

形貌特征    凹陷形状与挤压体的形状吻合，有深度，边沿材料凸起光滑。

产生原因    在过载冲击力或过载压力的作用下，滚道面受滚动体挤压而产生的凹陷痕迹，

10.            配合面拉伤    轴承装配表面受到极大的摩擦力时产生的机械性损伤。

形貌特征    伤痕与摩擦力方向一致，严重时有金属表面材料位移或表面附着物。

产生原因    轴承安装或退卸时，装配倒角过渡不圆滑，过盈量大；可分离套圈在轴承合套时偏斜，滚道与滚子摩擦产生的机械性损伤。

11.  蠕变  配合面之间相对运动时，轴承配合面在摩擦或蠕动摩擦的作用下产生的表面磨损。

    形貌特征    轴承套圈端面或内、外径面产生的轴向或圆周方向的摩擦痕迹，按损伤程度不同表现为擦伤、热变色和烧附。

    产生原因    配合间隙过大，轴承零件定位刚性不够，轴承受过载冲击力或转矩，滚动体严重卡滞等造成轴承配合面滑动。

12.   磕碰伤    轴承零件之间或与其他硬物之间相互碰撞产生的零件表面机械性损伤。

    形貌特征    呈半圆形或针叶形等形状规则的凹陷，边缘突起，手感明显。

一般在严重的磕碰伤附近及其尖角处有微裂纹。

    产生原因    粗鲁作业使轴承外表面受到按一定角度施加的强力冲撞、敲击产生的凹陷痕迹。

13.   擦伤    金属表面因滑动摩擦而产生的表面金属迁移现象。

形态特征    在零件相互接触的表面上，沿滑动方向产生的机械摩擦损伤，有一定长度和深度。

产生原因    轴向预紧力过大或轴承游隙过小，润滑不良或密封不良。

14. 划伤    硬性颗粒及硬物棱角在轴承表面滑动而产生的表面线状机械性损伤。

形貌特征    呈线状、光亮、无方向性，有手感。

产生原因    粗鲁作业，润滑剂含杂质，密封不良。

15.    裂损    材料破坏性损伤。

形貌特征    裂损按损伤程度分为裂纹和缺损。

 裂纹   呈线状，无方向性，有一定长度和深度。

 缺损   零件有局部掉块。

断裂    轴承零件沿纵截面或横截面方向断开的现象。

产生原因    由其他损伤诱发，如：

轴承承受非正常冲击力，材料缺陷或材料疲劳，零件局部温升等。

16.     腐蚀和锈蚀    金属表面与周围环境介质发生化学或电化学反应产生的表面损伤现象。

形貌特征    腐蚀按不同程度分为色斑、蚀刻和蚀坑。

  色斑    呈点状或条状，颜色呈浅灰色或红褐色，无深度。

  蚀刻    呈点状、条状或片状，颜色呈灰黑色，稍有手感。

  蚀坑    呈点状、条状或片状，颜色呈红褐色或黑色，手感明显。

产生原因    密封不良，造成轴承中进入潮湿的空气或水、酸、碱类物质。

17. 电蚀    电流通过轴承时，击穿油膜，产生高温，使金属表面局部熔融形成不规则凹坑或沟蚀。

形貌特征    电蚀凹坑呈斑点、密集斑点、小凹坑状，有金属熔融现象，深处蓝黑色，在放大镜下观察呈火山喷口状；轴承运行中形成的电蚀沟蚀呈洗衣板状。

产生原因    电流通过轴承。

18.  保持架损伤    保持架在受非正常外力的作用下，产生变形、裂损。

19.   滚动体卡伤    轴承运行过程中，滚动体在异物或其他零件的作用下自转或公转受阻时，产生的磨损、裂损。

                             二、   滚动轴承主要失效形式类别和主要失效原因

   根据滚动轴承失效的严重程度，失效形式分为裂损、磨损和损伤三类。

这三类失效形式的主要失效原因如下：

1.   裂损

由于滚动轴承材料硬度较高，受滚动轴承材料的屈服极限及强度极限的限制，轴承钢在局部经受过大的冲、拉、压外力后，或受温升影响局部相变而产生极大的内应力后，通常会发生裂损。

         烧伤：

原因是安装游隙过小，安装不到位，润滑不良，蠕变的

               发展，电灼伤，轴承与其他零件发生干涉摩擦等。

裂损     压溃：

原因是动压或静压过载，安装游隙过大，压痕等。

         撞裂：

是由于安装方法不当，撞伤，异物卡伤等产生。

         拉断：

由配合面支点产生的局部过盈量太大等产生。

         原始裂纹：

材料缺陷。

2.   磨损

  在不同的工况条件下，滚动轴承会产生不同的磨损。

在恶劣的工况条件下，或在非正常的安装、使用条件下，轴承会因早期磨损而失效。

         点蚀：

原因是润滑剂流动性差、不足或不洁净，密封失效等。

         剥落：

点蚀的发展，偏载，配合面支点产生的局部过盈等产生。

磨损     模拟布氏压痕：

由静压过载，轴承卡滞产生。

         电蚀：

是由电流通过轴承击穿油膜后产生。

         凹痕：

是由于异物进入轴承后产生。

3.   损伤

   滚动轴承属于机械零件中精度比较高的零件，在滚动轴承的存放、搬运和安装、使用过程中，应注意对轴承进行有效的保护，避免造成轴承损伤，精度下降。

         擦伤：

由于空载时转速过高，微振摩擦，运输颠簸等产生。

损伤     蠕变：

配合间隙过大，配合零件温差大，冲击转矩过大等。

         轻度磕碰伤：

搬运或安装轴承的磕碰或击打等。

         锈蚀，腐蚀：

轴承与潮湿的空气、水、酸碱溶液接触产生。

                           三、    滚动轴承早期失效形式及常见失效过程

为了准确分析滚动轴承的失效原因，需要对轴承失效件和轴承的使用工况进行全面观察、了解，对轴承运行过程进行追溯，才能抓住问题根本所在，对轴承的失效原因作出正确的判断。

1.    早期断裂

造成滚动轴承产生早期断裂的原因很多，但可归纳为两类，一类是轴承材料内应力过大造成的断裂，另一类是轴承受非正常的外力而产生的断裂。

这两类断裂因素通常会同时作用于同一套轴承上，使滚动轴承失效原因复杂化，以下仅列举简单的轴承断裂失效过程，以便说明轴承的断裂原因。

1．1 由温升引起的轴承断裂：

轴承转速较高  接触表面摩擦温升加剧   轴承零件局部表面材料相变      后经冷却材料硬度分层改变   材料内应力增大   材料不能靠变形释放内应力   产生局部二次淬火裂纹释放内应力   轴承零件断裂

轴承转速不高  摩擦产生温升  滚动表面材料软化  滚动表面材料迁移  滚动面表层和次表层内应力增大   产生龟裂  轴承零件断裂

1．2  轴承安装后短期产生的断裂常见有：

轴承受到强烈撞击  撞击压痕附近出现细小裂纹   轴承安装时出现断裂或轴承使用后产生早期疲劳断裂

轴承加热安装   逐渐冷却过盈量递增   配合面支点迫使轴承零件变形  零件外形突变处产生应力集中   零件产生迸裂

1．3  设备调整不当造成轴承的断裂：

轴承套圈挡边承受轴向预紧力   挡边形状突变的棱角处产生应力集中  挡边迸裂

轴向游隙过大或过小  滚子运行打横或受卡滞   挤压挡边  挡边形状突变的棱角处应力集中  挡边迸裂

1．4             恶劣工况引起的轴承断裂：

由于过载产生的冲击和振动   润滑油膜被破坏   滚动体受滚道直接夹击卡滞   保持架变形或断裂    轴承套圈和滚动体损伤直至断裂

2.    早期剥离

2．1  安装精度差造成轴承的剥离：

轴承座或轴失圆   迫使轴承套圈变形  轴承内部游隙发生不规则变化  滚道局部应力集中  滚动体或滚道表面材料剥离

轴承游隙偏大或偏小   轴承偏载  保持架变形或断裂    引导面或滚道表面材料剥离

2．2  设备失修造成轴承的剥离：

设备同轴度差或动不平衡  产生振动  轴承保持架断裂   引导面或滚道表面材料剥离

设备传动精度差   产生振动   轴承保持架变形或断裂  引导面或滚道表面材料剥离

2．3  工况太差造成轴承剥离：

异物进入轴承   润滑油膜被破坏或滚动体被卡滞  滚动面受伤  伤痕发展成剥离

3.   早期损伤

3．1 粗鲁作业造成的轴承损伤：

在搬运或安装轴承时的碰撞或击打  轴承外表面产生磕碰伤   滚动体传递力时产生滚道擦伤

3．2  存放环境差造成的轴承损伤：

无包装的轴承未作防锈处理  轴承短期内受潮湿空气或水及腐蚀性液体侵蚀   轴承表面锈蚀或腐蚀

                               第二章              失效轴承零件的定量分析

1、       金相分析

  常规金相分析

     按现行的国家标准、行业标准执行。

  断口金相分析

     断口金相组织电镜分析

2、       理化分析

常规理化分析

     按现行的国家标准、行业标准执行。

  断口理化分析

      材料断口应力分析

      材料合金成分的化学分析

3、       无损检测

按现行的国家标准、行业标准执行。

4、       铁谱分析

油样中呈现轴承疲劳特征的铁谱颗粒有三种：

第一种为钢铁类球形颗粒，直径约在φ1～φ5μm，此时轴承已出现原始疲劳裂纹。

第二种为长度与厚度比为30∶1的疲劳剥落薄片，长度在20～50μm之间，常有微小穿孔，在疲劳开始时这种薄片会明显增多，常伴随有球形颗粒。

第三种为长度与厚度比为10∶1的疲劳剥落屑，当这种疲劳剥落屑长度大于10μm时，轴承中非正常疲劳剥落已经开始，当出现长度大于100μm的疲劳剥落屑时，轴承已经失效。

附录1：

滚动轴承在理想的工况条件下运行的失效进程

滚动轴承在正常的安装、使用条件下，或在理想的工况条件下运行，不承受冲击、振动负荷，工作温度在100℃以内，润滑密封等条件良好时，轴承的失效过程如下：

负荷较大时

滚动面摩擦痕迹   点蚀   剥落   轴承零件疲劳断裂   碎裂

负荷较小时

滚动面摩擦痕迹   磨耗   剥落   轴承零件疲劳断裂   碎裂

当工况条件差时，滚动轴承失效过程将缩短，转变为非正常失效。

轴承滚动接触面发生点蚀或磨耗后，轴承精度明显下降，材料表面已经达到疲劳极限，应及时予以更换。

附录2：

滚动轴承在非正常工况条件下使用的失效进程

常见的非正常工况有：

偏载、超载、转速过高、温升过高、游隙调整不当、润滑和密封失效、配合精度差接触不良。

多数情况下，引起轴承失效的非正常工况条件同时有几种，为了便于说明各种非正常工况条件的危害，以下将各种工况割裂开分别说明，以便结合轴承结构，剖析轴承常见的典型失效过程。

因此，以下分析结果仅适用于对现场故障中单一非正常工况条件下引起的轴承失效过程的对比。

另外，根据轴承失效程度不同，失效程度严重的轴承已经把失效前期的部分失效形貌掩盖或改变，因此，失效严重的轴承样品不能完整表现失效前期的失效形式和过程；失效程度较轻的轴承样品更不可能表现严重失效的形式和过程。

我们建议，在使用以下失效过程阶梯对比时，注意根据轴承实际的失效程度，判断轴承经历了几个失效步骤。

轴承的失效形式和失效过程如此复杂，在没有见到轴承失效件时，不可能仔细分析轴承失效样品形貌，在分析轴承失效原因时，决不能主观臆断下结论。

1．偏载

1．1        向心轴承或向心推力轴承轴向力过大时失效进程

1．1．1        深沟球轴承和部分短圆柱滚子轴承

    安装轴向预紧或轴向力过大，当Fa/Fr＞e时：

          轴承内圈与外圈轴向错位，滚动体全部被挡边轴向夹持。

             轴承工作游隙为零；滚子端面与挡边摩擦。

                 滚动体旋转摩擦温升膨胀，摩擦力增大。

                    个别滚动体受卡滞不公转，冲击保持架。

                      保持架断裂，钢球卡滞，内径面打滑。

                        滚动面和引导面表面温升加剧，烧损。

                           轴承套圈轴向或圆周方向断裂。

1．1．2        调心球轴承和调心滚子轴承

安装轴向预紧或轴向力过大，当Fa/Fr＞e时：

          轴承内圈与外圈轴向错位，一列滚动体被内外圈滚道轴向夹持。

           两列滚动体中，只有一列承受轴向和径向负荷且无游隙。

             高速时无游隙的一列温升加剧，重载时无游隙的一列磨损。

              高速时一列滚道表面熔融，重载时无游隙的一列滚道龟裂。

               一列保持架断裂，该列滚子打横或钢球破碎。

                轴承抱死，内径面打滑或内圈断裂。

                   外圈一侧边缘掉块，外圈断裂。

1．1．3        角接触球轴承

角接触球轴承为向心推力轴承，轴向负荷能力按接触角大小不同而不同，接触角大的轴向负荷能力大，反之轴向负荷能力小。

当接触角分别为15°、25°、40°，各自Fa/Fr＞e时：

         轴向力使轴承轴向游隙和径向游隙为零。

          短期运行钢球温升膨胀，轴承游隙变为负值。

             能控制温升时，滚动面早期疲劳点蚀。

               温升得不到控制时，滚动面早期熔融粘连或早期剥落。

                 钢球受卡滞使保持架破碎，转速高时轴承抱死。

                  低速重载时，保持架被碾碎，滚动面产生龟裂。

                    钢球碎裂，套圈碎裂。

1．1．4        圆锥滚子轴承

安装轴向预紧或轴向力过大，当Fa/Fr＞e时：

         轴向力使轴承轴向游隙和径向游隙为零。

          短期运行滚子温升膨胀，轴承游隙变为负值。

             滚子沿自转轴线向内圈大挡边方向位移。

              滚子大端面与大挡边摩擦产生温升。

               温升得到控制时，摩擦面早期剥落。

                 温升得不到控制时，摩擦表面材料熔融。

                    转速高时，保持架破碎，轴承抱死。

                      低速重载时，大挡边引导面产生龟裂。

                       套圈断裂。

1．2                      负荷方向偏移或偏摆导致轴承失效的进程

   由于轴的挠曲或安装造成配合零件轴线不平行，运行中轴承载荷产生偏移或偏摆，导致滚动体偏离滚道或使局部滚道应力集中，迫使滚动体与滚道产生交变的摩擦卡阻现象，造成轴承早期失效。

1．2．1        深沟球轴承和短圆柱滚子轴承

负荷方向偏移或偏摆严重

 固定套圈滚道对称180°处产生摩擦痕迹。

  对称180°处滚动体受内外圈滚道夹击卡阻。

    保持架受被卡滞的滚动体冲击而变形。

     保持架破碎，轴承温升、抱死，内径面打滑。

      滚动体破碎，套圈裂损。

1．2．2        向心推力轴承

负荷方向偏移或偏摆严重

钢球或滚子滚压小挡边，滚动体受卡阻。

          滚子受卡滞使保持架梁向相同方向歪斜，

            钢球或滚子及小挡边破碎，保持架断裂。

              轴承温升加剧，滚动体或套圈裂损。

1.3              配合精度差引起的偏载导致轴承失效的进程

1.3.1   配合面支点产生的应力集中

各类轴承内径面、外径面、端面以及装配倒角，凡配合面支点产生过盈配合的，均迫使轴承套圈产生变形。

其中装配倒角应为间隙配合，装配倒角产生的过盈配合，将直接造成轴承套圈断裂，因此，下列叙述中不包括装配倒角产生过盈配合的失效进程。

    配合面支点迫使轴承配合表面产生压痕，轴承套圈变形。

          对应于压痕处的套圈滚道表面变形凸起。

           在滚道凸起处，滚动体公转受卡阻。

             卡阻不严重时，滚道凸起处早期疲劳剥落。

              卡阻严重时，滚动体公转速度不同保持架变形。

               保持架破碎，轴承烧损，滚道凸起处严重剥落。

                 轴承套圈、滚动体断裂。

1.3.2   配合面翘曲产生的应力集中

由于剖分型轴承座接口径向错位（错箱），造成向心轴承外圈配合后变形，或大型推力轴承端面与翘曲的配合面相配合后，在重负荷条件下轴承套圈被迫翘曲。

轴承在这种工作条件下，转速高时短期烧损，低速重载时失效进程如下：

         轴承套圈翘曲后内部游隙不均。

          运行时个别滚动体受卡滞后，保持架变形。

           滚道局部应力集中处疲劳剥落，保持架严重磨损。

              个别零件产生疲劳裂纹直至断裂。

2．超载

2．1 由于共振而超载

当轴承与机构谐振频率相同时，将产生共振。

这时轴承的负荷会成倍增大，从而导致轴承负荷超载。

共振严重时轴承的噪声很大，失效进程如下：

         共振使轴承当量负荷增大，负荷方向随机改变。

           对滚动体产生冲击负荷，滚动体受卡滞，加速滚道磨损。

            滚动体受卡滞后冲开保持架，轴承磨损温升加剧。

              轴承抱死。

2．2        由于冲击负荷过大而超载

当轴承运行中，瞬间所受冲击负荷过大而超过轴承额定静负荷时，轴承将受到损伤，而早期失效。

各种冲击负荷过大而超载的轴承失效进程如下：

          冲击力造成负荷区个别滚动体回转急停。

          负荷区滚动面和引导面损伤，产生压痕。

            反复受冲击使零件棱角处应力集中产生崩裂。

              零件严重断裂。

3．转速过高、润滑及密封条件较差

3.1 转速过高

在接近轴承极限转速或超过极限转速时，要注意解决轴承的温升问题，为避免轴承因烧损，轴承的循环冷却系统应可靠。

         轴承转速过高，在轴承内散热条件差处产生温升。

          高温使润滑失效，滚动面或引导面因摩擦加剧温升。

           轴承烧损直至断裂。

3.2 润滑条件差

润滑条件差时，轴承将产生早期失效，由于在低速重载和高速轻载条件下的失效形式不同，以下将这两种失效进程分别描述。

3.2.1 低速重载

          润滑脂性能差或已失效，轴承产生磨耗。

           由磨耗发展为磨粒磨损，滑动摩擦加剧。

             滚动面材料迁移，产生龟裂。