摘要：在冶金生產(chǎn)當(dāng)中，軸承的使用非常廣泛，因此，剖析軸承使用壽命，直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的正常使用及其生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：失效 疲勞 潤(rùn)滑 表面粗糙度

1.引起軸承失效的原因

1.1磨損失效

磨損失效是指表面間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致軸承工作表面金屬磨損產(chǎn)生失效。持續(xù)磨損能夠引起軸承零件逐步損壞，并使得軸承配合精度大大降低。磨損可能影響到部件外形發(fā)生變化，尺寸配合間隙加大以及工作表面形狀發(fā)生變化，繼而影響潤(rùn)滑劑，當(dāng)潤(rùn)滑劑受到污染達(dá)到一定程度時(shí)，最終造成潤(rùn)滑作用完全失效，因而使軸承失去運(yùn)轉(zhuǎn)精度，甚至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。磨損失效是冶金生產(chǎn)中，軸承使用最常見(jiàn)的一種失效模式，按照磨損形式可分成：磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和粘著磨損。

磨粒磨損主要由外界硬粒介質(zhì)侵入摩擦系統(tǒng)，在摩擦表面之間發(fā)生切削及磨削，使得金屬表面發(fā)生塑性變形和疲勞損傷，造成磨損。據(jù)日本研究人員報(bào)道說(shuō)，不論進(jìn)入的污染粒尺寸如何，只要達(dá)到一定的集中量，就能使軸承的使用壽命減少到額定壽命的5%至20%，因?yàn)槲廴玖５那秩?，促使軸承表面磨損，從而產(chǎn)生剝落。

疲勞磨損主要是在滾動(dòng)摩擦面上（如滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體表面）出現(xiàn)針狀或豆斑狀的小凹坑（也稱為點(diǎn)蝕），當(dāng)軸承出現(xiàn)疲勞斑點(diǎn)之后，設(shè)備仍然能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，但是機(jī)械振動(dòng)和噪聲會(huì)突然加大，運(yùn)行精度急劇下降，使用壽命也會(huì)相繼降低。

腐蝕磨損是指在軸承工作運(yùn)行中，工作表面與空氣中的氧氣產(chǎn)生系列反應(yīng)，或者與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在這一系列反應(yīng)中，工作表面疏松、容易脫落且耐磨強(qiáng)度降低。常見(jiàn)的腐蝕磨損有：氧化磨損、特殊介質(zhì)磨損和氣蝕磨損。

粘著磨損是因?yàn)檩S承表面糙度的影響，在外力作用中，運(yùn)動(dòng)著的摩擦面接觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬間升溫，摩擦面表面膜在高溫高壓下受到破壞，在此接觸點(diǎn)上發(fā)生塑性變形和金屬粘著，尤其是當(dāng)潤(rùn)滑條件下降時(shí)，軸承發(fā)生至粘著抱死。

1.2接觸疲勞失效

接觸疲勞失效是指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的作用而發(fā)生的失效。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承工作表面，通常伴隨著疲勞裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到其它處表面，進(jìn)而形成相異的剝落外觀，例如：點(diǎn)狀的點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝落成小片狀的稱為淺層剝落。隨著剝落面的逐步增大，不斷向深層擴(kuò)延，形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。

2.影響軸承使用壽命的條件

2.1工作條件的影響

例如：軋鋼生產(chǎn)中，軋輥軸承主要承受很高的單位壓力以及一千攝氏度左右的高溫，通常軋輥軸承的單位壓力p高達(dá)到2000-4800N/cm2，是普通軸承的2至5倍，受到的沖擊載荷比較大，而且運(yùn)轉(zhuǎn)速度頻繁變化，若采用循環(huán)水進(jìn)行設(shè)備冷卻時(shí)，污水和氧化鐵皮等雜質(zhì)容易進(jìn)入引起軸承的磨損。各類電機(jī)軸承及減速機(jī)軸承在燒結(jié)、焦化、煉鐵煉鋼生產(chǎn)中，影響軸承使用壽命的環(huán)境條件主要是金屬粉塵的侵入引起潤(rùn)滑劑失效而最終造成軸承磨損，另外，還有設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成軸承疲勞受損。

2.2潤(rùn)滑條件的影響

使用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的軸承，潤(rùn)滑劑種類或牌號(hào)的選擇也起到了關(guān)鍵作用。粘度是潤(rùn)滑油的重要特性，粘度的大小直接影響潤(rùn)滑油的流動(dòng)性及摩擦面間形成的油膜厚度，轉(zhuǎn)速愈高應(yīng)選較低的粘度，負(fù)荷愈重應(yīng)選較高的粘度。常用的潤(rùn)滑油有機(jī)械油、高速機(jī)械油、汽輪機(jī)油、壓縮機(jī)油、變壓器油、氣缸油等。

由上圖可見(jiàn)，隨著軸承溫度的升高，溫度系數(shù)成反比趨勢(shì)逐漸減小，代入軸承壽命計(jì)算公式可知，軸承壽命也成反比趨勢(shì)逐漸減小。

2.4金屬組織對(duì)軸承壽命的影響

控制金屬組織缺陷例如氣孔、疏松和碳化物積聚等不利因素外，金屬組織中的夾雜物會(huì)嚴(yán)重影響金屬材料的疲勞性能和使用強(qiáng)度。在良好的潤(rùn)滑條件下，軸承的疲勞壽命是理論壽命的20～100 倍。組織中存在夾雜物時(shí)，使用壽命大幅度下降。裂紋首先發(fā)生在夾雜物與基體交界處，并逐漸擴(kuò)展而導(dǎo)致疲勞剝落。

2.4.1碳化物對(duì)軸承使用壽命的影響

高碳軸承鋼經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火處理后，得到組織為未溶碳化物+針狀馬氏體+殘余奧氏體。影響到金屬表面性能的是未溶碳化物的含量、碳化物的形態(tài)分布、馬氏體針狀度的大小以及殘余奧氏體的含量。通過(guò)對(duì)進(jìn)口軸承和國(guó)產(chǎn)軸承組織結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行的對(duì)比分析，得出：進(jìn)口軸承鋼中的未溶碳化物含量比國(guó)產(chǎn)軸承鋼的未溶碳化物含量要低一些，所以其硬度稍高。原因是未溶碳化物的含量減少，能使馬氏體基體中的碳濃度提高，硬度也會(huì)相應(yīng)地提高。淬火后，軸承鋼中的少量未溶碳化物可以使軸承保持一定的耐磨性，亦能抑制馬氏體晶粒的長(zhǎng)大，獲得到細(xì)晶粒隱晶馬氏體，可以提高軸承的強(qiáng)韌性和接觸疲勞強(qiáng)度等性能。網(wǎng)狀碳化物的存在會(huì)削弱基體晶粒之間的聯(lián)系，也會(huì)降低軸承的疲勞極限。例如滾動(dòng)軸承：當(dāng)滾動(dòng)體與滾道之間的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)其疲勞極限時(shí)，滾道處首先產(chǎn)生裂紋。隨著裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致金屬剝落，縮短了滾動(dòng)軸承接觸疲勞壽命。

2.4.2貝氏體對(duì)軋機(jī)軸承使用壽命的影響

軸承經(jīng)過(guò)下貝氏體等溫處理后，相比于馬氏體淬火組織，平均使用壽命能夠提高66%。這主要是由于下貝氏體組織的特殊性能，下貝氏體組織能夠提高高碳鉻軸承鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，且有比較高的沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性以及尺寸穩(wěn)定性。這些性能主要取決于貝氏體的細(xì)化程度和含量。高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后，其組織主要由下貝氏體、馬氏體和未溶碳化物組成。其中下貝氏體為不規(guī)則相交的條片，條片為碳過(guò)飽和α結(jié)構(gòu)，其上沿著與片的長(zhǎng)軸 呈55°～60°的方向分布著顆粒或短桿狀碳化物，空間形態(tài)呈凸透鏡狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)。貝氏體的數(shù)量及形態(tài)因工藝不同而各異。一般情況下，隨著淬火加熱溫度的升高，貝氏體條片變長(zhǎng),等溫溫度升高，貝氏體條片變寬，碳化物顆粒變大，且貝氏體條之間的交角變小，逐漸趨向平行排列，形成類似上貝氏體的形貌,等溫淬火后的貝氏體量隨等溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

4.改善軸承使用壽命的措施

4.1潤(rùn)滑的作用

潤(rùn)滑劑在摩擦表面之間能夠減少磨損，保持零件配合精度，能夠降低摩擦系數(shù)，減少摩擦熱的產(chǎn)生，起到降溫冷卻的作用，使得機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制在所要求的運(yùn)行溫度范圍之間。潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂能夠隔絕水分和有害介質(zhì)的侵蝕，對(duì)金屬表面起到防腐、防銹和保護(hù)作用。另外，潤(rùn)滑劑還可以防止有害雜質(zhì)侵入機(jī)件內(nèi)部而起到良好的密封作用。在使用過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制適度的裝脂量。例如，對(duì)于密封軸承，軸承內(nèi)徑dζ9mm時(shí)，裝脂量為軸承 空腔的50%,10mmζdζ50mm時(shí)，裝脂量為35%, d>50mm時(shí)，裝脂量為30%。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年三月，在宣鋼小型軋鋼廠二小型冷床對(duì)齊輥道軸承改型選用了TEP300潤(rùn)滑脂代替之前使用潤(rùn)滑脂，每年可節(jié)約材料、備件費(fèi)用10.02萬(wàn)元。所以，綜上所述，合理選擇潤(rùn)滑劑有著改善軸承使用壽命的至關(guān)重要作用。

4.2良好的儲(chǔ)存與清潔

所有的軸承在安裝使用前都應(yīng)該保存在清潔、干燥、相對(duì)恒溫的環(huán)境中。滾動(dòng)軸承應(yīng)該避開(kāi)灰塵、水和腐蝕性化學(xué)物質(zhì)。振動(dòng)可能會(huì)造成軸承機(jī)械性能的破壞，因此在儲(chǔ)存過(guò)程中必須避免振動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，軸承都應(yīng)水平保存，因?yàn)橛行┹^重的軸承長(zhǎng)久豎直放置后，會(huì)由于自重而發(fā)生變形。預(yù)先涂有油脂的（或密封的）軸承需要特別小心，因?yàn)橛椭L(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，密度會(huì)有所改變。這樣當(dāng)軸承第一次使用時(shí)，會(huì)存在一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。因此，這種軸承的擱置時(shí)間應(yīng)該按照“先進(jìn)先出的原則來(lái)控制。保持清潔對(duì)于軸承也至關(guān)重要，軸承環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)面和滾動(dòng)元件的表面粗糙度一般為1/10 μm，如此光滑的表面對(duì)污染物造成的損壞非常敏感。轉(zhuǎn)動(dòng)面之間的潤(rùn)滑層通常為0.2～1 μm，大于潤(rùn)滑劑粒徑的顆粒型雜質(zhì)會(huì)受到滾動(dòng)元件的過(guò)度碾壓而在軸承鋼中產(chǎn)生局部壓力，最終會(huì)導(dǎo)致永久性材料疲勞。除了這一點(diǎn)，外界環(huán)境中的灰塵顆粒大小可達(dá)10 μm，也會(huì)對(duì)軸承造成損壞。因此，清潔無(wú)塵的環(huán)境對(duì)軸承的存儲(chǔ)和安裝來(lái)說(shuō)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

49f51a6acc05ef8b852303b3ddbae5abe4b79c930a9a3e698b75bae89346bb5d6.3安裝與拆卸

安裝和拆卸軸承應(yīng)該使用合適的工具。據(jù)行業(yè)專家估計(jì)，過(guò)早的軸承失效情況中的16%是由于不正確的安裝。對(duì)于大量安裝（例如在生產(chǎn)裝置中）來(lái)講，通常要嚴(yán)格控制條件安裝，還可以采用合適的軸承安裝設(shè)備。 但是，在維護(hù)或替換工作中，環(huán)境是多種多樣的。因此，為確保最長(zhǎng)的軸承使用壽命，全面的準(zhǔn)備工作對(duì)軸承安裝也是很必要。 首先，有關(guān)的文件，例如圖紙、維護(hù)手冊(cè)、產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)等需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究。其次，所有的軸承元件，例如軸、定距環(huán)、蓋、墊圈等須保持干凈無(wú)污染。鄰近部件的狀態(tài)也要仔細(xì)檢查。 準(zhǔn)備工作完成后，要根據(jù)不同的應(yīng)用以及軸承尺寸和類型，選擇合適的安裝步驟（機(jī)械的或液壓的）和工具。以下是軸承安裝的基本原則：

1. 嚴(yán)禁在滾動(dòng)元件上施加安裝力，這很容易導(dǎo)致滾動(dòng)元件和座圈接觸面的局部超載，從而導(dǎo)致軸承的過(guò)早失效。

2. 嚴(yán)禁用任何堅(jiān)硬的工具（例如錘子、起子等）直接敲擊軸承表面，這會(huì)導(dǎo)致軸承環(huán)的斷裂或碎裂。

3.嚴(yán)格 遵守安裝設(shè)備供應(yīng)商的指導(dǎo)。

另外，軸承的拆卸與安裝一樣，拆卸軸承也要進(jìn)行認(rèn)真準(zhǔn)備，拆卸過(guò)程中，要確保相鄰的部件，例如軸和軸套沒(méi)有損壞。要根據(jù)軸承類型、尺寸和應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的方法和工具。技術(shù)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該注意，設(shè)計(jì)良好的軸承位置可以方便軸承的安裝與拆卸，因而降低維護(hù)成本。

4.4監(jiān)測(cè)維護(hù)以及培訓(xùn)

軸承與機(jī)器設(shè)備中其它所有重要的部件一樣，應(yīng)該對(duì)它們進(jìn)行定期檢查和維護(hù)。檢查和維護(hù)的頻率主要取決于其應(yīng)用設(shè)備的重要性和各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行條件。 由于軸承作用關(guān)鍵，可以在其設(shè)計(jì)階段加入狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，例如潤(rùn)滑油油位、溫度等數(shù)據(jù)。機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的重要參數(shù)，例如震動(dòng)和噪音可以連續(xù)監(jiān)測(cè)，并提前做好預(yù)防措施。適當(dāng)?shù)募夹g(shù)培訓(xùn)是實(shí)踐的基礎(chǔ)，也是非常必要的。如果技術(shù)人員在處理軸承過(guò)程中具備基本的知識(shí)，那么就可以避免重大的操作錯(cuò)誤。

5.結(jié)語(yǔ)

軸承通常是機(jī)械設(shè)備中的重要部件，設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師能夠通過(guò)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大發(fā)揮設(shè)備性能。為確保軸承最長(zhǎng)的使用壽命，采取正確的保存、謹(jǐn)慎的安裝和拆卸、足夠的潤(rùn)滑、正確的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、及時(shí)的維護(hù)，最后還有合理的人員培訓(xùn)，對(duì)提高軸承使用壽命和設(shè)備性能都是很重要的。

參考文獻(xiàn)

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[2]胡邦喜.設(shè)備潤(rùn)滑基礎(chǔ).北京：冶金工業(yè)出版社，2002

作者簡(jiǎn)介：劉建新 女 工程師 本科 河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化