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润滑因素与滚动轴承失效的关系研究*

时间:2017-7-10 9:34:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  滚动轴承作为机械设备关键零部件,其寿命和可靠性一直以来都是轴承相关研究领域的热点问题。随着机械设备精度、速度的提高,以及滚动轴承的工作环境日趋苛刻,对滚动轴承的性能要求也越来越高。

  近年来,在滚动轴承材料、加工工艺和精度、质量管基金项目:广东省自然科学基金项目(S2011010002118);中央高校基本科研业务费专项资金项目(CUGL140823)。

  轴承正常工作必不可少的组成部分,其性能直接关系到轴承的正常运转以及使用寿命,因此,研究润滑剂与轴承失效的相互作用机制,对研制高性能轴承润滑剂和延长轴承寿命具有重要意义。

  本文作者通过对滚动轴承失效形式的统计,以及采用。可知,滚动轴承滚道表面磨损是主要的失效形式,占轴承失效形式总数的44%;滚道表面剥落和塑性变形为另外两种主要的失效形式,分别占16%和22.5%;滚动轴承出现断裂则仅占5%.磨损剥落腐蚀塑性变形断裂失效滚动轴承的统计在所统计的5种滚动轴承失效表现形,断裂相对其他失效表现形式辨识度最高,保持架、滚道出现裂纹或断裂均归为轴承断裂。

  滚道表面的磨损主要是由于受到轴承载荷或相对运动表面间摩擦力的作用,使得滚道表面出现材料转移的现象,如(a)所示。轴承材料从滚道表面以金属磨屑颗粒的形式转移至润滑脂后,会由于固体颗粒的存在而对脂润滑弹流油膜厚度和油膜压力分布产生不利影响9,或由于应力作用使得金属磨屑镶嵌至滚道表面形成表面凸起,而弹流润滑区域中,表面凸起位置会出现油膜压力峰,使得在表面凸起位置容易出现“干磨”和高温现象,进一步促使滚道表面磨损的进行。

  (a)滚道表面磨损(b>滚道表面剥落典型滚动轴承失效形式滚道表面剥落主要是由于滚道表面在循环压力作用下出现疲劳裂纹,随着裂纹的扩张,滚道表面出现大的凹坑或剥落现象,如(b)所示。在脂润滑弹性流体动力润滑条件下,滚道表面凹坑边缘同样会出现油膜压力峰,随着轴承工作时间的推移,凹坑边缘油膜压力峰会促使凹坑尺寸的不断增大,同时,凹坑的存在也会使得润滑脂的润滑效果变差,出现‘’乏油“和润滑不良等现象。

  滚道表面腐蚀失效引起的原因主要是由于润滑脂与轴承材料不相容,或是由于轴承密封圈失效造成外界的水和其他杂质进入轴承内部,造成滚道表面的氧化和化学腐蚀现象。

  滚动轴承失效机制分析方案1.3试验研究1.3.1滚动轴承本身采用NCS公司生产的直读式火花光谱仪LabSpark750对所选取的15套失效滚动轴承的内、外圈元素含量进行测试,并将各轴承元素含量的测试结果182544000标准的值进行比较,符合该标准则说明轴承元素符合规范,否则判定该轴承元素含量不达标。测试结果表明,15套失效滚动轴承中仅有轴承1的内圈滚道和轴承14的外圈滚道中C元素含量略低于标准的规定值,其余元素含量符合标准规定值,如表1所示。其余13套轴承的所有元素其含量均符合标准规定值。

  表1失效滚动轴承滚道元素含量Table轴承元素标准轴承1轴承14规定值外圈滚道内圈滚道外圈滚道内圈滚道矣分别采用金相显微镜和布洛维硬度计对15套失效轴承的表面硬度和金相组织进行测试,其中轴承滚动体、内外圈滚道的洛氏硬度的测量结果与B/T 12554001标准的规定值进行对比,轴承滚道材料的金相组织测试结果与B/T90244999标准的值进行对比。测试结果表明:(1)轴承滚动体的硬度和金相组织结构均符合标准规定;(2)所有轴承外圈滚道的金相组织结构测试结果均符合标准值,仅轴承14外圈滚道的硬度值低于标准值,主要是由于该轴承外圈材料的碳元素含量偏低造成的,而其余轴承的外圈滚道硬度值均符合标准值;(3)所有轴承内圈滚道的金相组织结构测试结果均符合标准值,仅轴承1内圈滚道的硬度值低于标准值,也主要是由于该轴承内圈材料的碳元素含量偏低造成的,而其余轴承的外圈滚道硬度值均符合标准值。

  从对15套失效滚动轴承的材料元素含量、金相组织结构和表面硬度的测试结果来看,滚动轴承材料的组成元素中的C元素含量容易出现低于标准值的现象,而当轴承材料中C元素含量低于标准值时,轴承滚道表面硬度则同样会低于标准值,致使滚道表面容易出现疲劳剥落、磨损和塑性变形等失效形式,这结果与滚动轴承失效统计过程中的观察以及对轴承1和轴承14滚道表面的扫描电子显微镜测试结果相吻合,所以滚动轴承材料与轴承失效具有十分密切的关系。但是,从上述分析来看,所选取的15套失效轴承中仅有2套轴承出现了轴承材料元素含量不符合标准值的现象,而其余13套轴承不论是材料元素含量、金相组织结构还是表面硬度值均符合标准值,因此可以判断,目前国内滚动轴承的材料选用、加工水平等方面基本符合轴承生产要求,轴承本身的质量并不是引起轴承失效或轴承寿命达不到额定寿命的主要原因。

  1.3.2滚动轴承润滑脂提取失效滚动轴承中的润滑脂并用石油醚稀释后制备的测试结果可知:(1)未使用的润滑脂基本不存在Fe、Mn、Cr等元素,但是失效轴承润滑脂中这些元素的含量急剧升高,主要是由于滚道表面磨损和疲劳剥落使滚道或滚动体表面材料转移至润滑脂中,润滑脂中元素的含量可以有效反映滚动轴承失效的严重程度;(2)未使用的润滑脂中不存在或含有极小量的Si、Ca元素,在失效轴承的润滑脂中均出现了一定程度的增加。根据表1和GB/T182544000标准规定的轴承材料元素含量值可以判断,失效轴承的润滑脂中的Si和Ca元素并不是来自于滚动轴承本身,因此根据Si和Ca元素含量的变化,可以推断由于滚动轴承密封圈失效,导致外界环境中的泥沙、灰尘等杂质进入了轴承单元内部,引起Si和Ca元素含量的升高。

  综上所述,失效轴承润滑脂中元素含量的测定可以很好地反映滚动轴承滚道表面失效的严重程度和判断密封圈是否失效,也可以依此初步区分轴承的失效形式。

  表2润滑脂的元素含量变化对比元素名称轴承2轴承8轴承14未使用使用后未使用使用后未使用使用后傅里叶变换红外光谱分析仪测试失效轴承润滑脂的氧化变质情况,所示为失效轴承3的润滑脂的红外光谱分析结果。根据波谱图在1 730cm1左右是否出现波峰的强谱带可以判断润滑脂是否出现氧化变质。

  如果该处出现了波峰强谱带,则说明润滑脂氧化降解并生成了带羰基键的有机酸或油泥等氧化物,润滑脂氧化变性或皂纤维遭到破坏,降低了润滑脂的极压抗磨性能和氧化安定性能等。

  对15套失效轴承的润滑脂的红外光谱分析表明,11套轴承的润滑脂均出现了氧化降解。造成该现象的主要原因,是润滑脂性能不能满足实际工况的需要,在载荷和反复的高速剪切作用下润滑脂皂纤维断裂,丧失润滑性能,造成轴承温度升高,润滑脂氧化降解;二是轴承密封圈被破坏,外界的水和酸性物质进入了润滑脂中。润滑脂氧化降解后,润滑脂润滑性能下降,会导致轴承磨损加剧,寿命缩短。

  失效滚动轴承润滑脂红外光谱分析2润滑因素与轴承寿命计算公式根据轴承Weibull理论,计算可靠度为s时的轴承寿命公式10为某一批次轴承,其中90%的轴承可达到的疲劳寿命;e表示Weibull斜率。

  但是,式(1)所示的轴承寿命计算公式仅适用于理想状态下的轴承寿命计算,而在实际情况中,由于要考虑轴承材料、润滑剂和污染等因素的影响,通常要对轴承疲劳寿命进行修正,疲劳寿命综合影响系数为-寿命修正系数;4表示润滑-寿命修正系数;A4表示污染-寿命修正系数;Lsa表示可靠度为s时修正疲劳寿命;C表示额定动载荷;表示当量载荷;对于球轴承指数P取3,对于滚子轴承p取10/3.值得注意的是,式(2)中各寿命修正系数之间并不是完全独立而毫无关联的。比如:材料-寿命修正系数4取值若小于1,则润滑-寿命修正系数4不能取大于1的数值,主要是由于若材料表面或者内部存在缺陷,则对润滑将造成不利影响,因此润滑-寿命系数4的取值将小于1,且不能假设采用特殊的轴承材料处理和设计来克服润滑的不足。污染对轴承寿命的影响,通常是通过润滑这一因素进行传递的,比如颗粒和水分等污染物进入轴承,将引起轴承寿命的缩短,这种影响主要是通过以下2个方面产生的:灰尘、泥沙等杂质所含固体颗粒对润滑油膜的形成造成影响。固体颗粒进入轴承润滑剂中,造成润滑区域的“乏油”现象或者影响润滑油膜压力分布,致使轴承长期处于润滑不良的状态下,使得轴承寿命缩短;水分对润滑脂性能产生的影响。水分进入润滑脂后,通过物理和化学作用使得润滑脂理化性能、成膜能力和润滑脂本身寿命均下降,腐蚀滚道和滚动体表面,从而使得轴承寿命缩短。同时,润滑脂中的水分还将使得钢材表面氢脆,增加应力集中,也能缩短轴承疲劳寿命。

  3结论在各种滚动轴承失效形,磨损是主要的失效表现形式,且各种失效形式与润滑因素有密切关系。

  滚动轴承失效产生的原因主要是由于润滑脂润滑性能不能满足实际工况的需要,而不是由于滚动轴承本身制造和加工等方面引起的。

  滚动轴承失效会使得润滑脂中混入磨损颗粒、外部环境中的泥沙和水分以及滚道表面形貌发生变化等,而这些因素会影响润滑脂的润滑性能和成膜特性,且润滑脂润滑性能的下降会促使滚动轴承失效的加剧。