王勇
【斯凱孚（中（zhōng）國）銷售有限公司，上海 200001）
摘 要：在工業電機運行過程中（zhōng），軸承的失效占整（zhěng）個電機故障的比率非常高。作為承載（zǎi）和轉（zhuǎn）動的零（líng）部件，軸承（chéng）成為很多（duō）故障的表現點，非常（cháng）容易受到損（sǔn）傷。對工（gōng）業電機中滾動軸承的失效分析進行了分類介紹，並（bìng）提出了相應的失效原因及改進措施。
關鍵詞：滾動軸承（chéng）；失效；工業電機
0 引言
在工業電機運行中經（jīng）常會出現軸承發熱、噪聲等（děng）故障，甚至會出現整個軸承全部燒毀而導致停機。在日常維護（hù）中，如果單純地更換軸承而不作深入分析，往往不能抓住問題的關鍵，也就不能徹底（dǐ）解決問題。因此，為避免（miǎn）盲目更換軸承而造成浪費（fèi），當軸承出（chū）現（xiàn）問題時，應針對問題進行（háng）科學地分析，同時（shí）排除造成軸承失效的因素（sù），從而達到根本性（xìng）維修的目的。
對軸承進行失效分析是一個要求很高的任務。分析者不（bú）僅需要對軸承有深入全麵的了解，同時需要了解電機的整體結構，電機驅（qū）動係統的（de）負載情況、機械結構，環境（包（bāo）括溫度，汙染情況等）等。軸承失效分析（xī）也有一些相應的規律可循，本文將就軸承失效（xiào）問題，依照ISO15243: 2004的（de）分類框架（jià）進行針對性的介紹；同時針對電機自（zì）身的（de）加工製造和使用情況提出可（kě）能的根（gēn）本原因及解決方案。但是，對軸承作失效分析都是由果推因（yīn），帶有一定的（de）不確定性，而失效的軸承又往往是多重失效摻（chān）雜在一起，給分（fèn）析工作帶（dài）來很大（dà）難度。尤其是（shì）當一（yī）個軸承已經完（wán）全燒毀時，分析者已基本不可能對失效的根本原因進行辨別。因此，軸承失效的階段越早，就越有可能準確地找到失效的根本原因。這一點（diǎn）對軸承（chéng）的失效分析至關（guān）重要。
1 負荷痕跡分析（xī）
電機的機（jī）械結構自身是一個係統，而該係統又與外界係統相聯係。軸承（chéng）作為其中的一個零部件，受到諸多因素的影響。對軸承進行失效分析也需要考慮到整個係統的情況，從而（ér）判斷軸承是否運行於合理的工況。這（zhè）是軸承失效分析的步，也是至關重（chóng）要的一步，有時（shí），僅通過這一步的分析，就可以找到失效的根本原因。
判斷軸承是否運行於合理的工況，可（kě）以通過了解整個係統的工況而得（dé）到一些信息，而更加直接的信（xìn）息，可以從軸承內部的負荷痕跡中得到。一般情況下，嶄新的軸承滾（gǔn）道和滾動體表（biǎo）麵都具有一定粗糙度的金屬加（jiā）工表麵（miàn）。當軸承被安裝在電機中承受負荷並運轉時，滾道和滾動體表麵的部分區域（yù）會承（chéng）載。軸承經過一段時間的運行，這些承載區域的（de）金屬表麵形貌將（jiāng）發生變化，從而形成與（yǔ）非負荷部（bù）分的滾道和滾（gǔn）動體（tǐ）表麵的形貌差（chà）別，直觀上就會看到其光潔度有（yǒu）所不同。因此，可（kě）以通（tōng）過肉眼觀（guān）察到軸（zhóu）承內部的滾道以及滾動（dòng）體曾經經受過負荷的區域。這些區域就是所謂的負（fù）荷痕跡，或者叫負荷軌跡。換言之（zhī），有（yǒu）負荷軌跡的地方就有（yǒu）負荷力的承載（zǎi），反之亦然。
以使用兩個深溝球軸承的臥式電（diàn）機為例，在無外界負荷的情況下，兩個深溝球軸承承受來自轉（zhuǎn）子重力（lì）的（de）徑向負荷。其（qí）負荷情況如圖1所示。
圖1 深溝球軸承負荷區
圖1中，軸承下半部分（fèn）150°左（zuǒ）右的範圍內是軸承的負荷區，而其（qí）他（tā）部（bù）分是軸承的非（fēi）負荷（hé）區。在這類電機的軸承中，通常外圈固定，內圈（quān）旋轉，這（zhè）就使（shǐ）得（dé）軸承的外圈僅在負荷區有負荷（hé）軌（guǐ）跡，而內圈整（zhěng）圈都有負荷軌跡（jì）。從（cóng）以上分（fèn）析可知，正常（cháng）的電機中深溝（gōu）球軸承的負荷軌跡（jì）見圖2。此類電機如果（guǒ）立式安（ān）裝，那麽定（dìng）位端（duān）的深溝球軸承將承受所有的軸向負荷。其負（fù）荷軌跡見圖3。
圖2 正（zhèng）常深溝球軸承受徑向負荷時的負荷軌跡
圖3 正常深溝球軸承受軸向負荷的負（fù）荷軌跡
這（zhè）裏，不論外圈還是內圈，都沿整個圓（yuán）周承受軸向負（fù）荷，從而在整個滾道表麵產（chǎn）生負荷軌（guǐ）跡。
還有一種軸向負荷和徑向負荷一起承受的情況（一般稱之為複合負荷），其負荷軌（guǐ）跡見圖4。
圖（tú）4 正（zhèng）常深（shēn）溝球軸承承受複合負（fù）荷的負（fù）荷（hé）軌跡
圖4所示（shì）情況是圖2、圖3兩種情況的（de）合成，因此不贅述。
以上（shàng）三種負荷軌跡，都是深溝球軸承承受正常負荷時的軌（guǐ）跡。即使軸承運行沒有問題，如果（guǒ）拆開軸承也可能看到圖2～4所示的（de）三種軌跡。
如果一個軸承的負荷軌（guǐ）跡與正常情況不（bú）同，那就應該引起分析人員的注意，查找負荷來源（yuán）。如果這種負荷不是此類軸承（chéng）可以承受的，則軸（zhóu）承（chéng）很快就（jiù）會（huì）失效（xiào）。
1.1 軸承承受偏心負荷
一般的軸承（調心軸承除（chú）外）都是用來承載軸向負（fù）荷（hé）和徑向負荷的，其承載偏心負荷的能力十分有限。如（rú）果有偏心負荷施加在這些軸承上，將（jiāng）會造成軸承內部（bù）負荷分（fèn）布的不合理，從而（ér）急劇降低軸承壽命，產生發熱等狀（zhuàng）況。承受（shòu）偏心負荷（hé）的負荷軌跡如圖5所示。
圖5 承（chéng）受偏心負荷的深溝球軸承負荷軌跡
如果發現圖5所示的負荷軌（guǐ）跡，應該立即查找軸承（chéng）室與電機端蓋止口的同心度，軸承室與基座的同軸度，以及兩（liǎng）端端蓋安裝好之後的軸承室相對同軸（zhóu）度。如果電機與其所帶負荷出現（xiàn）不（bú）對中，也會在軸承上出現這（zhè）樣的負荷軌跡。
1.2 軸承室形位公差超差
軸承室的形位公差超差將影響軸承內部負荷的分布（bù），從而造成異常的負（fù）荷痕跡，如圖6所示。
圖6 軸（zhóu）承室橢圓（yuán）造成（chéng）的軸承異常負荷痕跡（jì）
圖6中的負荷痕跡（jì）表明（míng）軸承室可能圓度超差，從而造成非負荷區的球同樣（yàng）承受到負荷，這樣軸承內部經過運行，會出（chū）現發熱和噪聲。如果拆卸軸承發現圖6的負荷軌（guǐ）跡，就需要對軸承室的圓度進行調整。但圖6僅僅是形位公差圓度超差的情況。還（hái）有諸如圓柱度超（chāo）差（chà）的情況，它也可以從負荷（hé）軌跡中看到。
至於如何檢查軸承室的形位公差，將在後續關於安裝拆卸的（de）文章中給於介紹（shào），這（zhè）裏不再（zài）重複。
1.3 軸承剩餘遊隙過小（xiǎo）
一般而言，正常的深溝（gōu）球軸承在（zài）運行時總會有一定的（de）剩（shèng）餘遊隙，這些剩餘遊隙將分布在非負荷（hé）區。文獻[1]中給（gěi）出了剩餘遊隙對滾動軸承壽命影響的曲（qǔ）線。當（dāng）剩餘（yú）遊隙過小時，軸承會非常容易被卡死（sǐ），從而提早失效。這些失效軸承燒毀之前的表現就是噪聲和發熱，而軸承滾道表麵的負荷軌跡如圖7所示（shì）。
圖7 剩餘遊（yóu）隙過小的（de）深溝（gōu）球軸承負荷軌跡
造成軸承剩餘遊隙過小的因（yīn）素（sù）可能包括（kuò）：內圈配合過緊，內（nèi）外圈溫度差過大等。應及時進行調節改善。
2 ISO軸（zhóu）承失效分類
ISO15243中對軸承的（de）失效形式作了大致（zhì）的分類，這（zhè）些分類（lèi）涵蓋了大多數軸承失效的形式，對（duì）軸承失效分析（xī）工作具有非常重要的指導意義。具體分類大致如圖8所示。
圖8 軸（zhóu）承失（shī）效具體分類
在該分類中（zhōng），將軸承失效分為六類。每一類中都有明確的定義和圖譜可以（yǐ）進行（háng）參（cān）照（zhào）。需要指出的是，該（gāi）分類雖然（rán）很大程度地涵蓋了軸承失效的諸多情況，但仍然有些失效不在這六大分類（lèi）之中（zhōng），但由於其典型性不足，因此沒有進行分類。
在（zài）實際工作中，軸承的失效經常是幾種情況同時發生，或者間隔很近地相繼發生（shēng）。因此工程師（shī）們麵對的軸承往往是幾（jǐ）種失效痕跡摻雜在一起的情況。這裏需要一定的經驗積累進行辨別，從而尋出Z初的失效原因。
將失效的（de）軸承依據ISO標準進行分類，是失效分析的重要步驟，但更（gèng）重要的工作是（shì）找出導致出現（xiàn）這種失效的原因。雖然（rán）標準中對每一類失效的可能原因都作了一些（xiē）概括，但工程師們必（bì）須根據（jù）具體的工況作進一步的檢查，從而確認。
本文不一一列舉六（liù）大（dà）類（lèi）軸承失效的具體描述（shù）和圖譜，如有需要可參閱相應標準。下（xià）文將依據工業電機的應用特點，選取分析一些典型的軸承失效事例。
3 工（gōng）業電機中常見的典型軸承失（shī）效及其分析
3.1 軸承的表麵疲勞
軸承的表麵疲勞是指從滾動體和（hé）滾道接觸（chù）表麵開始發展的金屬表（biǎo）麵疲勞痕跡（jì）。出現（xiàn）這種疲勞的原因是由於受載的金屬表麵具有較大的剪應力。如果潤滑施加得當，此剪應（yīng）力將小於金屬表麵下的Z大剪應（yīng）力。而潤滑得（dé）當的正常軸承，經過一段時間運行達到了軸承的疲勞壽（shòu）命，會（huì）出現正常的表麵下疲（pí）勞，軸承失效。但是，如果初始疲勞（láo）發生在金屬表（biǎo）麵，而不是表麵下，軸（zhóu）承（chéng）就可能（néng）達不到其疲勞壽命而出現提前失效。表麵疲勞是值得關注的（de）典型軸承失效形式。圖9所示是一個軸承表麵疲勞的例（lì）子。
圖9 深溝球軸承表麵磨損內圈
從圖9可見到，負荷軌（guǐ）跡內部軸承（chéng）內圈表麵出（chū）現類似於拋光光亮的形（xíng）貌，而在這個區域內出現從表麵自上而下的疲勞痕跡。由此可以判斷，這是一個典型（xíng）的表麵疲勞的軸承。
如前所述，在（zài）正常潤滑的情況下，金屬表麵剪應力應該不會讓軸承出現提早的表麵疲勞。因此判斷，潤滑的問題是導致這個軸承（chéng）出現表麵疲勞的可能原因。
在實際工作中，與上述類似的軸承失效在電機（jī）中經常出現（xiàn）。出現這個失效的根本原因不在於軸承，因此無論更換（huàn）多少軸承，隻要潤滑狀況得不到（dào）改善，軸承的表麵疲勞依然會出現。如果發現了這種類型的軸承提早失效，建議工程師們重新校（xiào）核潤滑劑的選擇（zé），潤滑劑的添加量（liàng），再潤滑時間間隔，及再潤滑量等（děng）（後續（xù）文章中（zhōng）將（jiāng）具體闡述關於軸承潤滑的（de）情況）。
3.2 軸承磨損
軸承（chéng）的磨損分為兩類（lèi），一類是磨料磨損，另一類是（shì）粘著磨損。這（zhè）兩類磨損的誘發原因不同，但都是電機軸承經常遇到的（de）問題（tí）。
3.2.1 磨料磨損
磨料磨損是由（yóu）於滾動體和（hé）滾道（dào）之（zhī）間由於某種雜質的（de）存在並充當了磨料的角色，而在滾道和滾動體之間出現的磨損。其特征就（jiù）是滾動體或者滾道材質的消損。這類磨損的原因多半（bàn）是由於汙染雜質等進入潤滑劑而造成潤滑不（bú）良。圖10就是典型的磨料（liào）磨損軸承。
圖10所示的是一個（gè）球麵滾子軸承的內圈出現磨料磨損的情形。事實上，磨料磨損不僅發生在滾道表麵，保持架也經常會受到磨料磨（mó）損的影響。在（zài）工業電機經常使用的保持架為內圈或者外圈引導的圓柱滾子軸承中，若是（shì）使用潤滑（huá）脂潤滑，當轉速（sù）超過一定（dìng）範圍時，保持架的外沿（或者內沿）就（jiù）會和軸承圈發生摩擦，此時潤滑脂非常難以進入而不易形成有效潤滑，這就會（huì）出（chū）現所謂磨（mó）銅粉的現象（xiàng）。這種情況下，如果（guǒ）使用（yòng）稠度較稀的潤滑脂並且縮短再潤滑時間間隔會使軸承運行狀態有所改善。
一般，出現磨料磨損時通常軸承會表現（xiàn）出發（fā）熱等現（xiàn）象，此時應該檢查（chá）軸承潤滑劑的（de）清潔度，密封件（jiàn）的完好程度，同時應注意安裝軸承時（shí）對環境清潔度的要求。被磨（mó）損的軸承不可以重複使用。
3.2.2 粘著磨損
第二種電機軸承中經常發生（shēng）的（de）磨損是（shì）粘（zhān）著磨損。粘著磨損與（yǔ）磨料磨損不（bú）同，多數伴隨著金屬材料的轉移，比如從滾動體到滾（gǔn）道或者（zhě）相反。圖11所示是一個粘著磨損的軸承（chéng）。
圖11 粘著磨損軸承（chéng）
在電機中（zhōng）發生軸承內部粘著磨損的情況有很多種，尤其是在頻繁起動的電機（jī）中，電（diàn）機的頻繁起停（或往複旋轉）大大增（zēng）加了滾動體與滾道之間起（qǐ）動時的滑動摩擦，從而（ér）非常容易出現粘著磨（mó）損。針對這種情況的粘著磨損，可通過改善潤（rùn）滑劑（如對於往複運轉的電機潤滑脂添加極壓添加劑（jì））等方（fāng）法（fǎ）來（lái）減小起動停車時軸承內部的滑動摩擦。
此外（wài），如果電機內軸承所承（chéng）受的負荷（hé）小於軸承運行（háng）所（suǒ）需要的Z小負（fù）荷，那麽滾動體與滾（gǔn）道之間就不能形成（chéng）有效的滾動摩擦，此（cǐ）時也（yě）容易出現粘著磨損。軸承的Z小負荷（hé）與潤滑脂的稠度相關。在冬天，溫度很低時潤滑脂的稠度會增大，此時軸承所需要（yào）的Z小負荷也會增大，若實際負荷沒有達（dá）到這個Z小值，就會導（dǎo）致粘著磨損的發生。這種情況（kuàng）在風力發電（diàn）廠時（shí）有（yǒu）發（fā）生。
3.3 摩擦腐蝕
軸承的腐蝕包（bāo）括潮濕腐蝕和摩擦腐蝕。潮濕腐蝕多數與環境相關，此處不展開。在電機使用（yòng）中，軸承摩擦腐蝕更加隱蔽，也是經常（cháng）發生（shēng）的（de）一種軸（zhóu）承失（shī）效。
軸承的摩（mó）擦腐蝕分為微動腐蝕和偽布什（shí）壓痕兩種。
3.3.1 微動腐蝕
微動（dòng）腐蝕是（shì）指兩個金（jīn）屬配合麵發生微觀蠕動，微動表麵出現金屬氧化進（jìn）而（ér）有粉末狀鏽蝕發生的情況。在一般的（de）工業電機中，出現在外（wài）圈（quān）和軸承室的配合麵上，或者內（nèi）圈和軸的配合麵上。通常的軸承輕微跑（pǎo）圈指的就是（shì）外圈的微動腐蝕的一種。微動腐蝕會造成軸（zhóu）承內部滾（gǔn）動體運行（háng）狀態的（de）改變而發生發熱的現象，嚴重（chóng）的（de）甚至可以出現軸（zhóu）承圈（quān）斷（duàn）裂。圖12所示為微動腐蝕的軸承內圈。
圖12 軸承內圈微（wēi）動腐蝕
發生軸承（chéng）圈的微動腐（fǔ）蝕，應（yīng）該檢查（chá）軸與軸承內圈的（de）公差配合，以保證轉動圈與其配合麵有足夠的過盈。但是對於一般電機而言，軸承的外圈與軸承室通常是（shì）鬆配合，這樣如果要避免外圈發生微動腐蝕，就需（xū）要采取添加（jiā）“O”型環的措施（shī）。
3.3.2 偽布什壓痕（hén）
當（dāng）電機靜止不轉時，軸（zhóu）承內（nèi）負荷區（qū）的滾動體與（yǔ）滾道承受負載（zǎi）。此時，如果電機處於振動環（huán）境，那麽負荷區（qū）內部的滾動體（tǐ）就與滾道發生微小的往複蠕動（dòng）（微動），經過一段（duàn）時間後就會在滾道上形成類似於鏽跡的縱向凹痕。這與軸承靜止（zhǐ）時滾道受到巨大徑向負荷而產生的布氏壓痕有些類（lèi）似，但其形成的實際機理卻是一種腐蝕，因此叫做偽（wěi）布什壓痕（圖（tú）13）。
圖13 偽布什壓痕
有些電機廠（chǎng）曾經遇到過這樣的情況，電機出廠檢驗時噪聲性能（néng）完好，但是當（dāng）電機運抵客戶處並開始運行時，噪聲（shēng）超標（biāo），同時經檢查其他各部分均無問題。這種情況（kuàng）下就（jiù）應該考慮偽布什壓痕的可能（néng）。因為（wéi）電機出廠後在運（yùn）輸過程中會遇到顛簸，對於（yú）電（diàn）機軸（zhóu）承而言相當於（yú）靜止電機處於振動的（de）場合，軸承滾（gǔn）動體在滾道內部（bù）不斷蠕動，極有可能形成偽布什壓痕。此時檢查軸承（chéng），若發現等滾子間距的縱向痕跡（類似於圖13），就可以懷疑偽布什壓痕的發生。若出廠時噪聲無異常，滾道沒有安裝拉傷（shāng），則可以確認為偽布什壓痕。
解（jiě）決這一問題的辦法（fǎ）就是改善電（diàn）機的包（bāo）裝，具體方（fāng）法在文獻（xiàn）[1]中已有闡述，此處不再重複。
3.4 軸承的電腐蝕
軸承（chéng）電腐蝕的機理和失效特征在文獻[2]中有（yǒu）詳細的介紹。請參閱。
3.5 軸承的塑性（xìng）變形
軸承的塑性變形包括（kuò）三類：軸承過載（zǎi）、雜質造成的（de）壓痕以及安裝過程中產生的塑性變形。
3.5.1 軸承過載（zǎi）
軸承承受過大（dà）靜載荷時，滾動體或者滾道會發生塑性變形，圖14就是一（yī）例（lì）。
圖14 軸承過載
從前麵介紹的負荷軌跡的知識可以推斷出，圖14所示軸承承受了非（fēi）常大的軸（zhóu）向負荷，導致塑性變形。
3.5.2 雜質（zhì）造成的壓痕（hén）
如果（guǒ）軸承內部的潤滑劑被雜質（zhì）汙染，那麽（me）汙染顆粒會在滾動（dòng）體滾道（dào）表麵造成微小的壓痕，從而破壞滾道或者滾動體的表麵形貌，產生（shēng）發熱或者噪聲。人們曾經錯誤地認為由於鋼的硬度（dù）比較大，一些小的汙染不會產（chǎn）生影響，事實上（shàng）那些貌似柔軟的小汙（wū）染雜質依然會在微觀上（shàng）改（gǎi）變滾道表麵的（de）光潔度，破壞（huài）潤滑，造成發熱。圖15是（shì）一個比較（jiào）好的例子，這其（qí）中的汙染是一個（gè）棉纖（xiān）維。由於這樣的汙染和壓痕，造成了軸承溫（wēn）度過高而損壞。
圖（tú）15 雜質造成的壓痕
圖15的情況比較特殊，事（shì）實（shí）上（shàng）在電機廠更多的是固體汙染顆粒的雜質。這些雜質（zhì）對滾道的破壞痕跡有的可以直接用肉（ròu）眼辨識，有的則需要（yào）借助顯微鏡才能發現。要減少由於（yú）雜質給軸（zhóu）承帶來的壓痕損（sǔn）壞，就需要格外注意軸承的安裝使（shǐ）用過程中的清潔度，保證軸承具有合（hé）理的密封保護等。
3.5.3 安裝過程產生的塑性變形
軸承安裝過程中（zhōng）不能用鋼錘等直接敲擊，同時軸承的安（ān）裝力不可以通過滾動體傳（chuán）遞，否則會出現塑性變形，破壞軸承（chéng）。這種損傷主要表現在軸承零部（bù）件的形狀改變上，因此各個不同工況下的失效痕跡（jì）各有（yǒu）不同（tóng），需具體情況（kuàng）具體（tǐ）分（fèn）析。
4 結語（yǔ）
本文首先介紹了軸承失效分析的基本常（cháng）識，並且介紹（shào）了負荷痕（hén）跡（jì）分（fèn）析的基本原理，並列舉了幾種常見的負荷軌跡形（xíng）式；之（zhī）後依照ISO15243的分類，選取了工（gōng）業（yè）電機用戶經常出現的滾動軸承失效（xiào）類型（xíng），進行了詳細的剖析，並提出可能的失效原因及改善措施。
需要注意（yì）的是，軸承失效的（de）情況千差萬別，本文隻能提取其中一些較有代表（biǎo）性的案例進（jìn）行分析、歸類，日常工作中更多的分析判斷需要依照經驗的積累。具備了（le）足夠（gòu）的軸承應用知識，並了解基本（běn）軸承失效分類，將對軸承失效分析的準確性大有裨益。
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