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啤嶺機電設備（上海）有限公司
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工業電機中的滾動軸承失效分析

2013-10-16

王勇
【斯凱孚（中國）銷售有限公司，上海　200001）
　　摘　要：在工業電機運行過程中，軸承的失效占整個電機故障的比率非常高。作為承載和轉動的零部件，軸承成為很多故障的表現點，非常容易受到損傷。對工業電機中滾動軸承的失效分析進行了分類介紹，并提出了相應的失效原因及改進措施。
　　關鍵詞：滾動軸承；失效；工業電機
　　0　引言
　　在工業電機運行中經常會出現軸承發熱、噪聲等故障，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，也就不能徹底解決問題。因此，為避免盲目更換軸承而造成浪費，當軸承出現問題時，應針對問題進行科學地分析，同時排除造成軸承失效的因素，從而達到根本性維修的目的。
　　對軸承進行失效分析是一個要求很高的任務。分析者不僅需要對軸承有深入全面的了解，同時需要了解電機的整體結構，電機驅動系統的負載情況、機械結構，環境（包括溫度，污染情況等）等。軸承失效分析也有一些相應的規律可循，本文將就軸承失效問題，依照ISO15243: 2004的分類框架進行針對性的介紹；同時針對電機自身的加工制造和使用情況提出可能的根本原因及解決方案。但是，對軸承作失效分析都是由果推因，帶有一定的不確定性，而失效的軸承又往往是多重失效摻雜在一起，給分析工作帶來很大難度。尤其是當一個軸承已經完全燒毀時，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。這一點對軸承的失效分析至關重要。
　　1　負荷痕跡分析
　　電機的機械結構自身是一個系統，而該系統又與外界系統相聯系。軸承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系統的情況，從而判斷軸承是否運行于合理的工況。這是軸承失效分析的步，也是至關重要的一步，有時，僅通過這一步的分析，就可以找到失效的根本原因。
　　判斷軸承是否運行于合理的工況，可以通過了解整個系統的工況而得到一些信息，而更加直接的信息，可以從軸承內部的負荷痕跡中得到。一般情況下，嶄新的軸承滾道和滾動體表面都具有一定粗糙度的金屬加工表面。當軸承被安裝在電機中承受負荷并運轉時，滾道和滾動體表面的部分區域會承載。軸承經過一段時間的運行，這些承載區域的金屬表面形貌將發生變化，從而形成與非負荷部分的滾道和滾動體表面的形貌差別，直觀上就會看到其光潔度有所不同。因此，可以通過肉眼觀察到軸承內部的滾道以及滾動體曾經經受過負荷的區域。這些區域就是所謂的負荷痕跡，或者叫負荷軌跡。換言之，有負荷軌跡的地方就有負荷力的承載，反之亦然。
　　以使用兩個深溝球軸承的臥式電機為例，在無外界負荷的情況下，兩個深溝球軸承承受來自轉子重力的徑向負荷。其負荷情況如圖1所示。

圖1　深溝球軸承負荷區
　　圖1中，軸承下半部分150°左右的范圍內是軸承的負荷區，而其他部分是軸承的非負荷區。在這類電機的軸承中，通常外圈固定，內圈旋轉，這就使得軸承的外圈僅在負荷區有負荷軌跡，而內圈整圈都有負荷軌跡。從以上分析可知，正常的電機中深溝球軸承的負荷軌跡見圖2。此類電機如果立式安裝，那么定位端的深溝球軸承將承受所有的軸向負荷。其負荷軌跡見圖3。

圖2　正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荷軌跡
　　這里，不論外圈還是內圈，都沿整個圓周承受軸向負荷，從而在整個滾道表面產生負荷軌跡。
　　還有一種軸向負荷和徑向負荷一起承受的情況（一般稱之為復合負荷），其負荷軌跡見圖4。

圖4　正常深溝球軸承承受復合負荷的負荷軌跡
　　圖4所示情況是圖2、圖3兩種情況的合成，因此不贅述。
　　以上三種負荷軌跡，都是深溝球軸承承受正常負荷時的軌跡。即使軸承運行沒有問題，如果拆開軸承也可能看到圖2～4所示的三種軌跡。
　　如果一個軸承的負荷軌跡與正常情況不同，那就應該引起分析人員的注意，查找負荷來源。如果這種負荷不是此類軸承可以承受的，則軸承很快就會失效。
　　1.1 軸承承受偏心負荷
　　一般的軸承（調心軸承除外）都是用來承載軸向負荷和徑向負荷的，其承載偏心負荷的能力十分有限。如果有偏心負荷施加在這些軸承上，將會造成軸承內部負荷分布的不合理，從而急劇降低軸承壽命，產生發熱等狀況。承受偏心負荷的負荷軌跡如圖5所示。

圖5　承受偏心負荷的深溝球軸承負荷軌跡
　　如果發現圖5所示的負荷軌跡，應該立即查找軸承室與電機端蓋止口的同心度，軸承室與基座的同軸度，以及兩端端蓋安裝好之后的軸承室相對同軸度。如果電機與其所帶負荷出現不對中，也會在軸承上出現這樣的負荷軌跡。
　　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，從而造成異常的負荷痕跡，如圖6所示。

圖6　軸承室橢圓造成的軸承異常負荷痕跡
　　圖6中的負荷痕跡表明軸承室可能圓度超差，從而造成非負荷區的球同樣承受到負荷，這樣軸承內部經過運行，會出現發熱和噪聲。如果拆卸軸承發現圖6的負荷軌跡，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。還有諸如圓柱度超差的情況，它也可以從負荷軌跡中看到。
　　至于如何檢查軸承室的形位公差，將在后續關于安裝拆卸的文章中給于介紹，這里不再重復。
　　1.3 軸承剩余游隙過小
　　一般而言，正常的深溝球軸承在運行時總會有一定的剩余游隙，這些剩余游隙將分布在非負荷區。文獻[1]中給出了剩余游隙對滾動軸承壽命影響的曲線。當剩余游隙過小時，軸承會非常容易被卡死，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，而軸承滾道表面的負荷軌跡如圖7所示。

圖7　剩余游隙過小的深溝球軸承負荷軌跡
　　造成軸承剩余游隙過小的因素可能包括：內圈配合過緊，內外圈溫度差過大等。應及時進行調節改善。
　　2　ISO軸承失效分類
　　ISO15243中對軸承的失效形式作了大致的分類，這些分類涵蓋了大多數軸承失效的形式，對軸承失效分析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　軸承失效具體分類
　　在該分類中，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進行參照。需要指出的是，該分類雖然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之中，但由于其典型性不足，因此沒有進行分類。
　　在實際工作中，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。因此工程師們面對的軸承往往是幾種失效痕跡摻雜在一起的情況。這里需要一定的經驗積累進行辨別，從而尋出Z初的失效原因。
　　將失效的軸承依據ISO標準進行分類，是失效分析的重要步驟，但更重要的工作是找出導致出現這種失效的原因。雖然標準中對每一類失效的可能原因都作了一些概括，但工程師們必須根據具體的工況作進一步的檢查，從而確認。
　　本文不一一列舉六大類軸承失效的具體描述和圖譜，如有需要可參閱相應標準。下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　工業電機中常見的典型軸承失效及其分析
　　3.1 軸承的表面疲勞
　　軸承的表面疲勞是指從滾動體和滾道接觸表面開始發展的金屬表面疲勞痕跡。出現這種疲勞的原因是由于受載的金屬表面具有較大的剪應力。如果潤滑施加得當，此剪應力將小于金屬表面下的Z大剪應力。而潤滑得當的正常軸承，經過一段時間運行達到了軸承的疲勞壽命，會出現正常的表面下疲勞，軸承失效。但是，如果初始疲勞發生在金屬表面，而不是表面下，軸承就可能達不到其疲勞壽命而出現提前失效。表面疲勞是值得關注的典型軸承失效形式。圖9所示是一個軸承表面疲勞的例子。

圖9　深溝球軸承表面磨損內圈
　　從圖9可見到，負荷軌跡內部軸承內圈表面出現類似于拋光光亮的形貌，而在這個區域內出現從表面自上而下的疲勞痕跡。由此可以判斷，這是一個典型的表面疲勞的軸承。
　　如前所述，在正常潤滑的情況下，金屬表面剪應力應該不會讓軸承出現提早的表面疲勞。因此判斷，潤滑的問題是導致這個軸承出現表面疲勞的可能原因。
　　在實際工作中，與上述類似的軸承失效在電機中經常出現。出現這個失效的根本原因不在于軸承，因此無論更換多少軸承，只要潤滑狀況得不到改善，軸承的表面疲勞依然會出現。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核潤滑劑的選擇，潤滑劑的添加量，再潤滑時間間隔，及再潤滑量等（后續文章中將具體闡述關于軸承潤滑的情況）。
　　3.2 軸承磨損
　　軸承的磨損分為兩類，一類是磨料磨損，另一類是粘著磨損。這兩類磨損的誘發原因不同，但都是電機軸承經常遇到的問題。
　　3.2.1 磨料磨損
　　磨料磨損是由于滾動體和滾道之間由于某種雜質的存在并充當了磨料的角色，而在滾道和滾動體之間出現的磨損。其特征就是滾動體或者滾道材質的消損。這類磨損的原因多半是由于污染雜質等進入潤滑劑而造成潤滑不良。圖10就是典型的磨料磨損軸承。
　　圖10所示的是一個球面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面，保持架也經常會受到磨料磨損的影響。在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，若是使用潤滑脂潤滑，當轉速超過一定范圍時，保持架的外沿（或者內沿）就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，這就會出現所謂磨銅粉的現象。這種情況下，如果使用稠度較稀的潤滑脂并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出發熱等現象，此時應該檢查軸承潤滑劑的清潔度，密封件的完好程度，同時應注意安裝軸承時對環境清潔度的要求。被磨損的軸承不可以重復使用。
　　3.2.2 粘著磨損
　　第二種電機軸承中經常發生的磨損是粘著磨損。粘著磨損與磨料磨損不同，多數伴隨著金屬材料的轉移，比如從滾動體到滾道或者相反。圖11所示是一個粘著磨損的軸承。

圖11　粘著磨損軸承
　　在電機中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中，電機的頻繁起停（或往復旋轉）大大增加了滾動體與滾道之間起動時的滑動摩擦，從而非常容易出現粘著磨損。針對這種情況的粘著磨損，可通過改善潤滑劑（如對于往復運轉的電機潤滑脂添加極壓添加劑）等方法來減小起動停車時軸承內部的滑動摩擦。
　　此外，如果電機內軸承所承受的負荷小于軸承運行所需要的Z小負荷，那么滾動體與滾道之間就不能形成有效的滾動摩擦，此時也容易出現粘著磨損。軸承的Z小負荷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，此時軸承所需要的Z小負荷也會增大，若實際負荷沒有達到這個Z小值，就會導致粘著磨損的發生。這種情況在風力發電廠時有發生。
　　3.3 摩擦腐蝕
　　軸承的腐蝕包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。在電機使用中，軸承摩擦腐蝕更加隱蔽，也是經常發生的一種軸承失效。
　　軸承的摩擦腐蝕分為微動腐蝕和偽布什壓痕兩種。
　　3.3.1 微動腐蝕
　　微動腐蝕是指兩個金屬配合面發生微觀蠕動，微動表面出現金屬氧化進而有粉末狀銹蝕發生的情況。在一般的工業電機中，出現在外圈和軸承室的配合面上，或者內圈和軸的配合面上。通常的軸承輕微跑圈指的就是外圈的微動腐蝕的一種。微動腐蝕會造成軸承內部滾動體運行狀態的改變而發生發熱的現象，嚴重的甚至可以出現軸承圈斷裂。圖12所示為微動腐蝕的軸承內圈。

圖12　軸承內圈微動腐蝕
　　發生軸承圈的微動腐蝕，應該檢查軸與軸承內圈的公差配合，以保證轉動圈與其配合面有足夠的過盈。但是對于一般電機而言，軸承的外圈與軸承室通常是松配合，這樣如果要避免外圈發生微動腐蝕，就需要采取添加“O”型環的措施。
　　3.3.2 偽布什壓痕
　　當電機靜止不轉時，軸承內負荷區的滾動體與滾道承受負載。此時，如果電機處于振動環境，那么負荷區內部的滾動體就與滾道發生微小的往復蠕動（微動），經過一段時間后就會在滾道上形成類似于銹跡的縱向凹痕。這與軸承靜止時滾道受到巨大徑向負荷而產生的布氏壓痕有些類似，但其形成的實際機理卻是一種腐蝕，因此叫做偽布什壓痕（圖13）。

圖13　偽布什壓痕
　　有些電機廠曾經遇到過這樣的情況，電機出廠檢驗時噪聲性能完好，但是當電機運抵客戶處并開始運行時，噪聲超標，同時經檢查其他各部分均無問題。這種情況下就應該考慮偽布什壓痕的可能。因為電機出廠后在運輸過程中會遇到顛簸，對于電機軸承而言相當于靜止電機處于振動的場合，軸承滾動體在滾道內部不斷蠕動，極有可能形成偽布什壓痕。此時檢查軸承，若發現等滾子間距的縱向痕跡（類似于圖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，則可以確認為偽布什壓痕。
　　解決這一問題的辦法就是改善電機的包裝，具體方法在文獻[1]中已有闡述，此處不再重復。
　　3.4 軸承的電腐蝕
　　軸承電腐蝕的機理和失效特征在文獻[2]中有詳細的介紹。請參閱。
　　3.5 軸承的塑性變形
　　軸承的塑性變形包括三類：軸承過載、雜質造成的壓痕以及安裝過程中產生的塑性變形。
　　3.5.1 軸承過載
　　軸承承受過大靜載荷時，滾動體或者滾道會發生塑性變形，圖14就是一例。

圖14　軸承過載
　　從前面介紹的負荷軌跡的知識可以推斷出，圖14所示軸承承受了非常大的軸向負荷，導致塑性變形。
　　3.5.2 雜質造成的壓痕
　　如果軸承內部的潤滑劑被雜質污染，那么污染顆粒會在滾動體滾道表面造成微小的壓痕，從而破壞滾道或者滾動體的表面形貌，產生發熱或者噪聲。人們曾經錯誤地認為由于鋼的硬度比較大，一些小的污染不會產生影響，事實上那些貌似柔軟的小污染雜質依然會在微觀上改變滾道表面的光潔度，破壞潤滑，造成發熱。圖15是一個比較好的例子，這其中的污染是一個棉纖維。由于這樣的污染和壓痕，造成了軸承溫度過高而損壞。

圖15　雜質造成的壓痕
　　圖15的情況比較特殊，事實上在電機廠更多的是固體污染顆粒的雜質。這些雜質對滾道的破壞痕跡有的可以直接用肉眼辨識，有的則需要借助顯微鏡才能發現。要減少由于雜質給軸承帶來的壓痕損壞，就需要格外注意軸承的安裝使用過程中的清潔度，保證軸承具有合理的密封保護等。
　　3.5.3 安裝過程產生的塑性變形
　　軸承安裝過程中不能用鋼錘等直接敲擊，同時軸承的安裝力不可以通過滾動體傳遞，否則會出現塑性變形，破壞軸承。這種損傷主要表現在軸承零部件的形狀改變上，因此各個不同工況下的失效痕跡各有不同，需具體情況具體分析。
　　4　結語
　　本文首先介紹了軸承失效分析的基本常識，并且介紹了負荷痕跡分析的基本原理，并列舉了幾種常見的負荷軌跡形式；之后依照ISO15243的分類，選取了工業電機用戶經常出現的滾動軸承失效類型，進行了詳細的剖析，并提出可能的失效原因及改善措施。
　　需要注意的是，軸承失效的情況千差萬別，本文只能提取其中一些較有代表性的案例進行分析、歸類，日常工作中更多的分析判斷需要依照經驗的積累。具備了足夠的軸承應用知識，并了解基本軸承失效分類，將對軸承失效分析的準確性大有裨益。
　　【參考文獻】
　　[1]王勇.工業電機中的滾動軸承噪聲[J].電機與控制應用,2008 (6):38241.
　　[2]Zika Thomas,Buschbeck Frank,Preisinger Gerwin,等.風力發電機中軸承的過電流問題[J].王勇,趙明譯.電機與控制應用,2008(9) :15219.
　　[3]斯凱孚(中國)銷售有限公司.SKF軸承綜合型錄[G].2004.
　　[4]斯凱孚(中國)銷售有限公司.SKF軸承保養手冊[G].2007.
來源：《電機與控制應用》2009，36， (9)