滚动轴承失效影响因素与影响机制

王晓青，夏水华

（黄石理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003）

1 引言

旋转机械多用滚动轴承，轴承失效轻要停机维修，重则造成机器损毁甚至重大事故。轴承失效后简单地更换并不能排除再次失效的风险，需要分析失效成因并加以改进。就个体看，轴承失效原因千差万别，但失效样本数较多时，就能发现实际存在的轴承失效影响因素集。寻求全集的意义在于建立轴承生命期质量概念，通过遍历全集中的元素，达到主动改善轴承生命质量的目的，防止同因复现导致轴承失效。

实际上，每套轴承的失效过程都是一个“试验”，其数据在实验室中难得，弃之可惜。如果仅止于获得某个一定的试验环境对应的试验结果，遇到新的使用环境，很难有100%相符的先例可循，而忽略那些固定试验条件之外的影响因素，又要承担不可预知的风险。考察所有这些“试验”样本，就能获得可为更一般条件下利用的影响因素集。

为了建立轴承失效影响因素集，调查和分析了来自不同机械的大量失效轴承信息，发现了不同生命期阶段影响失效因素。失效轴承样本来自汽车、摩托车、船舶、飞机、发动机、电动机、轧钢机、压缩机、风机水泵、工程机械、机车车辆、港口装载、石油与矿山机械等多种设备，轴承服役环境和受载类型具有一定代表性。

2 轴承失效影响因素按阶段分类及相关性分析

轴承生命期按时序可分为设计、制造、使用与维护、失效等几个阶段。为防早期失效，需要了解轴承生命期哪些因素影响其失效，有单一因素所致，也有一个或多个阶段多因素所致。对导致116套轴承早期失效的因素统计分析见表1。

表1 轴承失效影响因素按生命期阶段分类及影响项次分析

对表1中数据进行处理得表2。由表2可看出，53.4%的轴承失效与使用相关。

表1 常见轴承型号的脱模角 （°）

表2 轴承失效与设计、制造、使用阶段和材料的相关性分析

轴承是机器的重要部件，轴承失效影响机器运转，轴承失效也受机器影响，所以这里把轴承设计和机器设计、轴承制造和机器制造作为一个整体考察。表3中的分类则是为了分别考察机器和轴承设计、制造对轴承失效的影响。

表3 以轴承、机器和材料为对象对轴承失效影响因素进行分类分析

从表3可以看出：轴承制造与机器制造对轴承失效的影响项次比为6：1，这表明，机器制造者要选择质量信誉好的轴承制造商；机器设计与轴承设计的影响项次比约为3：2，表明机器系统设计对轴承失效影响明显，而且轴承设计影响失效约占失效样本数的10%，足见机器与轴承协同设计的重要性。

设计选材和材料质量都对轴承失效产生影响。从失效样本看，材料质量约为材料选择影响项次的3倍，表明需要对轴承材料质量进行严格控制，对特殊用途轴承，更有必要将质量控制向材料供应甚至冶炼环节延伸。

3 生命期各阶段影响轴承失效的因素

3.1 设计阶段影响轴承失效的因素

以滚子轴承为例，失效轴承样本数据（表4）表明，设计阶段对轴承失效影响因素出现项次较多的分别是机器系统设计、轴承选材、保持架、托架、轴承座结构和轴承的原始径向游隙设计，前6项影响项次为34次，占总项次的82.9%。样本中轴承设计对自身失效影响因素有：选材、保持架、轴承游隙、滚子直径与长度、滚子与挡边之间间隙和端面表面粗糙度，其影响项次约占设计阶段影响总项次的40%。

表4 设计阶段对轴承失效影响因素及影响项次

3.1.1 机器系统设计对轴承失效的影响

3.1.1.1 载荷类型、大小和平衡

轴承失效样本分析表明，载荷类型、大小和平衡对轴承失效影响明显，轴系静动平衡设计（轴向推力、叶轮平衡）、高转速引起的惯性力、轧辊送进角、轴承间载荷分配不当、传动机构阻力过大等，都对轴承失效产生影响。

机器轴系零部件由于制造、安装误差或结构原因，造成轴系重心偏移或惯性矩不为零，工作时不可避免要对轴承产生附加动反力，转速越高，惯性载荷越大，附加轴向力也越大，对轴承寿命影响就越大，是造成高速转子轴承过早失效的主因之一。因此，在设计时，对高速转子除要考虑主动力引起静反力，还要考虑附加动反力的影响；在制造安装时，必须进行动平衡试验，保证轴系动平衡。

某无扭轧机锥箱轴承失效，检测和计算结果表明，失效是因轴承外圈在工作时承受了过大载荷，在很短时间就产生大面积大块状接触疲劳剥落，随后引起滚道雪崩似的大面积损伤。根据失效分析结果，调整了轴承安装间隙，进一步控制轧钢温度，尤其是钢温均匀性，有效地防止了异常载荷和交变疲劳载荷的产生，轴承寿命得到了恢复性提高。

3.1.1.2 轴承座与托架设计

某调心滚子轴承外圈油槽宽为5.5 mm，3油孔径为3 mm，而用于安装该轴承的轴承座内径上开有宽20 mm、深5 mm环形油槽，其中有14.5 mm宽度没有与轴承外圈接触，轴承座孔在孔平面及其剖面上变形均不均匀，降低了轴承承载能力。

要完全达到轴承承载能力，轴承内、外圈须沿全表面及全滚道宽度与支撑面紧密接触。轴承座必须达到足够的制造精度，并且表面无间断，即无沟、槽、孔。壁板中心、轴承座中心和轴承中心必须呈“三心一线”。

3.1.1.3 径向配合（间隙或过盈）与轴向游隙

机器在运转中会产生热量，如果润滑和冷却不良，轴承会随温度上升而膨胀。而当轴承游隙变小时，滚动体滚动受阻，又加剧温度升高，直至抱轴卡死。当抱轴力大于轴承内圈内径与轴颈表面之间的紧固力时，就会引起内径与轴颈表面的滑动，造成黏附磨损。

轴承与轴配合时过盈量不够，工作时会发生振蚀现象，引发轴承与轴之间产生相对滑动，摩擦产生高温，导致轴承内圈与轴之间出现焊合与撕裂，在接触面上就会有金属迁移现象，结果是材料较软的轴表面金属被迁移到轴承内圈内径表面上。高温还将使轴承内径表面局部加热，受热区内部组织和应力也会产生变化，继续运转就会发生龟裂和剥落，剥落碎屑又被辗入较软的轴接触表面，结果是不仅轴承而且轴也将损坏［1］。

3.1.2 轴承设计对轴承失效的影响

3.1.2.1 轴承材料选择

选择轴承材料时，除考虑强度、刚度及韧性等因素外，还要考虑对腐蚀、振动等特殊环境的适应性。对某轴承失效分析发现，GCr15钢钢球表面呈深灰色，且存在灰黑色丝状腐蚀特征，腐蚀区深入钢球基体数十微米。根据观察及能谱分析判定，钢球表面发生了典型的丝状腐蚀，主要原因是膜层表面存在微观孔隙或局部破损，水或腐蚀介质渗入膜下与金属基体形成微电池所致。

3.1.2.2 隔圈倒角设计

轴承零件倒角过小会引起应力集中和产生裂纹。但隔圈倒角太小造成润滑不足，对滚子端面疲劳剥落也有一定影响，却容易被忽视。

3.1.2.3 保持架

在设计保持架端面与滚子端面接触面时，内径及外径向端面斜切一角度，这样做的好处一是有利于润滑脂进入滚子支柱孔，改善支柱和滚子兜孔之间的摩擦；二是减少保持架和滚子端面接触面积，改善接触特性，从而可避免因过分摩擦引起的烧伤、胶结现象［2］。

用B275TZ等材料冲压制作保持架时，冲压过程中圆弧过渡处容易形成毛刺，当模具老化或凸、凹模间隙控制不良时容易形成较大的剪裂带和毛刺，保持架窗孔的圆角过渡处可能出现撕裂，形成内在质量隐患。用冲压方法加工保持架，必然形成表面拉应力，尤其是保持架小端窗梁根部圆角过渡处拉应力最大。当拉应力超过材料的塑性极限时会产生微裂纹，肉眼难以发现，轴承在使用过程中受到反复冲击、振动载荷作用使其窗梁或圈梁的微裂纹进一步扩展，最终导致保持架破坏和轴承失效。

3.1.2.4 原始径向游隙

某型拖拉机变速箱用轴承原始径向游隙为0.025～0.05 mm，而轴承在安装后，实际工作游隙已为零甚至负游隙，因而易出现径向夹紧现象，摩擦急剧增加，温度升高，导致轴承过热运转。改进后，原始径向游隙增大为0.045～0.07 mm，效果良好［3］。

3.2 制造对轴承失效的影响因素

失效轴承样本中，轴承制造对其失效的影响项次较多的分别是热处理工艺与质量（35%）、机加工质量、装配和成形质量（表5）。

表5 轴承制造对失效影响因素项次分类统计

3.2.1 热处理工艺与质量

热处理工艺不当及质量不足影响轴承零件强度、韧性及耐磨性等，如淬火微裂纹、不良金属组织与组织不稳定、硬度低、氢脆、残余应力等，降低轴承使用寿命。

某起重机轴承先后发生钢球断裂和内圈内唇多裂源断裂，从内圈横截面上观察，心部未完全淬透，靠外区域组织为隐针状回火马氏体和针状回火马氏体，心部组织为粒状珠光体+隐针状回火马氏体，造成内圈内、外唇硬度高于心部。轴承内外圈碳化物为网状4级，而钢球碳化物呈带状。

某发动机轴承因GCrl5滚动体掉块失效，分析确定为非正常沿晶脆性断裂，试验结果表明，在900℃以上热处理时断口沿晶特征渐现，到1 000℃就变为典型的沿晶断口，并伴随晶粒粗大化，证明滚动体掉块与其热处理时局部接触900℃以上高温有关。

3.2.2 磨削加工质量

某圆锥滚子轴承因磨削过程中内圈滚道产生留边造成早期失效。圆锥滚子轴承在零载荷条件下滚子与滚道之间的接触为线接触，由于内圈滚道磨削留边，导致其与滚子之间由线接触变为近似点接触。因此，轴承工作时，其滚子承受很大剪切应力作用，当剪切应力超过材料强度极限时，便产生疲劳裂纹。随着循环载荷作用，疲劳裂纹沿晶界扩展最终剥落，导致轴承早期疲劳失效。

3.2.3 成形与锻造工艺质量

某轧机轴承由于滚道上有锻造折叠裂纹，使用过程中，在内圈的残余拉应力、过盈配合应力及轧制应力共同作用下，锻造折叠裂纹源开始缓慢扩展，加之材料内部夹杂物较多且集中，破坏了材料连续性，降低了材料强度，裂纹扩展到一定深度和长度后，在巨大的周向应力作用下，裂纹失稳扩展，内圈沿轴向断裂。

3.3 使用阶段对轴承失效的影响因素

如表6所示，失效轴承样本中，使用阶段对轴承失效的影响因素前6项占总项次的80%。

表6 使用阶段对轴承失效的影响因素及项次

3.3.1 润滑质量

失效轴承分析表明：润滑系统设计、润滑剂选择、异物进入润滑剂、润滑剂失效与更换不及时对轴承失效有显著影响。

某龙门吊行走机构轴承产生黏附磨损，主要原因是润滑油嘴设计不合理。润滑油嘴设计在闷盖上，轴承水平布置，注油时只能将润滑脂注入到脂腔中，而不能将新的润滑脂直接注到轴承滚道中。

对某高速动力车托架轴承进行失效分析发现，润滑油中含有大量水分是导致轴承失效的直接原因。因对动力车在高速状态下的特性及其与环境的关系等认识不足，托架油箱结构设计不合理，造成托架箱进水。研究表明：仅用0.002%的清水污染润滑油，会使轴承寿命减少约48%；清水达到6%时，寿命会减少约83%。污染物若带腐蚀或磨砺性，轴承寿命减少更多［4］。

某航空发动机轴承失效则是因石墨环随动圈磨损，使得大量石墨颗粒进入沟道，与润滑油形成油泥，阻滞轴承滚动，引起轴承发热，导致润滑失效，最后造成轴承失效。

一碎渣机轧辊轴承失效，更换时在轴承座润滑油中检查出大量灰渣杂质。分析发现设计选用的骨架油封只能防止固态润滑脂外漏，却无法挡住渣水进入轴承座。端盖结构密封方式不合理，骨架油封与轴颈直接接触，长期运转引起轴颈磨损，致使渣水进入轴承座，是造成轴承损坏的主因。

3.3.2 安装

某核电站风机，因装配工艺对轴承安装无明确要求，导致装配时轴承与轴配合过盈量过大，使剩余游隙过小，运行中轴承磨损大，温度高，润滑质量渐失，产生异常磨损和高温过热，紧定套膨胀并与轴径产生滑动，最终造成风机损坏［5］。

某涡轮增压器角接触球轴承内圈沟道产生严重爬行现象，分析认为在轴承安装时，未能使双半内圈四点接触球轴承与角接触球轴承内圈端面完全接触，导致系统的轴向载荷主要作用在角接触球轴承上，过高的轴向载荷超过了角接触球轴承疲劳强度极限。轴承在高速、重载情况下振动增大，润滑及散热情况急剧恶化，导致轴承保持架断裂。

轴承内圈端面与锁紧螺母之间的预紧力不足会产生振蚀现象。

3.3.3 过载与偏载

当轴承在使用时由于过载等原因使表面局部温度升高到轴承钢的Ac1以上时，表面组织便重新奥氏体化，在随后的冷却过程中，再次淬成淬火马氏体，产生二次淬火烧伤。

某轧钢机用672736轴承失效，分析表明该轴承在使用时受力超过内圈所能承受的接触疲劳强度，造成内圈表面产生小块金属剥落，进而导致滚动体表面产生麻点和轴承内、外圈磨损。

对于热轧带钢轧机，由于轧材金属热流动性强，不易在上、下工作辊之间传递轴向剪应力，因此，轴向力产生的主要原因是工作辊与支承辊轴线不平行。而圆柱滚子轴承对角度偏差极为敏感，工作辊轴线与支承辊轴线稍有倾斜，就会使轴承受力不均，发生径向力偏聚，产生较大附加轴向力。偏差越大，轴向力越大，当推力轴承不能抵消产生的轴向力时，将会发生轴向窜动，使一侧滚道产生接触疲劳剥落，导致早期失效。

3.4 材料对轴承失效的影响因素

失效轴承样本中，材料对轴承失效的影响因素主要有材料中夹杂物、化学元素超标及冶炼缺陷等，前3项占总项次的86%（表7）。

表7 材料对轴承失效的影响因素及项次

非金属夹杂物尤其是氧化物类夹杂物对轴承的接触疲劳强度有显著影响，钢中存在的氧化铝、球状变形量小的夹杂对接触疲劳寿命危害最为严重。据文献介绍，引起材料疲劳破坏的夹杂物临界尺寸随距表面的深度增加而变大。一般认为，在试样表层能影响疲劳破坏的夹杂物尺寸的下限为8μm，甚至是6μm。对一失效套圈的工作表层进行夹杂物检查时，仅在所取长度为15 mm的金相试样中就发现条状硫化物和球状氧化物复合夹杂长度达28μm，球状氧化铝夹杂大于10μm，都超过了上述限值。从失效套圈中观察到表层内萌生裂纹的夹杂物，其长度约为14～18μm，也大于其限值。由此认为，大颗粒夹杂是导致套圈早期失效的主要原因［6］。

某送风机失效轴承外圈表面磨损脱落，从测试结果看，其硬度较GCrl5钢正常的淬、回火组织硬度明显偏低。对于GCr15轴承钢，其铬含量偏高，碳含量偏低，导致残留奥氏体含量减少，碳化物分布不均匀，使材料表面硬度下降，耐磨性降低，还使轴承钢的冲击韧度和疲劳强度下降。

4 结束语

（1）机械产品要按照生命期质量目标设计，只有包括滚动轴承在内的基础零部件都实现生命期质量目标，产品生命期质量目标才可能实现。

（2）轴承生命期质量受多阶段多因素影响，建立和利用轴承失效影响因素集，为实现轴承生命期质量目标创造条件。

（3）逐步完善轴承失效影响因素集，并籍以修改和补充相关文献，引导机械工程技术人员建立具体而不只是抽象的轴承和机器产品生命期质量概念。