滚动轴承微动磨损研究

王思明，许明恒，周海军

(1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.成都重型轴承研究所，成都 610031)

滚动轴承处于非工作状态时由于外界振动载荷的作用，或其处于微幅摆动工况时，滚动体在滚道的接触区附近会发生微小的相对运动，因运动幅度很小，润滑油无法在接触表面重新分布而使金属表面直接接触，并在氧气的参与下相互作用，故造成接触表面金属的腐蚀，同时产生氧化磨屑，这种现象称为轴承的微动磨损。其特征是在滚道表面形成与滚动体间隔等距离的、与滚动体表面仿形的压痕，因与布氏硬度测试的压痕相像，故又称作伪布氏压痕[1]。当微动磨损所产生的压痕扩展至一定程度，轴承运转将发生不允许的振动或冲击，微动磨损严重时会引发轴承微动裂纹的萌生和扩展，甚至断裂失效。

1 微动磨损机理

1.1 运行模式

根据运动方式不同，按球/平面接触模型，微动可分为切向式、滚动式、径向式和扭动式。目前国内、外关于微动磨损的报道以切向式为主[2]，这些研究成果对钢球与沟道之间的微动磨损具有借鉴作用。文献[3]采用钢球/平面试样进行有润滑油参与的切向微动试验，通过测试的磨损数据训练神经网络来预测球轴承的微动磨损情况。对于滚子轴承，滚子与滚道之间存在径向式、切向式和滚动式微动[4]；而对于球轴承，钢球和沟道之间的微动为切向式、滚动式、径向式、Heathcote(差动)式和扭动式(由于接触角的存在)组成的复合微动[5]。

1.2 磨损特征

文献[6-8]对钢球与内沟道接触面上的法向变形、切向变形以及Heathcote滑动进行理论分析，并对径向加载的球轴承进行往复摆动试验，发现在摆角较小时，切向滑动为微动磨损的主因；随着摆角增大，微动磨损则主要由重复的Heathcote滑动引起。切向滑动引起的损伤在接触区的周围；Heathcote滑动引起的损伤在接触区两端，接触面中心受力最大的部分未受损伤，且内圈损伤比外圈损伤严重得多[9]。

文献[1]则用有限元模型模拟分析了轴承伪布氏压痕形成过程中，振动和冲击载荷引起钢球与沟道接触处的局部接触应力和塑性变形情况。而实际上，由微动磨损在沟道上引起的伪布氏压痕周围没有像真实压痕中发生的肩凸[10]。

文献[4]提出轿车轮毂轴承径向式微动磨损是因其在同时承受静载荷和动载荷时，滚动体与内、外滚道间的径向弹性变形量反复变化，从而引起微米级径向微动。通过微动磨损试验发现，在轮毂轴承局部滚道上出现了间隔与滚动体相应的条状轻微磨痕，微观上在磨损轴承亚表面有近似平行轴承表面的连续微孔或预裂纹。

1.3 磨损机理

文献[11]认为发生在轴承接触面之间的由微幅滑动和滚动引起的微动磨损分别为微动腐蚀和伪压痕，且2种磨损机理不同。微动腐蚀发生在无润滑状态，磨损机理是产生严重的黏着，并穿过自然氧化层与母体材料形成冷焊，磨屑成分为α-Fe2O3，呈暗红色；伪压痕则发生在边界润滑，磨损机理是轻微限制在自然氧化层的轻微黏着，磨屑成分是黑色的Fe3O4。微动磨损开始呈现伪压痕形态，当微动磨屑挡住润滑油脂从而使摩擦表面形成无润滑状态时，则逐步升级为微动腐蚀[12]。

文献[10]通过简易试验装置对推力球轴承进行了频率为7 Hz、摆角为±3°以及有润滑油作用的微动试验，以了解微动磨损的过程和机理。试验后通过扫描隧道显微镜观察轴承磨损表面发现，即使在有润滑的情况下接触表面在微动的一开始就以纳米量级被磨损；微动开始几分钟后表面氧化物和几小时后表面微观结构的改变(白层的形成)会加速磨损。

2 微动磨损的危害

2.1 导致振动

当轴承受到微动磨损时，会在内、外滚道上留下凹形坑状的微动损伤，其磨损量通常很小，但损伤轴承在运转中会产生噪声和振动。通过简易试验装置在轴承上加径向静载荷，轴上加微小摇动进行微动磨损试验，然后对磨损轴承进行振动测试。文献[13]通过分析发现内圈损伤引起的振动较之外圈和钢球损伤引起的振动要剧烈得多；内圈和钢球损伤引起的振动不像外圈损伤引起的振动那样具有明确的周期性，但内圈损伤部为椭圆状的场合则产生剧烈的振动，从而影响轴承的旋转精度。

2.2 降低疲劳寿命

文献[14]研究了微动磨损对M50轴承钢滚动接触疲劳寿命的影响。在Hertz接触应力为1.1 GPa，频率为10 Hz和滑动幅度为21 μm的条件下，用MIL-L-23699润滑油在微动试验机上对直径为9.25 mm的M50轴承钢棒进行微动试验，再对钢棒在三球/棒滚动接触疲劳试验机上测试微动磨痕对疲劳寿命的影响，疲劳测试的接触应力分别为1.7和3.4 GPa。结果表明，在疲劳测试接触应力为3.4 GPa的情况下，微动磨痕将减少30%的轴承钢棒疲劳寿命；微动后的轴承钢棒在疲劳测试接触应力为1.7 GPa时的疲劳特性与未受微动的轴承钢棒在接触应力为3.4 GPa的疲劳特性相似。

3 影响因素

3.1 力学参数

振动频率、幅度以及加速度对轴承微动磨损有显著影响。文献[15]通过自制的试验装置在干态下对轴承加载轴向振动，结果发现，微动磨损随振动频率和加速度的增加而增加；磨损先随振幅增加而增加，在振幅近似为轴承轴向游隙的2倍时达到最大值，然后随振幅的增大而减小；在一定的测试条件下，磨损在微动初期增加较快，但随着微动次数的增加而趋于缓和。文献[9]在脂润滑条件下用型号为6104球轴承考察了摆角、摆动次数及载荷等参数对微动磨损的影响，发现摆角在1°以内，磨损速度较小，但是超过该值后磨损急剧增加，这一倾向在重载下尤为显著；微动磨损随载荷的增加而增加，但小摆角情况下，载荷影响较小。

3.2 设计参数

轴承的接触角、沟曲率半径系数和游隙等设计参数不同导致其抗微动磨损能力也不同。在球轴承受外部振动情况下，微动磨损的程度与接触区域上的切向力τ和相对滑动量δ的乘积τδ相关，因此在设计上可通过少量增大内、外沟道的沟曲率半径而大大减小接触表面上的τδ值来减缓球轴承的微动磨损。但这种设计变化将增大接触应力，使润滑剂更难进入接触区，从而降低轴承寿命[16]。为减缓变桨轴承在风力发电机工作过程中的微动磨损，文献[17]通过微动模拟试验得出，在轴承有一定的负游隙时磨损量最小，并从不同倾角的径向与切向微动组合而成的复合微动试验中得出，变桨轴承的初始接触角在45°附近取值有助于提高其抗微动磨损能力[5]。

3.3 润滑剂

由于试验装置、参数和润滑方式等存在差异，油、脂润滑对轴承微动磨损影响的研究结果不尽相同，甚至相互矛盾，且润滑脂的抗微动磨损能力与抗摩擦磨损能力之间没有必然联系[18]。

汽车在长途运输过程中其轮毂轴承会发生有油脂参与的微动磨损，为此推出了ASTM4170-82润滑脂抗微动磨损性能测试法。该法用Fafnir摩擦氧化试验机通过推力球轴承评价不同特性和组成的润滑脂抗微动磨损特性[19]。结果表明，矿物油为基础油的润滑脂如果在100 ℃黏度为11.1 cSt时加入磷极压剂和酯类油性剂，则其具有优异的抗微动磨损能力，且微动磨损随基础油的渗透能力增大而降低[20]；25 ℃时聚脲脂较其他润滑脂有优异的抗微动磨损能力，而-18 ℃时锂基脂性能更优，对抗微动磨损起主要作用的是基础油和稠化剂的类型，添加剂对微动磨损影响不大[21]；基础油在运动黏度低或油分离程度高时可有效减缓微动磨损[22]。

上述测试是在固定载荷下进行的，而实际工程中的载荷通常是波动的，目前还没有国际标准评价轴承在波动载荷下的微动磨损。文献[23]用推力球轴承测试14种商业润滑脂和3种特制的润滑脂，通过对比ASTM微动试验与冲击微动试验(试验冲击力在1.96～88.2 kN之间正弦变化)来评价润滑脂的微动磨损保护性能。结果发现，冲击微动试验的磨损首先在接触区外周产生，然后扩大到内部；润滑脂在ASTM试验中与冲击微动试验中相比有相反的微动磨损保护优势。就润滑脂基础油黏度来说，ASTM试验中磨损随黏度增大而增加；而冲击微动试验中磨损随黏度增大而减小。其中没有任何一种润滑脂能同时在这2种测试中有良好的保护效果，因此在实际应用中，不同的载荷条件要选择相应不同的试验方法。同时在冲击微动试验中发现，抗磨添加剂和固体润滑剂有明显的减缓微动磨损的作用。

针对硬盘驱动器在运送过程中其球轴承会因振动发生微动磨损，文献[24]在RRV试验装置(Random Rotary Vibration Machine)上模拟研究润滑脂减缓其微动磨损的性能。结果表明,润滑脂中含有二硫代氨基甲酸钼和二烷基二硫代磷酸锌抗磨极压剂时，轴承接触表面可生成含有MoS2,FeS和MoFeS分子的薄膜，能有效降低微动磨损。但如果润滑脂中含有磺酸盐防锈剂时，会与抗磨极压剂竞争降低其减缓微动磨损的效果。

3.4 硬度

为了解材料硬度对轴承微动磨损的影响，文献[25]对2个直径均为10 mm的合金结构钢En24和轴承钢En31进行了垂直交叉微动磨损试验。En24钢原始试样硬度为207 HV，分别热处理至375和640 HV，En31钢热处理至698 HV。试验分别在法向载荷为2.4和29.4 N下无润滑进行，微动幅度为60 μm，频率为5 Hz。对En24钢进行3种不同硬度试验发现，硬度对提高抗微动磨损能力效果不明显。文献[26]中钢球/0.6%碳钢平板试样的切向微动也表明硬度只对微动磨损有轻微影响，其主要原因是微动磨损产生的氧化磨屑会作为磨料作用于接触表面。文献[27]在钢球/42CrMo平板试样的径向与切向微动组成的复合微动试验中发现，试样硬度低时其抗径向微动磨损性能好，而硬度高时抗切向微动磨损性能相对较好。

3.5 涂层

文献[28]认为使用硬质涂层可减缓轴承的微动磨损。对于轴承的Fe基材料，B+，N+等轻元素离子注入表面能获得摩擦系数低且耐磨性高的润滑表面，从而降低微动磨损程度。文献[29]利用化学复合镀的方法在钢球表面镀覆一层Ni-W-P/BN多元复合镀层，其滑动摩擦系数大大降低且耐磨性显著提高，在受到法向交变载荷后，钢球的微动磨损相对减少，从而延长了使用寿命。另外， FAG轴承公司的资料表明，在轴承滚道上涂有磷酸锌镀层或铬基薄层可提高其抗微动磨损的能力。

4 结束语

微动磨损对轴承运转性能和使用寿命影响较大，是轴承常见的失效方式之一。而实际工程中轴承微动磨损的机理和过程较复杂，损伤程度涉及受力状态、润滑、材料以及设计参数等因素，且在不同的工程应用场合下，轴承有其特定的微动磨损过程。因此未来有必要结合轴承使用情况对其微动磨损进行深入研究，以掌握规律，为减缓微动磨损提供参考。