角接触球轴承_久研轴承科技（安徽）有限公司

工业电机中的滚动轴承失效分析

2013-10-16

王勇
【斯凯孚（中国）销售有限公司，上海　200001）

　　摘　要：在工业电机运行过程中，轴承的失效占整个电机故障的比率非常高。作为承载和转动的零部件，轴承成为很多故障的表现点，非常容易受到损伤。对工业电机中滚动轴承的失效分析进行了分类介绍，并提出了相应的失效原因及改进措施。
　　关键词：滚动轴承；失效；工业电机
　　0　引言
　　在工业电机运行中经常会出现轴承发热、噪声等故障，甚至会出现整个轴承全部烧毁而导致停机。在日常维护中，如果单纯地更换轴承而不作深入分析，往往不能抓住问题的关键，也就不能彻底解决问题。因此，为避免盲目更换轴承而造成浪费，当轴承出现问题时，应针对问题进行科学地分析，同时排除造成轴承失效的因素，从而达到根本性维修的目的。
　　对轴承进行失效分析是一个要求很高的任务。分析者不仅需要对轴承有深入全面的了解，同时需要了解电机的整体结构，电机驱动系统的负载情况、机械结构，环境（包括温度，污染情况等）等。轴承失效分析也有一些相应的规律可循，本文将就轴承失效问题，依照ISO15243: 2004的分类框架进行针对性的介绍；同时针对电机自身的加工制造和使用情况提出可能的根本原因及解决方案。但是，对轴承作失效分析都是由果推因，带有一定的不确定性，而失效的轴承又往往是多重失效掺杂在一起，给分析工作带来很大难度。尤其是当一个轴承已经完全烧毁时，分析者已基本不可能对失效的根本原因进行辨别。因此，轴承失效的阶段越早，就越有可能准确地找到失效的根本原因。这一点对轴承的失效分析至关重要。
　　1　负荷痕迹分析
　　电机的机械结构自身是一个系统，而该系统又与外界系统相联系。轴承作为其中的一个零部件，受到诸多因素的影响。对轴承进行失效分析也需要考虑到整个系统的情况，从而判断轴承是否运行于合理的工况。这是轴承失效分析的步，也是至关重要的一步，有时，仅通过这一步的分析，就可以找到失效的根本原因。
　　判断轴承是否运行于合理的工况，可以通过了解整个系统的工况而得到一些信息，而更加直接的信息，可以从轴承内部的负荷痕迹中得到。一般情况下，崭新的轴承滚道和滚动体表面都具有一定粗糙度的金属加工表面。当轴承被安装在电机中承受负荷并运转时，滚道和滚动体表面的部分区域会承载。轴承经过一段时间的运行，这些承载区域的金属表面形貌将发生变化，从而形成与非负荷部分的滚道和滚动体表面的形貌差别，直观上就会看到其光洁度有所不同。因此，可以通过肉眼观察到轴承内部的滚道以及滚动体曾经经受过负荷的区域。这些区域就是所谓的负荷痕迹，或者叫负荷轨迹。换言之，有负荷轨迹的地方就有负荷力的承载，反之亦然。
　　以使用两个深沟球轴承的卧式电机为例，在无外界负荷的情况下，两个深沟球轴承承受来自转子重力的径向负荷。其负荷情况如图1所示。

图1　深沟球轴承负荷区

　　图1中，轴承下半部分150°左右的范围内是轴承的负荷区，而其他部分是轴承的非负荷区。在这类电机的轴承中，通常外圈固定，内圈旋转，这就使得轴承的外圈仅在负荷区有负荷轨迹，而内圈整圈都有负荷轨迹。从以上分析可知，正常的电机中深沟球轴承的负荷轨迹见图2。此类电机如果立式安装，那么定位端的深沟球轴承将承受所有的轴向负荷。其负荷轨迹见图3。

图2　正常深沟球轴承受径向负荷时的负荷轨迹

　图3　正常深沟球轴承受轴向负荷的负荷轨迹

　　这里，不论外圈还是内圈，都沿整个圆周承受轴向负荷，从而在整个滚道表面产生负荷轨迹。
　　还有一种轴向负荷和径向负荷一起承受的情况（一般称之为复合负荷），其负荷轨迹见图4。

图4　正常深沟球轴承承受复合负荷的负荷轨迹

　　图4所示情况是图2、图3两种情况的合成，因此不赘述。
　　以上三种负荷轨迹，都是深沟球轴承承受正常负荷时的轨迹。即使轴承运行没有问题，如果拆开轴承也可能看到图2～4所示的三种轨迹。
　　如果一个轴承的负荷轨迹与正常情况不同，那就应该引起分析人员的注意，查找负荷来源。如果这种负荷不是此类轴承可以承受的，则轴承很快就会失效。
　　1.1 轴承承受偏心负荷
　　一般的轴承（调心轴承除外）都是用来承载轴向负荷和径向负荷的，其承载偏心负荷的能力十分有限。如果有偏心负荷施加在这些轴承上，将会造成轴承内部负荷分布的不合理，从而急剧降低轴承寿命，产生发热等状况。承受偏心负荷的负荷轨迹如图5所示。

图5　承受偏心负荷的深沟球轴承负荷轨迹

　　如果发现图5所示的负荷轨迹，应该立即查找轴承室与电机端盖止口的同心度，轴承室与基座的同轴度，以及两端端盖安装好之后的轴承室相对同轴度。如果电机与其所带负荷出现不对中，也会在轴承上出现这样的负荷轨迹。
　　1.2 轴承室形位公差超差
　　轴承室的形位公差超差将影响轴承内部负荷的分布，从而造成异常的负荷痕迹，如图6所示。

图6　轴承室椭圆造成的轴承异常负荷痕迹

　　图6中的负荷痕迹表明轴承室可能圆度超差，从而造成非负荷区的球同样承受到负荷，这样轴承内部经过运行，会出现发热和噪声。如果拆卸轴承发现图6的负荷轨迹，就需要对轴承室的圆度进行调整。但图6仅仅是形位公差圆度超差的情况。还有诸如圆柱度超差的情况，它也可以从负荷轨迹中看到。
　　至于如何检查轴承室的形位公差，将在后续关于安装拆卸的文章中给于介绍，这里不再重复。
　　1.3 轴承剩余游隙过小
　　一般而言，正常的深沟球轴承在运行时总会有一定的剩余游隙，这些剩余游隙将分布在非负荷区。文献[1]中给出了剩余游隙对滚动轴承寿命影响的曲线。当剩余游隙过小时，轴承会非常容易被卡死，从而提早失效。这些失效轴承烧毁之前的表现就是噪声和发热，而轴承滚道表面的负荷轨迹如图7所示。

图7　剩余游隙过小的深沟球轴承负荷轨迹

　　造成轴承剩余游隙过小的因素可能包括：内圈配合过紧，内外圈温度差过大等。应及时进行调节改善。
　　2　ISO轴承失效分类
　　ISO15243中对轴承的失效形式作了大致的分类，这些分类涵盖了大多数轴承失效的形式，对轴承失效分析工作具有非常重要的指导意义。具体分类大致如图8所示。

图8　轴承失效具体分类

　　在该分类中，将轴承失效分为六类。每一类中都有明确的定义和图谱可以进行参照。需要指出的是，该分类虽然很大程度地涵盖了轴承失效的诸多情况，但仍然有些失效不在这六大分类之中，但由于其典型性不足，因此没有进行分类。
　　在实际工作中，轴承的失效经常是几种情况同时发生，或者间隔很近地相继发生。因此工程师们面对的轴承往往是几种失效痕迹掺杂在一起的情况。这里需要一定的经验积累进行辨别，从而寻出Z初的失效原因。
　　将失效的轴承依据ISO标准进行分类，是失效分析的重要步骤，但更重要的工作是找出导致出现这种失效的原因。虽然标准中对每一类失效的可能原因都作了一些概括，但工程师们必须根据具体的工况作进一步的检查，从而确认。
　　本文不一一列举六大类轴承失效的具体描述和图谱，如有需要可参阅相应标准。下文将依据工业电机的应用特点，选取分析一些典型的轴承失效事例。
　　3　工业电机中常见的典型轴承失效及其分析
　　3.1 轴承的表面疲劳
　　轴承的表面疲劳是指从滚动体和滚道接触表面开始发展的金属表面疲劳痕迹。出现这种疲劳的原因是由于受载的金属表面具有较大的剪应力。如果润滑施加得当，此剪应力将小于金属表面下的Z大剪应力。而润滑得当的正常轴承，经过一段时间运行达到了轴承的疲劳寿命，会出现正常的表面下疲劳，轴承失效。但是，如果初始疲劳发生在金属表面，而不是表面下，轴承就可能达不到其疲劳寿命而出现提前失效。表面疲劳是值得关注的典型轴承失效形式。图9所示是一个轴承表面疲劳的例子。

图9　深沟球轴承表面磨损内圈

　　从图9可见到，负荷轨迹内部轴承内圈表面出现类似于抛光光亮的形貌，而在这个区域内出现从表面自上而下的疲劳痕迹。由此可以判断，这是一个典型的表面疲劳的轴承。
　　如前所述，在正常润滑的情况下，金属表面剪应力应该不会让轴承出现提早的表面疲劳。因此判断，润滑的问题是导致这个轴承出现表面疲劳的可能原因。
　　在实际工作中，与上述类似的轴承失效在电机中经常出现。出现这个失效的根本原因不在于轴承，因此无论更换多少轴承，只要润滑状况得不到改善，轴承的表面疲劳依然会出现。如果发现了这种类型的轴承提早失效，建议工程师们重新校核润滑剂的选择，润滑剂的添加量，再润滑时间间隔，及再润滑量等（后续文章中将具体阐述关于轴承润滑的情况）。
　　3.2 轴承磨损
　　轴承的磨损分为两类，一类是磨料磨损，另一类是粘着磨损。这两类磨损的诱发原因不同，但都是电机轴承经常遇到的问题。
　　3.2.1 磨料磨损
　　磨料磨损是由于滚动体和滚道之间由于某种杂质的存在并充当了磨料的角色，而在滚道和滚动体之间出现的磨损。其特征就是滚动体或者滚道材质的消损。这类磨损的原因多半是由于污染杂质等进入润滑剂而造成润滑不良。图10就是典型的磨料磨损轴承。

　　图10所示的是一个球面滚子轴承的内圈出现磨料磨损的情形。事实上，磨料磨损不仅发生在滚道表面，保持架也经常会受到磨料磨损的影响。在工业电机经常使用的保持架为内圈或者外圈引导的圆柱滚子轴承中，若是使用润滑脂润滑，当转速超过一定范围时，保持架的外沿（或者内沿）就会和轴承圈发生摩擦，此时润滑脂非常难以进入而不易形成有效润滑，这就会出现所谓磨铜粉的现象。这种情况下，如果使用稠度较稀的润滑脂并且缩短再润滑时间间隔会使轴承运行状态有所改善。
　　一般，出现磨料磨损时通常轴承会表现出发热等现象，此时应该检查轴承润滑剂的清洁度，密封件的完好程度，同时应注意安装轴承时对环境清洁度的要求。被磨损的轴承不可以重复使用。
　　3.2.2 粘着磨损
　　第二种电机轴承中经常发生的磨损是粘着磨损。粘着磨损与磨料磨损不同，多数伴随着金属材料的转移，比如从滚动体到滚道或者相反。图11所示是一个粘着磨损的轴承。

图11　粘着磨损轴承

　　在电机中发生轴承内部粘着磨损的情况有很多种，尤其是在频繁起动的电机中，电机的频繁起停（或往复旋转）大大增加了滚动体与滚道之间起动时的滑动摩擦，从而非常容易出现粘着磨损。针对这种情况的粘着磨损，可通过改善润滑剂（如对于往复运转的电机润滑脂添加极压添加剂）等方法来减小起动停车时轴承内部的滑动摩擦。
　　此外，如果电机内轴承所承受的负荷小于轴承运行所需要的Z小负荷，那么滚动体与滚道之间就不能形成有效的滚动摩擦，此时也容易出现粘着磨损。轴承的Z小负荷与润滑脂的稠度相关。在冬天，温度很低时润滑脂的稠度会增大，此时轴承所需要的Z小负荷也会增大，若实际负荷没有达到这个Z小值，就会导致粘着磨损的发生。这种情况在风力发电厂时有发生。
　　3.3 摩擦腐蚀
　　轴承的腐蚀包括潮湿腐蚀和摩擦腐蚀。潮湿腐蚀多数与环境相关，此处不展开。在电机使用中，轴承摩擦腐蚀更加隐蔽，也是经常发生的一种轴承失效。
　　轴承的摩擦腐蚀分为微动腐蚀和伪布什压痕两种。
　　3.3.1 微动腐蚀
　　微动腐蚀是指两个金属配合面发生微观蠕动，微动表面出现金属氧化进而有粉末状锈蚀发生的情况。在一般的工业电机中，出现在外圈和轴承室的配合面上，或者内圈和轴的配合面上。通常的轴承轻微跑圈指的就是外圈的微动腐蚀的一种。微动腐蚀会造成轴承内部滚动体运行状态的改变而发生发热的现象，严重的甚至可以出现轴承圈断裂。图12所示为微动腐蚀的轴承内圈。

图12　轴承内圈微动腐蚀

　　发生轴承圈的微动腐蚀，应该检查轴与轴承内圈的公差配合，以保证转动圈与其配合面有足够的过盈。但是对于一般电机而言，轴承的外圈与轴承室通常是松配合，这样如果要避免外圈发生微动腐蚀，就需要采取添加“O”型环的措施。
　　3.3.2 伪布什压痕
　　当电机静止不转时，轴承内负荷区的滚动体与滚道承受负载。此时，如果电机处于振动环境，那么负荷区内部的滚动体就与滚道发生微小的往复蠕动（微动），经过一段时间后就会在滚道上形成类似于锈迹的纵向凹痕。这与轴承静止时滚道受到巨大径向负荷而产生的布氏压痕有些类似，但其形成的实际机理却是一种腐蚀，因此叫做伪布什压痕（图13）。

图13　伪布什压痕

　　有些电机厂曾经遇到过这样的情况，电机出厂检验时噪声性能完好，但是当电机运抵客户处并开始运行时，噪声超标，同时经检查其他各部分均无问题。这种情况下就应该考虑伪布什压痕的可能。因为电机出厂后在运输过程中会遇到颠簸，对于电机轴承而言相当于静止电机处于振动的场合，轴承滚动体在滚道内部不断蠕动，极有可能形成伪布什压痕。此时检查轴承，若发现等滚子间距的纵向痕迹（类似于图13），就可以怀疑伪布什压痕的发生。若出厂时噪声无异常，滚道没有安装拉伤，则可以确认为伪布什压痕。
　　解决这一问题的办法就是改善电机的包装，具体方法在文献[1]中已有阐述，此处不再重复。
　　3.4 轴承的电腐蚀
　　轴承电腐蚀的机理和失效特征在文献[2]中有详细的介绍。请参阅。
　　3.5 轴承的塑性变形
　　轴承的塑性变形包括三类：轴承过载、杂质造成的压痕以及安装过程中产生的塑性变形。
　　3.5.1 轴承过载
　　轴承承受过大静载荷时，滚动体或者滚道会发生塑性变形，图14就是一例。

图14　轴承过载

　　从前面介绍的负荷轨迹的知识可以推断出，图14所示轴承承受了非常大的轴向负荷，导致塑性变形。
　　3.5.2 杂质造成的压痕
　　如果轴承内部的润滑剂被杂质污染，那么污染颗粒会在滚动体滚道表面造成微小的压痕，从而破坏滚道或者滚动体的表面形貌，产生发热或者噪声。人们曾经错误地认为由于钢的硬度比较大，一些小的污染不会产生影响，事实上那些貌似柔软的小污染杂质依然会在微观上改变滚道表面的光洁度，破坏润滑，造成发热。图15是一个比较好的例子，这其中的污染是一个棉纤维。由于这样的污染和压痕，造成了轴承温度过高而损坏。

图15　杂质造成的压痕

　　图15的情况比较特殊，事实上在电机厂更多的是固体污染颗粒的杂质。这些杂质对滚道的破坏痕迹有的可以直接用肉眼辨识，有的则需要借助显微镜才能发现。要减少由于杂质给轴承带来的压痕损坏，就需要格外注意轴承的安装使用过程中的清洁度，保证轴承具有合理的密封保护等。
　　3.5.3 安装过程产生的塑性变形
　　轴承安装过程中不能用钢锤等直接敲击，同时轴承的安装力不可以通过滚动体传递，否则会出现塑性变形，破坏轴承。这种损伤主要表现在轴承零部件的形状改变上，因此各个不同工况下的失效痕迹各有不同，需具体情况具体分析。
　　4　结语
　　本文首先介绍了轴承失效分析的基本常识，并且介绍了负荷痕迹分析的基本原理，并列举了几种常见的负荷轨迹形式；之后依照ISO15243的分类，选取了工业电机用户经常出现的滚动轴承失效类型，进行了详细的剖析，并提出可能的失效原因及改善措施。
　　需要注意的是，轴承失效的情况千差万别，本文只能提取其中一些较有代表性的案例进行分析、归类，日常工作中更多的分析判断需要依照经验的积累。具备了足够的轴承应用知识，并了解基本轴承失效分类，将对轴承失效分析的准确性大有裨益。
　　【参考文献】
　　[1]王勇.工业电机中的滚动轴承噪声[J].电机与控制应用,2008 (6):38241.
　　[2]Zika Thomas,Buschbeck Frank,Preisinger Gerwin,等.风力发电机中轴承的过电流问题[J].王勇,赵明译.电机与控制应用,2008(9) :15219.
　　[3]斯凯孚(中国)销售有限公司.SKF轴承综合型录[G].2004.
　　[4]斯凯孚(中国)销售有限公司.SKF轴承保养手册[G].2007.

来源：《电机与控制应用》2009，36， (9)

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