滾動軸承微動磨損研究

王思明，許明恒，周海軍

(1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.成都重型軸承研究所，成都 610031)

滾動軸承處于非工作狀態時由于外界振動載荷的作用，或其處于微幅擺動工況時，滾動體在滾道的接觸區附近會發生微小的相對運動，因運動幅度很小，潤滑油無法在接觸表面重新分布而使金屬表面直接接觸，并在氧氣的參與下相互作用，故造成接觸表面金屬的腐蝕，同時產生氧化磨屑，這種現象稱為軸承的微動磨損。其特征是在滾道表面形成與滾動體間隔等距離的、與滾動體表面仿形的壓痕，因與布氏硬度測試的壓痕相像，故又稱作偽布氏壓痕[1]。當微動磨損所產生的壓痕擴展至一定程度，軸承運轉將發生不允許的振動或沖擊，微動磨損嚴重時會引發軸承微動裂紋的萌生和擴展，甚至斷裂失效。

1 微動磨損機理

1.1 運行模式

根據運動方式不同，按球/平面接觸模型，微動可分為切向式、滾動式、徑向式和扭動式。目前國內、外關于微動磨損的報道以切向式為主[2]，這些研究成果對鋼球與溝道之間的微動磨損具有借鑒作用。文獻[3]采用鋼球/平面試樣進行有潤滑油參與的切向微動試驗，通過測試的磨損數據訓練神經網絡來預測球軸承的微動磨損情況。對于滾子軸承，滾子與滾道之間存在徑向式、切向式和滾動式微動[4]；而對于球軸承，鋼球和溝道之間的微動為切向式、滾動式、徑向式、Heathcote(差動)式和扭動式(由于接觸角的存在)組成的復合微動[5]。

1.2 磨損特征

文獻[6-8]對鋼球與內溝道接觸面上的法向變形、切向變形以及Heathcote滑動進行理論分析，并對徑向加載的球軸承進行往復擺動試驗，發現在擺角較小時，切向滑動為微動磨損的主因；隨著擺角增大，微動磨損則主要由重復的Heathcote滑動引起。切向滑動引起的損傷在接觸區的周圍；Heathcote滑動引起的損傷在接觸區兩端，接觸面中心受力最大的部分未受損傷，且內圈損傷比外圈損傷嚴重得多[9]。

文獻[1]則用有限元模型模擬分析了軸承偽布氏壓痕形成過程中，振動和沖擊載荷引起鋼球與溝道接觸處的局部接觸應力和塑性變形情況。而實際上，由微動磨損在溝道上引起的偽布氏壓痕周圍沒有像真實壓痕中發生的肩凸[10]。

文獻[4]提出轎車輪轂軸承徑向式微動磨損是因其在同時承受靜載荷和動載荷時，滾動體與內、外滾道間的徑向彈性變形量反復變化，從而引起微米級徑向微動。通過微動磨損試驗發現，在輪轂軸承局部滾道上出現了間隔與滾動體相應的條狀輕微磨痕，微觀上在磨損軸承亞表面有近似平行軸承表面的連續微孔或預裂紋。

1.3 磨損機理

文獻[11]認為發生在軸承接觸面之間的由微幅滑動和滾動引起的微動磨損分別為微動腐蝕和偽壓痕，且2種磨損機理不同。微動腐蝕發生在無潤滑狀態，磨損機理是產生嚴重的黏著，并穿過自然氧化層與母體材料形成冷焊，磨屑成分為α-Fe2O3，呈暗紅色；偽壓痕則發生在邊界潤滑，磨損機理是輕微限制在自然氧化層的輕微黏著，磨屑成分是黑色的Fe3O4。微動磨損開始呈現偽壓痕形態，當微動磨屑擋住潤滑油脂從而使摩擦表面形成無潤滑狀態時，則逐步升級為微動腐蝕[12]。

文獻[10]通過簡易試驗裝置對推力球軸承進行了頻率為7 Hz、擺角為±3°以及有潤滑油作用的微動試驗，以了解微動磨損的過程和機理。試驗后通過掃描隧道顯微鏡觀察軸承磨損表面發現，即使在有潤滑的情況下接觸表面在微動的一開始就以納米量級被磨損；微動開始幾分鐘后表面氧化物和幾小時后表面微觀結構的改變(白層的形成)會加速磨損。

2 微動磨損的危害

2.1 導致振動

當軸承受到微動磨損時，會在內、外滾道上留下凹形坑狀的微動損傷，其磨損量通常很小，但損傷軸承在運轉中會產生噪聲和振動。通過簡易試驗裝置在軸承上加徑向靜載荷，軸上加微小搖動進行微動磨損試驗，然后對磨損軸承進行振動測試。文獻[13]通過分析發現內圈損傷引起的振動較之外圈和鋼球損傷引起的振動要劇烈得多；內圈和鋼球損傷引起的振動不像外圈損傷引起的振動那樣具有明確的周期性，但內圈損傷部為橢圓狀的場合則產生劇烈的振動，從而影響軸承的旋轉精度。

2.2 降低疲勞壽命

文獻[14]研究了微動磨損對M50軸承鋼滾動接觸疲勞壽命的影響。在Hertz接觸應力為1.1 GPa，頻率為10 Hz和滑動幅度為21 μm的條件下，用MIL-L-23699潤滑油在微動試驗機上對直徑為9.25 mm的M50軸承鋼棒進行微動試驗，再對鋼棒在三球/棒滾動接觸疲勞試驗機上測試微動磨痕對疲勞壽命的影響，疲勞測試的接觸應力分別為1.7和3.4 GPa。結果表明，在疲勞測試接觸應力為3.4 GPa的情況下，微動磨痕將減少30%的軸承鋼棒疲勞壽命；微動后的軸承鋼棒在疲勞測試接觸應力為1.7 GPa時的疲勞特性與未受微動的軸承鋼棒在接觸應力為3.4 GPa的疲勞特性相似。

3 影響因素

3.1 力學參數

振動頻率、幅度以及加速度對軸承微動磨損有顯著影響。文獻[15]通過自制的試驗裝置在干態下對軸承加載軸向振動，結果發現，微動磨損隨振動頻率和加速度的增加而增加；磨損先隨振幅增加而增加，在振幅近似為軸承軸向游隙的2倍時達到最大值，然后隨振幅的增大而減小；在一定的測試條件下，磨損在微動初期增加較快，但隨著微動次數的增加而趨于緩和。文獻[9]在脂潤滑條件下用型號為6104球軸承考察了擺角、擺動次數及載荷等參數對微動磨損的影響，發現擺角在1°以內，磨損速度較小，但是超過該值后磨損急劇增加，這一傾向在重載下尤為顯著；微動磨損隨載荷的增加而增加，但小擺角情況下，載荷影響較小。

3.2 設計參數

軸承的接觸角、溝曲率半徑系數和游隙等設計參數不同導致其抗微動磨損能力也不同。在球軸承受外部振動情況下，微動磨損的程度與接觸區域上的切向力τ和相對滑動量δ的乘積τδ相關，因此在設計上可通過少量增大內、外溝道的溝曲率半徑而大大減小接觸表面上的τδ值來減緩球軸承的微動磨損。但這種設計變化將增大接觸應力，使潤滑劑更難進入接觸區，從而降低軸承壽命[16]。為減緩變槳軸承在風力發電機工作過程中的微動磨損，文獻[17]通過微動模擬試驗得出，在軸承有一定的負游隙時磨損量最小，并從不同傾角的徑向與切向微動組合而成的復合微動試驗中得出，變槳軸承的初始接觸角在45°附近取值有助于提高其抗微動磨損能力[5]。

3.3 潤滑劑

由于試驗裝置、參數和潤滑方式等存在差異，油、脂潤滑對軸承微動磨損影響的研究結果不盡相同，甚至相互矛盾，且潤滑脂的抗微動磨損能力與抗摩擦磨損能力之間沒有必然聯系[18]。

汽車在長途運輸過程中其輪轂軸承會發生有油脂參與的微動磨損，為此推出了ASTM4170-82潤滑脂抗微動磨損性能測試法。該法用Fafnir摩擦氧化試驗機通過推力球軸承評價不同特性和組成的潤滑脂抗微動磨損特性[19]。結果表明，礦物油為基礎油的潤滑脂如果在100 ℃黏度為11.1 cSt時加入磷極壓劑和酯類油性劑，則其具有優異的抗微動磨損能力，且微動磨損隨基礎油的滲透能力增大而降低[20]；25 ℃時聚脲脂較其他潤滑脂有優異的抗微動磨損能力，而-18 ℃時鋰基脂性能更優，對抗微動磨損起主要作用的是基礎油和稠化劑的類型，添加劑對微動磨損影響不大[21]；基礎油在運動黏度低或油分離程度高時可有效減緩微動磨損[22]。

上述測試是在固定載荷下進行的，而實際工程中的載荷通常是波動的，目前還沒有國際標準評價軸承在波動載荷下的微動磨損。文獻[23]用推力球軸承測試14種商業潤滑脂和3種特制的潤滑脂，通過對比ASTM微動試驗與沖擊微動試驗(試驗沖擊力在1.96～88.2 kN之間正弦變化)來評價潤滑脂的微動磨損保護性能。結果發現，沖擊微動試驗的磨損首先在接觸區外周產生，然后擴大到內部；潤滑脂在ASTM試驗中與沖擊微動試驗中相比有相反的微動磨損保護優勢。就潤滑脂基礎油黏度來說，ASTM試驗中磨損隨黏度增大而增加；而沖擊微動試驗中磨損隨黏度增大而減小。其中沒有任何一種潤滑脂能同時在這2種測試中有良好的保護效果，因此在實際應用中，不同的載荷條件要選擇相應不同的試驗方法。同時在沖擊微動試驗中發現，抗磨添加劑和固體潤滑劑有明顯的減緩微動磨損的作用。

針對硬盤驅動器在運送過程中其球軸承會因振動發生微動磨損，文獻[24]在RRV試驗裝置(Random Rotary Vibration Machine)上模擬研究潤滑脂減緩其微動磨損的性能。結果表明,潤滑脂中含有二硫代氨基甲酸鉬和二烷基二硫代磷酸鋅抗磨極壓劑時，軸承接觸表面可生成含有MoS2,FeS和MoFeS分子的薄膜，能有效降低微動磨損。但如果潤滑脂中含有磺酸鹽防銹劑時，會與抗磨極壓劑競爭降低其減緩微動磨損的效果。

3.4 硬度

為了解材料硬度對軸承微動磨損的影響，文獻[25]對2個直徑均為10 mm的合金結構鋼En24和軸承鋼En31進行了垂直交叉微動磨損試驗。En24鋼原始試樣硬度為207 HV，分別熱處理至375和640 HV，En31鋼熱處理至698 HV。試驗分別在法向載荷為2.4和29.4 N下無潤滑進行，微動幅度為60 μm，頻率為5 Hz。對En24鋼進行3種不同硬度試驗發現，硬度對提高抗微動磨損能力效果不明顯。文獻[26]中鋼球/0.6%碳鋼平板試樣的切向微動也表明硬度只對微動磨損有輕微影響，其主要原因是微動磨損產生的氧化磨屑會作為磨料作用于接觸表面。文獻[27]在鋼球/42CrMo平板試樣的徑向與切向微動組成的復合微動試驗中發現，試樣硬度低時其抗徑向微動磨損性能好，而硬度高時抗切向微動磨損性能相對較好。

3.5 涂層

文獻[28]認為使用硬質涂層可減緩軸承的微動磨損。對于軸承的Fe基材料，B+，N+等輕元素離子注入表面能獲得摩擦系數低且耐磨性高的潤滑表面，從而降低微動磨損程度。文獻[29]利用化學復合鍍的方法在鋼球表面鍍覆一層Ni-W-P/BN多元復合鍍層，其滑動摩擦系數大大降低且耐磨性顯著提高，在受到法向交變載荷后，鋼球的微動磨損相對減少，從而延長了使用壽命。另外， FAG軸承公司的資料表明，在軸承滾道上涂有磷酸鋅鍍層或鉻基薄層可提高其抗微動磨損的能力。

4 結束語

微動磨損對軸承運轉性能和使用壽命影響較大，是軸承常見的失效方式之一。而實際工程中軸承微動磨損的機理和過程較復雜，損傷程度涉及受力狀態、潤滑、材料以及設計參數等因素，且在不同的工程應用場合下，軸承有其特定的微動磨損過程。因此未來有必要結合軸承使用情況對其微動磨損進行深入研究，以掌握規律，為減緩微動磨損提供參考。