SCR摩根軋機軸承損傷原因探究及處理

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司,江西 貴溪 335424)

滾動軸承是重要的機械基礎件，對主機的運轉精度和工作效率起著至關重要的作用[1]。多年來，因軋制質量好，輥隙易調整，軋輥互換性好，換輥快捷等[2]優(yōu)點，SCR摩根軋機在國內、外得到廣泛應用，而其關鍵零部件滾動軸承的工作性能和使用壽命，對整條軋機生產線舉足輕重。現對軸承損傷原因進行探究、分析，并提出改進措施。

1 工況特點及要求

摩根軋機工作結構示意圖如圖1所示。摩根軋機軸承用于支承轉動的軋輥，以保持軋輥在機架中處于正確的位置，并承受由軋輥傳遞來的軋制力。軸承同時承受徑向載荷和軸向載荷，工作在中速、重載、高溫、振動、沖擊、摩擦和介質腐蝕等惡劣環(huán)境中，其溫度極不穩(wěn)定，且易受到濁液、雜質等侵蝕。這就要求軸承要有高可靠性、長壽命、耐沖擊及磨損、良好的潤滑、密封性能和冷卻條件。摩根軋機軸承需背對背成對安裝使用，以避免引起附加軸向力，且可在兩個方向將軸或外殼限制在軸向游隙范圍內。

圖1 摩根軋機工作結構示意圖

2 損傷分析及應對措施

2.1 疲勞剝落

疲勞壽命是軸承質量的綜合反映[3]。接觸疲勞是軸承的主要失效形式，其特征是軸承出現麻點或脫落。初級損傷通常發(fā)生在溝道和鋼球上，最終會惡化為剝落形式的二級損傷。通常，該損傷可分為3種。

2.1.1 軸承內部剝落

軸承內部剝落最為常見，常發(fā)生于內、外溝道和鋼球表面，特征是呈箭頭狀剝落。通常由軸承內部的碎片、壓痕、刻痕、蝕刻及硬雜質顆粒等引起，起源于極高的局部應力處，導致軸承過早疲勞損傷，使振動和噪聲加劇。對此，應進一步探究、完善軸承周圍的結構設計，如：為兼顧高速性及密封性，選擇高性能密封設計，既保證高速旋轉時的低摩擦、低發(fā)熱，又能有效防止外部異物、水分的侵入，保證軸承在潔凈環(huán)境下正常運轉；還應合理選擇軸承接觸角并增設軸承故障監(jiān)測點。

2.1.2 幾何應力集中引起的剝落

幾何應力集中引起的剝落發(fā)生于軸承內圈表面上，特征是局部嚴重疲勞剝落和破裂，由軸承座、軸的偏心或承受重載荷而引起。軸彎曲或邊緣載荷會引起軸承局部區(qū)域的應力過大，對此，應精確加工軸承座、擋肩或重新研究使用條件。

2.1.3 非金屬夾雜物剝落

非金屬夾雜物剝落主要發(fā)生于軸承溝道表面以下，呈局部橢圓形剝落。軸承經歷了數萬次載荷周期后，在軸承鋼內部含有非金屬夾雜物的次表面局部區(qū)域易產生疲勞剝落源，所萌生的微裂紋擴展至溝道表面形成剝落損傷。隨著軸承鋼潔凈度的不斷提高，該類損傷極為少見。對于摩根軋機軸承，即使有輕微剝落等損傷，也會發(fā)出異常聲。因此，可采用測音器對運轉中軸承滾動的音質及聲音大小進行檢測，加以預防。

2.2 燒傷

燒傷發(fā)生于鋼球與保持架或內、外溝道之間。鋼球、溝道及保持架在旋轉中急劇發(fā)熱，直至變色、軟化、熔敷和破損。其特征是燒傷表面變粗糙且有金屬灼燒色。雖然軸承燒傷有溫升先兆，但何時發(fā)生卻難以控制。產生該損傷的主因有以下幾個方面。

2.2.1 潤滑不良

潤滑不良是造成軸承過早損傷的主因之一。現場統計資料表明：約40%的軸承損傷與潤滑不良因素有關。潤滑油變質、缺油及油牌號不對，皆會造成軸承燒傷。對此，應仔細檢查軋機潤滑油供油系統，加大對用油的監(jiān)控力度，選擇適宜的油牌號和黏度；對關鍵潤滑點，必須定期巡檢和加油潤滑，以免泵、閥門、管路或噴油嘴等出現故障。

2.2.2 軸承損壞

保持架或鋼球出現碎裂等會導致軸承燒傷，遇此情況，應立即停機，及時更換軸承或進行維修。

2.2.3 配合不當

軸承與軸或軸承座間配合不當也會造成軸承燒傷。配合過松，易使軸承與軸和軸承座之間松動而發(fā)生相互轉動；配合太緊，易使軸承變形并產生較大應力，這些均會造成軸承燒傷。對于軸承與軸配合，過松時，可在軸上涂金屬漆；過緊時，應重新磨削軸。對于軸承與軸承座配合，過松時，應把軸承座鑲緊；過緊時，則應重新加工軸承座。機構運轉時，安裝軸承的部位允許有一定的溫度，用手感觸機構外殼時，以不燙手為正常；反之，則軸承溫度過高，易產生燒傷，應檢查原因并采取改進措施。

2.3 異物磨損

2.3.1 研磨損傷

研磨損傷在異物磨損中最常見，主要發(fā)生于鋼球和溝道上，會造成軸承軸向游隙或內部間隙增大，精度和壽命降低，且影響機器的其他零件。磨削和機加工過程產生的以及齒輪帶來的金屬微粒、碳化物或沙粒進入軸承內部，皆會磨損鋼球或溝道。

過濾器失效及軸承座初次清洗不干凈，將導致磨粒積聚；密封圈因嚴重磨損或失效，易使異物侵入軸承，這些皆會使軸承產生研磨損傷。對此，應改善密封裝置，及時清洗過濾裝置及軸承座。

2.3.2 麻點擦傷

麻點擦傷發(fā)生于鋼球和溝道上，主要表現為：零件表面有分散或密集分布的有一定深度的黑色針狀凹坑[3]。麻點擦傷由大顆粒灰塵、軸承座清潔不凈而殘留的金屬碎片等硬質顆粒在軸承內滾動而形成，應從控制材料缺陷、腐蝕、潤滑和密封等方面考慮，認真加以預防。

2.3.3 碎屑擦傷(壓傷)

碎屑擦傷發(fā)生于軸承工作表面上，特征是：形狀和大小不一，有一定的深度，壓痕(坑)邊緣較光滑且輕微凸起。內部碎屑污染通常是由于密封圈、離合器、制動器、齒輪、花鍵、接頭及軸承座等清潔不當或部件發(fā)生損傷或剝落造成的；外部碎屑污染一般是由灰塵、環(huán)境顆粒和沙粒所致。硬質顆粒隨著潤滑油進入軸承，會引起軸承內表面擦傷(壓傷)。因此，應充分過濾潤滑油。

2.3.4 槽痕

槽痕發(fā)生于滾動零件上。一旦清潔不當，殘留的金屬碎片和其他大顆粒污染物等楔入軟質保持架材料，極易導致槽痕，影響滾動接觸幾何形狀，降低軸承的使用壽命。

2.4 軸承內、外圈裂紋或溝道損傷

軸承內、外圈裂紋或溝道損傷發(fā)生于軸承內、外圈或溝道上，通常是未遵循廠家推薦的軸承配合方式，且未結合現場實際造成的。裝在旋轉軸上的內圈應采用過盈配合，外圈則采取過渡配合；為防止軸承熱膨脹，有時外圈甚至采用松配合，這主要取決于具體應用狀況。軸徑過大、圓度超差，或安裝在拱起的金屬刻痕或金屬雜質上，易導致軸承內、外圈破裂。軸承座運行中破裂，若仍繼續(xù)使用的話，則易導致軸承外圈斷裂。

2.5 保持架破損

保持架破損主要發(fā)生于保持架的兜孔、梁或鉚釘處，主要表現為：保持架構件變形、磨損和疲勞斷裂。保持架通常由低碳鋼、青銅或黃銅等材料制成，裝拆不慎、使用工具不當或程序錯誤等均易導致保持架破損。保持架常受到軋機乳液、異丙醇、燒堿等的侵蝕，以及摩擦力、張力、離心力和慣性力等作用，而使軸承過早出現性能問題。其誘因太過復雜，應聯系軸承制造商共同分析。

2.6 銹蝕

銹蝕是軸承最嚴重的損傷形式之一，發(fā)生于整個軸承零件上，主要表現為軸承全面銹蝕和腐蝕。水、蒸汽和腐蝕性物質(漆、煤氣等)侵入；潤滑劑不合適；軸承座內溫度降低而冷凝積聚的水；密封圈損傷、破損或不合適使得濕氣和水侵入軸承；軸承拆卸、檢查時清洗和干燥不當等均會造成銹蝕。為此，應改善密封裝置，更換新潤滑劑，停轉時采取防銹措施，軸承清洗干燥入庫前涂油防腐，新、舊軸承皆用保護紙包好干燥放置。

2.7 裝拆傷痕

裝拆傷痕發(fā)生于軸承表面上。操作不當或裝拆損傷易使球軸承產生刻痕和壓痕。刻痕和壓痕使邊緣凸起，會產生過高的噪聲、振動及應力集中。對此，操作和裝拆軸承時，應格外小心，避免鋼球、溝道表面和邊緣受損，如：使用硬化的壓入工具，導致軸承的外圈表面或保持架被碰出缺口或撞裂；使用錯誤的安裝工具，使保持架出現破損；安裝過程中，使用硬化沖頭，造成凹痕；軸承座加工不精確，使軸承產生金屬刮痕和擦傷。裝拆時，為避免產生機械磕碰傷，應嚴格按操作規(guī)程執(zhí)行，使用恰當的工具，保證安裝時相互之間的定心。

2.8 軸承卡傷、嚴重脫皮或大片剝落

軸承卡傷、嚴重脫皮或大片剝落發(fā)生于鋼球、保持架或溝道上。其損傷形式與潤滑不足引起的損傷形式在外觀上相仿。兩種誘因常易混淆，需追根溯源，徹底查清。過量預載荷，產生過熱，在滾動面上產生微小燒傷，累積而形成表面損傷(即卡傷)；重載荷導致次表面層過早疲勞剝落，過載易使鋼球表面出現開裂及過早的嚴重疲勞，導致鋼球上的金屬大片剝落，也會使溝道嚴重脫皮和剝落；軸承安裝不正，軸彎曲，也會產生溝道剝落現象等。對此，必須及時檢查載荷的大小，檢查預緊是否適當，改善潤滑油和潤滑方法，檢查軸、軸承座的精度。

2.9 真、偽布氏壓痕

2.9.1 布氏壓痕

布氏壓痕發(fā)生于溝道面和其他轉動面。金屬小粉末等異物侵入時，在溝道面或其他轉動面上產生凹痕；裝拆操作不當，軸承受到大的沖擊，或運行中沖擊載荷過高或靜態(tài)載荷過大，溝道面會產生間距與滾動體間隔相等的壓痕。

軸承內圈與軸采用緊配合安裝時，作用于外圈的力將產生額外的軸向載荷使鋼球與溝道間產生沖擊載荷，瞬間極高的沖擊載荷會導致套圈產生布氏壓痕，有時甚至使鋼球或溝道破裂。對此，應采取過濾潤滑油，改善密封裝置，改善組裝及使用方法等應對措施。

2.9.2 偽布氏壓痕

偽布氏壓痕發(fā)生于鋼球和溝道上，是類似布氏壓痕的一種假象，其實是磨損。軸承在微振期間，鋼球和滾道間會因振動和搖動而產生偽布氏壓痕。例如：火車、貨車、海運等長途運輸途中的劇烈振動，儲存過程的相對位移，軸承停轉時的振動和擺動，小振幅的擺動運動，潤滑不良均足以導致軸承產生該損傷。因此，運輸過程中，軸和軸承箱應加以固定并將軸承成對包裝，還需對軸承進行預壓以減輕振動并使用適當的潤滑劑。

通過檢查壓痕或磨損的區(qū)域，容易區(qū)分真、偽布氏壓痕。布氏壓痕中原始的表層仍會保留，而偽布氏壓痕中原始的表層會被磨去。

2.10 電蝕

電蝕發(fā)生于軸承表面上，其特征是：放大鏡下觀察呈現斑點、凹坑、密集的小坑。電蝕坑一般呈火山噴口狀，進一步發(fā)展則成為波板狀。其主因有：短路、不正確的設備接地、焊接、接線錯誤、絕緣不夠或不當、靜電泄漏及電動機轉子線圈松動等。通常設定電路時，應防止電流與軸承接觸，或加強對軸承絕緣或接地保護等。

2.11 蠕變

蠕變發(fā)生于軸承配合面上。蠕變部位呈現鏡面狀光亮、暗面或卡傷磨損，與零件原表面有明顯區(qū)別。蠕變實際上是指套圈的滑動現象，配合面過盈量不足、間隙配合或緊定套緊固不夠的情況下，由于滑動而使載荷點向周圍方向移動，產生套圈相對軸或外殼位移的現象。對此，必須檢查過盈量，實施止轉措施，適當緊固緊定套，研究軸和軸承座的精度及粘接配合面。

3 結束語

影響SCR摩根軋機滾動軸承使用壽命的因素很多，正確的操作、日常點檢、維修以及適時調整都十分關鍵。為保證下一周期系統正常運行，需要有針對性地對軋機滾動軸承損傷原因進行分析、探討與技術研究，并加強重點維護保養(yǎng)、定期檢修、及時監(jiān)控與適時更新。