下羅拉軸承的早期失效分析

羅平爾，衛瑞元

(1.蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州215040;2.蘇州大學，江蘇蘇州215040)

在現代紡織機械中，下羅拉軸承為非標準滾針軸承，具有質量輕、摩擦阻力小、啟動快、潤滑相對簡單、便于失效更換等較多優點，作為承受載荷的支承件在紡織行業被廣泛運用。LZ16.5 下羅拉軸承設計要求額定壽命20 000 h，但在實際使用時，經常會出現提前失效，甚至正常運行10 000 h 都不到就出現失效導致細紗機故障。因此有必要對失效的軸承進行試驗分析，研究早期失效的機制，并改進以提高生產效率。

作者從設計強度是否足夠、加工材料是否存在問題、使用中有無做好潤滑工作3 點出發，采用表征分析、尺寸測量、金相組織觀察、硬度分析、油脂水分測試和紅外光譜分析等方法，通過物理和化學檢測指標，對下羅拉軸承進行失效機制分析，找出引起軸承失效的原因。實踐證明，這種方法能夠準確地確定下羅拉軸承失效的主要原因。

1 軸承概況

下羅拉軸承為非標準滾針軸承，采用GCr15 制造該軸承內、外圈和滾針，采用尼龍制造保持架，屬于輕型軸承，質量0.07 kg，最小基本承載能力6 kN，在運轉時，單側受力2 940 N，表面速度達70 m/s，轉速約4 000 r/min。在軸承廠進行疲勞實驗時，額定壽命為20 000 h，該軸承LZ16.5P0設計尺寸和精度等級見表1。

表1 LZ16.5的基本尺寸 mm

2 外觀檢測

取一組共4個失效軸承進行分析。外觀檢測發現:其外圈和保持架上均粘著黑色潤滑脂，其中3個失效軸承的潤滑脂中還附著大量紗線，另一個軸承經清洗后，發現內圈表面有紅褐色和黑色斑點，位于軸承內圈中間位置(見圖1)，說明該軸承已經銹蝕。4個軸承的內圈端面上均有明顯的凹坑、條痕和麻點。根據軸承的失效原理推斷:銹蝕是由于水汽等侵入，并發生化學或電化學腐蝕造成的;壓坑是在外力的作用下，由于硬質物體 (如運轉中產生的金屬顆粒)侵入工作表面產生的;條痕屬于劃傷，是硬質物體侵入工作表面后產生相對運動造成的;麻點是表面塑性變形并產生疲勞剝落造成的。顯然，軸承在運轉過程中發生過磨粒磨損、銹蝕和表面局部塑性變形等損傷，保持架上的黑色干涸的潤滑脂及其中的紗線，說明有雜質、異物等進入，引起摩擦阻力增大，極可能伴隨產生高溫，使潤滑油膜被擊穿，在表面產生高溫氧化或者高溫回火、二次淬火等。針對這一現象，需要對表面硬度、金相組織等進行測試。

圖1 失效軸承外觀檢測

3 化學成分

采用光電直讀譜分析儀，對失效軸承的內、外圈材質進行了化學成分分析。從表2可以看出:軸承內、外圈材料為高碳鉻軸承鋼，內圈的碳元素明顯偏低，其他元素含量基本符合GB/T 18254-2000 《高碳鉻軸承鋼》標準對GCr15的要求。

表2 失效滾動軸承鋼的化學成分(質量分數) %

4 金相組織

在新軸承和3號失效軸承的內、外圈切取試樣，將試片用4%的硝酸酒精侵蝕，并在試片上檢測金相組織及其化學成分。在掃描電鏡(SEM)下其組織形貌如圖2—3所示。從圖中可以看出:軸承內外圈組織均為回火針狀馬氏體、呈團絮狀的不規則白色顆粒的合金滲碳體(Fe，Cr)3C，及殘留奧氏體的復相組織。

圖2 新軸承金相組織

圖3 3號失效軸承的金相組織

經對比，新軸承樣本和失效軸承樣本內均未發現明顯的金相組織變化，基本符合JB/T 1255-2001的淬回火馬氏體組織3級規定。

5 硬度檢測

用洛氏硬度儀對內、外圈進行檢測，由于滾針細小，采用維氏硬度檢測，然后換算為洛氏硬度。為了更好地說明問題，采用了6個樣本進行對比分析(1號、2號為新軸承，3號～6號為失效軸承)，測量數據見表3。

表3 硬度數據檢測

由表2可知:新軸承和失效軸承的內、外圈及滾針的硬度值分布較均勻，但與JB/T 1255-2001 規定的GCr15 淬回火組織的硬度(HRC60～65)相比偏低;新軸承的內、外圈及滾針的硬度值比失效軸承的硬度值偏低，失效軸承的內、外圈及滾針的硬度值比新軸承的高約HRC1～2。在軸承配對設計中，外圈固定則要求外圈比內圈和滾針的硬度偏高或一致，因此新舊軸承滾針的硬度匹配度與設計原則略有偏差。且失效軸承在使用過程中，由于塑性變形導致表面硬度上升，產生表面硬化，外圈的表面硬化變化更加明顯。

6 水分測試與油脂分析

6.1 水分測試

由于有個別軸承的表面出現了銹蝕，所以，需對軸承表面進行水分測試，以檢驗水汽等的侵入情況。此次實驗采用卡爾費休庫侖法，測定時間短，測定等級可達10－6，雖然有些具有副反應的物質如酮類、醛類不能測定，但用在該產品的測試上相當合適。軸承油脂所含水分的測試結果如表4所示，除生銹的軸承，其余軸承的水分含量均值為541.7×10－6。從水分測試結果可見，軸承生銹是偶然現象，一般軸承的水分含量并不多，基本在一個合理的范圍內。

表4 卡爾費休水分測試

6.2 紅外光譜測試

滾動軸承損壞的原因30%是由于軸承的潤滑不良，良好的潤滑對提高軸承壽命和勞動生產率有著至關重要的影響[3]。選用合適的潤滑油脂，并且添加合理的數量，能減少軸承的摩擦與磨損，使軸承運轉平穩[4]。

(1)潤滑脂各組分的鑒別。通過對失效軸承(樣本5，生銹)上所提取的油脂進行紅外光譜測試，并與克魯伯ISOFLEX TOPAS L32 潤滑脂和未失效的潤滑脂進行了對比分析，所得結果如圖4所示。

圖4 油脂紅外光譜測試分析

由圖4可知:失效潤滑脂在3 600～3 500 cm－1左右出現的寬的吸收峰和1 700 cm－1左右出現的尖銳強譜帶，是由碳氧雙鍵C==O 伸縮振動造成的，隨著運轉時間的延長，吸收峰在不斷地加劇和提高，說明高溫下，潤滑脂正在不斷地氧化分解。研究表明:油脂在1 700～1 740 cm－1左右出現了明顯的碳氧雙鍵C==O伸縮振動吸收，其對波峰的吸收與油脂的劣化程度成正比，是油脂化學劣變的一項重要參數。從這項參數結合失效軸承油脂樣品對光譜的吸收明顯減少進行分析，說明油脂在運轉中，可能由于紗線等的進入導致高溫，羥基硬脂酸鋰基脂、碳氫脂肪油的氫原子被奪取了，出現了氧化分解，伴隨出現含C==O的基團或Si、S 等有機低分子分解產物，致使潤滑性能顯著惡化。通過圖譜分析可知:軸承中的潤滑脂已被破壞，油脂失效了。紅外光譜分析雖然是一種重要的分析手段，還可以借助其他的一些分析手段，如鐵譜分析、X射線衍射、能譜分析等進行進一步的細致分析[5]。

(2)添加劑及污染的鑒別及圖譜分析。由圖4可知:添加劑在潤滑油中所占的比例非常低，一般只有5%。通過圖4的圖譜分析，發現在3 650、1 230、1 160、860 cm－1有特征吸收峰，這是由于添加了抗氧劑BHT，而且，在失效的軸承潤滑脂中還繼續存在著。其他諸如防銹劑、硫化油的波峰，并不是非常明顯，對軸承的失效影響不大，故不再討論。在3 800 cm－1有水的OH 伸縮吸收峰，說明存在高濃度的水，即脂已經受到了水污染，故而引起軸承的生銹。

7 綜合分析

失效軸承材料為GCr15軸承鋼，其化學成分基本屬于正常范圍，但其內圈的含碳量略低，從硬度檢測結果來看，滾針的硬度高于內、外圈，說明內、外圈容易磨損和脫落，這點從外觀檢測結果:4個軸承的內圈端面上均有明顯的凹坑、條痕和麻點得以驗證;外圈固定，內圈轉動，外圈硬度低于內圈硬度，這種匹配度與常規設計略有偏差。

從紅外光譜分析可知:由于紗線的導入造成油脂出現氧化分解，這是由于軸承密封不好，異物進入，滾動體與內外圈的摩擦力矩增大，摩擦產生大量的熱，被擠壓部位形成高溫區，由于潤滑油的存在，因此表面高溫部位被重新淬火，形成了淬火馬氏體。同樣由于局部高溫的作用，使緊靠表面的次表層又接受了一次回火，回火溫度高于滾針原來熱處理的回火溫度，致使次表層硬度下降，極易剝落，剝落后形成凹坑，擠壓后形成條痕。從硬度檢測結果:失效軸承的內、外圈及滾針的硬度值比新軸承的高約HRC1～2得到驗證。

另外從紅外光譜分析可知:內圈表面有紅褐色和黑色斑點是由于在3 800 cm－1有水的OH 伸縮吸收峰，說明存在高濃度的水，即脂已經受到了水污染，故而引起軸承生銹。

8 結論及建議

由綜合分析不難得出如下結論和建議:

(1)由于密封不好，異物進入使軸承內表面產生較大的壓應力，產生凹坑、條痕，導致細紗機上下羅拉滾動軸承早期失效。(2)由于密封不好，使油脂受到了水污染，故而引起軸承生銹，導致內圈表面有紅褐色和黑色斑點。(3)在軸承配對設計中，外圈固定則要求外圈比內圈和滾針的硬度偏高或一致，因此新舊軸承滾針的硬度匹配度與設計原則略有偏差。建議將外圈的設計硬度提高HRC2。(4)增加密封裝置，建議采用橡膠密封圈密封，并采用雙唇密封，設計時讓唇口以過盈配合與軸承內圈貼合，從而達到防塵密封的目的，避免因密封不良引起早期失效。

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