滚动轴承是旋转机械中的重要零件, 在各个机械部门有着广泛的应用。然而滚动轴承也是机器中最易损坏的零件之一, 有资料表明, 在旋转机械中有70%的故障是由滚动轴承引起的, 在齿轮箱的各类故障中轴承的故障仅次于齿轮而占到19%, 电机故障中有80%表现为电机轴承故障[1]。而滚动轴承的失效必然导致机械装置运行的不正常, 甚至引发灾难性的后果, 因此, 对滚动轴承常见故障的研究显得十分重要。
1 我们从轴承工作时轴承元件上的载荷及应力变化来分析轴承故障
轴承工作时, 各个元件上所承受的载荷及产生的应力是时时变化的。如图1所示。
当滚动体进入承载区, 所受载荷由0逐渐增加到FN2、FN1直到最大值FN0, 然后逐渐减小到0, 就滚动体而言, 它的载荷及应力是周期性的不稳定的变化。对于固定的外圈, 处于承载区的各点接触, 按其所在位置不同, 将受到不同的载荷, 处于Fr作用线上的点将受到最大的接触载荷。对于每个具体的点, 每当一个滚动体滚过时, 便承受一次载荷, 其大小是不变的, 也就是承受稳定的脉冲循环载荷的作用。
从上述的工作过程我们了解处于Fr作用线上的点承受的应力最大。受到损坏的可能性也是最大的。从实际的工作中我们得到验证。常见滚动轴承的损坏征状有如下几点。
(1) 承受负荷的内外圈、滚动体 (滚珠、滚柱等) 表面磨损和剥落。造成滚动轴承的径向间隙、轴向间隙增大, 滚动轴承在工作中发出噪声和发热, 并且破坏了与其配合轴的正确工作位置, 出现振动。表面疲劳剥落的初期是表面上出现麻点状的小凹坑, 最后发展成片状的表层脱落。轴承滚动体和内、外圈滚道面上均承受周期性脉动载荷的作用, 从而产生周期变化的接触应力。当应力循环次数达到一定数值后, 在滚动体或内、外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大, 会使这种疲劳加剧。另外, 轴承安装不正、轴弯曲, 也会产生滚道剥落现象。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度, 使机构发生振动和噪声。
(2) 轴承内外圈的配合表面磨损。由于轴承内外圈与轴和壳体孔装配时没有配合好, 破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系, 进一步加速了轴承本身和与之配合的轴或壳体上配合表面磨损 (俗称走内圈或走外圈) 。
(3) 滚动轴承隔离圈磨损和松旷。在工作中隔离圈和滚动体 (滚珠、滚柱等) 相互摩擦, 若润滑不良, 则加快磨损。隔离圈磨损以后, 滚动体松动, 严重时会造成隔离圈散架, 滚动体脱落。
(4) 轴承烧伤。由于润滑不良, 或润滑油不符合要求, 以及轴承间隙调得过小, 轴承工作时迅速发热, 工作表面因受高温而退火。在外表观察时, 可发现工作表面的颜色发生变化。
(5) 塑性变形。轴承的滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑, 说明轴承产生塑性变形。其原因是轴承在很大的静载荷或冲击载荷作用下, 工作表面的局部应力超过材料的屈服极限, 这种情况一般发生在低速旋转的轴承上。
(6) 轴承座圈裂纹、保持架碎裂。轴承座圈产生裂纹的原因可能是轴承配合过紧, 轴承外圈或内圈松动, 轴承的包容件变形, 安装轴承的表面加工不良等。保持架碎裂其原因是润滑不足, 滚动体破碎, 座圈歪斜等。座圈滚道严重磨损, 可能是座圈内落入异物, 润滑油不足或润滑油牌号不适。
2 轴承常见故障检测
不通过拆卸检查即可识别或预测运转中的轴承有无故障, 这对提高生产率和经济性是十分重要的。运转中的检查项目有轴承的滚动声、振动、温度的状态等, 主要的识别方法如下。
(1) 通过轴承的滚动声音进行识别。通过声音进行识别需要有丰富的经验, 必须经过充分的训练达到能够识别轴承声音与非轴承声音, 为此, 应尽量由专人来进行这项工作。用听音器或听音棒贴在外壳上可清楚地听到轴承的声音, 也可采用测声器对运转中的轴承的滚动声大小及音质进行检查, 轴承即使有轻微的剥离等损伤, 也会发出异常声音和不规则声音, 用测声器就能够分辨。
(2) 通过轴承的振动进行识别。轴承振动对轴承的损伤很敏感, 例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来, 所以, 通过采用特殊的轴承振动测量器 (频率分析器等) 可测量出振动的大小, 通过频率分析可推断出异常的具体情况。测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等而不同, 因此需要事先对每台机器的测量值进行分析比较后确定判断标准。
(3) 通过轴承的工作温度进行识别。轴承的温度一般由轴承室外面的温度就可推测出来, 如果利用油孔能直接测量轴承外圈温度则更加合适。通常, 轴承的温度随着运转开始慢慢上升, 1h~2h后达到稳定状态。轴承的正常温度因机器的热容量、散热量、转速及负载而不同。如果润滑、安装不合适, 则轴承温都会急骤上升, 会出现异常高温, 这时必须停止运转, 采取必要的防范措施。使用热感器可以随时监测轴承的工作温度, 并实现温度超过规定值时自动报警或停止, 防止燃轴事故发生。
用高温经常表示轴承已处于异常情况。高温也有害于轴承的润滑剂, 有时轴承过热可归诸于轴承的润滑剂。若轴承在超过125℃的温度长期运转会降低轴承寿命。轴承引起高温的原因有:润滑不足;润滑剂内含有杂质;负载过大;轴承损环;间隙不足及油封产生的高摩擦等等。因此连续性的监测轴承温度是有必要的, 无论是测量轴承本身或其它重要的零件。如果是在运转条件不变的情况下, 任何的温度改变可表示已发生故障。
所以从以上几个方面, 如果我们可以做到提前预防, 及时点检就可以减少许多意外事故的发生, 间接提高了生产效率。
摘要：本文针对工作中常见的轴承故障进行研究, 从轴承元件上的载荷及应力方面进行分析, 明确故障产生的原因。根据故障产生的症状与规律, 采取了一系列提前预防的措施, 效果明显。
关键词：接触载荷,表面磨损,震动,噪声
参考文献
[1] 李国华.机械故障诊断[M].化学工业出版社, 2002.
[2] 程光友.时域指标在滚动轴承故障诊断中的应用[J].中国设备工程, 2005 (12) :34～35.
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[4] 王江萍.机械设备故障诊断技术及应用[M].西安:西北工业大学出版社, 2001.
[5] 濮良贵.机械设计[M].高等教育出版社, 2006.