冶金生产中影响轴承使用寿命分析

1045 编辑：中冶有色技术网来源：刘建新

2024-03-06 11:40:01

摘要：在冶金生产当中，轴承的使用非常广泛，因此，剖析轴承使用寿命，直接关系到机械设备的正常使用及其生产的正常进行。

关键词：失效疲劳润滑表面粗糙度

1.引起轴承失效的原因

1.1磨损失效

磨损失效是指表面间的相对滑动摩擦导致轴承工作表面金属磨损产生失效。持续磨损能够引起轴承零件逐步损坏，并使得轴承配合精度大大降低。磨损可能影响到部件外形发生变化，尺寸配合间隙加大以及工作表面形状发生变化，继而影响润滑剂，当润滑剂受到污染达到一定程度时，最终造成润滑作用完全失效，因而使轴承失去运转精度，甚至不能正常运转。磨损失效是冶金生产中，轴承使用最常见的一种失效模式，按照磨损形式可分成：磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和粘着磨损。

磨粒磨损主要由外界硬粒介质侵入摩擦系统，在摩擦表面之间发生切削及磨削，使得金属表面发生塑性变形和疲劳损伤，造成磨损。据日本研究人员报道说，不论进入的污染粒尺寸如何，只要达到一定的集中量，就能使轴承的使用寿命减少到额定寿命的5%至20%，因为污染粒的侵入，促使轴承表面磨损，从而产生剥落。

疲劳磨损主要是在滚动摩擦面上（如滚动軸承的滚动体表面）出现针状或豆斑状的小凹坑（也称为点蚀），当轴承出现疲劳斑点之后，设备仍然能够运转，但是机械振动和噪声会突然加大，运行精度急剧下降，使用寿命也会相继降低。

腐蚀磨损是指在轴承工作运行中，工作表面与空气中的氧气产生系列反应，或者与腐蚀性介质发生反应，在这一系列反应中，工作表面疏松、容易脱落且耐磨强度降低。常见的腐蚀磨损有：氧化磨损、特殊介质磨损和气蚀磨损。

粘着磨损是因为轴承表面糙度的影响，在外力作用中，运动着的摩擦面接触点产生瞬间升温，摩擦面表面膜在高温高压下受到破坏，在此接触点上发生塑性变形和金属粘着，尤其是当润滑条件下降时，轴承发生至粘着抱死。

1.2接触疲劳失效

接触疲劳失效是指轴承工作表面受到交变应力的作用而发生的失效。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，通常伴随着疲劳裂纹，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生，然后扩展到其它处表面，进而形成相异的剥落外观，例如：点状的点蚀或麻点剥落，剥落成小片状的称为浅层剥落。随着剥落面的逐步增大，不断向深层扩延，形成深层剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。

2.影响轴承使用寿命的条件

2.1工作条件的影响

例如：轧钢生产中，轧辊轴承主要承受很高的单位压力以及一千摄氏度左右的高温，通常轧辊轴承的单位压力p高达到2000-4800N/cm2，是普通轴承的2至5倍，受到的冲击载荷比较大，而且运转速度频繁变化，若采用循环水进行设备冷却时，污水和氧化铁皮等杂质容易进入引起轴承的磨损。各类电机轴承及减速机轴承在烧结、焦化、炼铁炼钢生产中，影响轴承使用寿命的环境条件主要是金属粉尘的侵入引起润滑剂失效而最终造成轴承磨损，另外，还有设备长时间不间断运转，造成轴承疲劳受损。

2.2润滑条件的影响

使用润滑油或润滑脂的轴承，润滑剂种类或牌号的选择也起到了关键作用。粘度是润滑油的重要特性，粘度的大小直接影响润滑油的流动性及摩擦面间形成的油膜厚度，转速愈高应选较低的粘度，负荷愈重应选较高的粘度。常用的润滑油有机械油、高速机械油、汽轮机油、压缩机油、变压器油、气缸油等。

由上图可见，随着轴承温度的升高，温度系数成反比趋势逐渐减小，代入轴承寿命计算公式可知，轴承寿命也成反比趋势逐渐减小。

2.4金属组织对轴承寿命的影响

控制金属组织缺陷例如气孔、疏松和碳化物积聚等不利因素外，金属组织中的夹杂物会严重影响金属材料的疲劳性能和使用强度。在良好的润滑条件下，轴承的疲劳寿命是理论寿命的20～100 倍。组织中存在夹杂物时，使用寿命大幅度下降。裂纹首先发生在夹杂物与基体交界处，并逐渐扩展而导致疲劳剥落。

2.4.1碳化物对轴承使用寿命的影响

高碳轴承钢经过淬火和低温回火处理后，得到组织为未溶碳化物+针状马氏体+残余奥氏体。影响到金属表面性能的是未溶碳化物的含量、碳化物的形态分布、马氏体针状度的大小以及残余奥氏体的含量。通过对进口轴承和国产轴承组织结构与性能进行的对比分析，得出：进口轴承钢中的未溶碳化物含量比国产轴承钢的未溶碳化物含量要低一些，所以其硬度稍高。原因是未溶碳化物的含量减少，能使马氏体基体中的碳浓度提高，硬度也会相应地提高。淬火后，轴承钢中的少量未溶碳化物可以使轴承保持一定的耐磨性，亦能抑制马氏体晶粒的长大，获得到细晶粒隐晶马氏体，可以提高轴承的强韧性和接触疲劳强度等性能。网状碳化物的存在会削弱基体晶粒之间的联系，也会降低轴承的疲劳极限。例如滚动轴承：当滚动体与滚道之间的循环应力超过其疲劳极限时，滚道处首先产生裂纹。随着裂纹不断扩展最终导致金属剥落，缩短了滚动轴承接触疲劳寿命。

2.4.2贝氏体对轧机轴承使用寿命的影响

轴承经过下贝氏体等温处理后，相比于马氏体淬火组织，平均使用寿命能够提高66%。这主要是由于下贝氏体组织的特殊性能，下贝氏体组织能够提高高碳铬轴承钢的比例极限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率，且有比较高的冲击韧性、断裂韧性、耐磨性以及尺寸稳定性。这些性能主要取决于贝氏体的细化程度和含量。高碳铬轴承钢经下贝氏体淬火后，其组织主要由下贝氏体、马氏体和未溶碳化物组成。其中下贝氏体为不规则相交的条片，条片为碳过饱和α结构，其上沿着与片的长轴呈55°～60°的方向分布着颗粒或短杆状碳化物，空间形态呈凸透镜状，亚结构为位错。贝氏体的数量及形态因工艺不同而各异。一般情况下，随着淬火加热温度的升高，贝氏体条片变长,等温温度升高，贝氏体条片变宽，碳化物颗粒变大，且贝氏体条之间的交角变小，逐渐趋向平行排列，形成类似上贝氏体的形貌,等温淬火后的贝氏体量随等温时间的延长而增加。

4.改善轴承使用寿命的措施

4.1润滑的作用

润滑剂在摩擦表面之间能够减少磨损，保持零件配合精度，能够降低摩擦系数，减少摩擦热的产生，起到降温冷却的作用，使得机械运动控制在所要求的运行温度范围之间。润滑油和润滑脂能够隔绝水分和有害介质的侵蚀，对金属表面起到防腐、防锈和保护作用。另外，润滑剂还可以防止有害杂质侵入机件内部而起到良好的密封作用。在使用过程中，必须严格控制适度的装脂量。例如，对于密封轴承，轴承内径dζ9mm时，装脂量为轴承空腔的50%,10mmζdζ50mm时，装脂量为35%, d>50mm时，装脂量为30%。

据统计，2011年三月，在宣钢小型轧钢厂二小型冷床对齐辊道轴承改型选用了TEP300润滑脂代替之前使用润滑脂，每年可节约材料、备件费用10.02万元。所以，综上所述，合理选择润滑剂有着改善轴承使用寿命的至关重要作用。

4.2良好的儲存与清洁

所有的轴承在安装使用前都应该保存在清洁、干燥、相对恒温的环境中。滚动轴承应该避开灰尘、水和腐蚀性化学物质。振动可能会造成轴承机械性能的破坏，因此在储存过程中必须避免振动。一般来说，轴承都应水平保存，因为有些较重的轴承长久竖直放置后，会由于自重而发生变形。预先涂有油脂的（或密封的）轴承需要特别小心，因为油脂长时间存储，密度会有所改变。这样当轴承第一次使用时，会存在一定程度的转动噪音。因此，这种轴承的搁置时间应该按照“先进先出的原则来控制。保持清洁对于轴承也至关重要，轴承环转动面和滚动元件的表面粗糙度一般为1/10 μm，如此光滑的表面对污染物造成的损坏非常敏感。转动面之间的润滑层通常为0.2～1 μm，大于润滑剂粒径的颗粒型杂质会受到滚动元件的过度碾压而在轴承钢中产生局部压力，最终会导致永久性材料疲劳。除了这一点，外界环境中的灰尘颗粒大小可达10 μm，也会对轴承造成损坏。因此，清洁无尘的环境对轴承的存储和安装来说是相当关键的。

49f51a6acc05ef8b852303b3ddbae5abe4b79c930a9a3e698b75bae89346bb5d6.3安装与拆卸

安装和拆卸轴承应该使用合适的工具。据行业专家估计，过早的轴承失效情况中的16%是由于不正确的安装。对于大量安装（例如在生产装置中）来讲，通常要严格控制条件安装，还可以采用合适的轴承安装设备。但是，在维护或替换工作中，环境是多种多样的。因此，为确保最长的轴承使用寿命，全面的准备工作对轴承安装也是很必要。首先，有关的文件，例如图纸、维护手册、产品说明书等需要经过仔细研究。其次，所有的轴承元件，例如轴、定距环、盖、垫圈等须保持干净无污染。邻近部件的状态也要仔细检查。准备工作完成后，要根据不同的应用以及轴承尺寸和类型，选择合适的安装步骤（机械的或液压的）和工具。以下是轴承安装的基本原则：

1. 严禁在滚动元件上施加安装力，这很容易导致滚动元件和座圈接触面的局部超载，从而导致轴承的过早失效。

2. 严禁用任何坚硬的工具（例如锤子、起子等）直接敲击轴承表面，这会导致轴承环的断裂或碎裂。

3.严格遵守安装设备供应商的指导。

另外，轴承的拆卸与安装一样，拆卸轴承也要进行认真准备，拆卸过程中，要确保相邻的部件，例如轴和轴套没有损坏。要根据轴承类型、尺寸和应用场合选择合适的方法和工具。技术设计人员也应该注意，设计良好的轴承位置可以方便轴承的安装与拆卸，因而降低维护成本。

4.4监测维护以及培训

轴承与机器设备中其它所有重要的部件一样，应该对它们进行定期检查和维护。检查和维护的频率主要取决于其应用设备的重要性和各个设备的运行条件。由于轴承作用关键，可以在其设计阶段加入状态监测功能，例如润滑油油位、温度等数据。机械设备运行的重要参数，例如震动和噪音可以连续监测，并提前做好预防措施。适当的技术培训是实践的基础，也是非常必要的。如果技术人员在处理轴承过程中具备基本的知识，那么就可以避免重大的操作错误。

5.结语

轴承通常是机械设备中的重要部件，设计和产品开发工程师能够通过轴承优化设计，最大发挥设备性能。为确保轴承最长的使用寿命，采取正确的保存、谨慎的安装和拆卸、足够的润滑、正确的状态监测、及时的维护，最后还有合理的人员培训，对提高轴承使用寿命和设备性能都是很重要的。

参考文献

[1]王运炎.金属材料及热处理[M].北京：机械工业出版社，1991

[2]胡邦喜.设备润滑基础.北京：冶金工业出版社，2002

作者简介：刘建新女工程师本科河北联合大学机械制造及其自动化

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