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識(shí)別滾動(dòng)軸承的失效模式，并查明造成損傷的原因是避免重復(fù)損傷、提高設(shè)備可靠性的第一步。

作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械設(shè)備中最常見(jiàn)的部件之一，軸承以最低的摩擦將旋轉(zhuǎn)部件（軸）和固定部件（軸承座）組合在一起。有了軸承，汽車(chē)、飛機(jī)、發(fā)電機(jī)、輸送機(jī)、印刷機(jī)等各種旋轉(zhuǎn)設(shè)備得以平穩(wěn)運(yùn)行。

對(duì)于經(jīng)常和工業(yè)設(shè)備打交道的人來(lái)說(shuō)，應(yīng)該更好地了解軸承的工作方式以及在運(yùn)行中過(guò)早失效的原因。

為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的ISO 15243標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滾動(dòng)軸承的不同失效模式進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)每種失效模式的特征、外觀(guān)變化及其可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了描述。該標(biāo)準(zhǔn)的最新版本于2017年發(fā)布。

除了了解失效模式的特征和外觀(guān)，了解導(dǎo)致失效的原因也很重要。認(rèn)識(shí)了這些，有助于采取所建議的糾正措施來(lái)避免失效的再次發(fā)生。當(dāng)然，如果軸承一直運(yùn)行到失效（RTF）并發(fā)生卡死，則可能無(wú)法識(shí)別失效模式及其原因。 

本文總結(jié)了滾動(dòng)軸承的ISO失效模式及其原因。在此之前，首先介紹一些基礎(chǔ)信息。

軸承基礎(chǔ)知識(shí)

滾動(dòng)軸承是由高硬度軸承鋼制成的高精密機(jī)器部件，現(xiàn)在越來(lái)越多的滾動(dòng)軸承采用陶瓷滾動(dòng)體。軸承由內(nèi)圈和外圈、滾珠或滾子及保持架組成，圖1顯示了滾動(dòng)軸承的常用部件。有些軸承還帶有密封或防塵蓋，這種密封式軸承出廠(chǎng)時(shí)已預(yù)填潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂對(duì)于分隔滾動(dòng)體和滾道所需要建立的潤(rùn)滑膜厚度至關(guān)重要。必須為設(shè)備選擇合適的軸承，并正確安裝，確保軸承潤(rùn)滑良好且無(wú)污染。在尋找損傷跡象時(shí)，正確理解軸承內(nèi)部幾何形狀以及軸承的工作原理非常重要。

圖1：軸承術(shù)語(yǔ) - 深溝球軸承。

將從設(shè)備上拆卸下來(lái)的受損軸承的滾道載荷痕跡與運(yùn)行良好的軸承進(jìn)行比較，有助于了解軸承損傷的原因。防范假冒軸承也很重要，因?yàn)榧倜拜S承的使用壽命通常要比知名軸承制造商制造的軸承短很多。

失效原因

導(dǎo)致軸承無(wú)法正常運(yùn)行并失效的原因是什么？

了解失效模式本身很重要，但了解導(dǎo)致失效的原因也許更重要。 

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，不同的人有不同的答案。為了服務(wù)客戶(hù)和開(kāi)展研究，SKF進(jìn)行了許多軸承檢測(cè)和損傷分析調(diào)查。調(diào)查結(jié)果記錄在SKF軸承分析報(bào)告軟件（BART）中。這種基于云的軟件會(huì)跟蹤所運(yùn)行的軸承被拆卸的原因和造成軸承失效的原因，以及一些其他數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，SKF便可以解答這個(gè)問(wèn)題：為什么軸承會(huì)停止運(yùn)行？

數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)軸承因運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)和噪聲過(guò)大而被拆卸下來(lái)。當(dāng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或溫度過(guò)高時(shí)，軸承也會(huì)被拆卸（圖2）。

圖2：軸承被拆卸的主要原因（源自SKF軸承分析報(bào)告軟件）。

潤(rùn)滑不良和污染是造成軸承損傷最常見(jiàn)的原因（圖3）。與潤(rùn)滑相關(guān)的原因可能是潤(rùn)滑不足、使用了錯(cuò)誤的潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑劑含有水分或其他液體、潤(rùn)滑劑性能劣化等。與污染相關(guān)的原因可能在是裝配或維護(hù)期間顆粒污染侵入、機(jī)械部件（齒輪等）磨損造成的顆粒污染、密封失效、過(guò)濾不充分等。其他原因包括軸承使用（應(yīng)用場(chǎng)合）錯(cuò)誤，或軸承安裝（配合）和搬運(yùn)不當(dāng)。

圖3：軸承損傷的常見(jiàn)原因（源自SKF軸承分析報(bào)告軟件）。

軸承運(yùn)行期間的ISO 15243失效模式分類(lèi)

ISO 15243: 2017 [參考文獻(xiàn)1] 對(duì)安裝在設(shè)備中的軸承在運(yùn)行期間發(fā)生的失效模式進(jìn)行了分類(lèi)，也就是說(shuō)不包括部分缺損等制造型缺陷。ISO將失效模式分為六個(gè)大類(lèi)：滾動(dòng)接觸疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、以及裂紋和斷裂（圖4）。每一大類(lèi)都包含子類(lèi)別，以便對(duì)失效模式進(jìn)行更具體的分類(lèi)。

圖4：ISO 15243:2017 失效模式分類(lèi)。

分類(lèi)的編號(hào)（例如 5.1.2）基于ISO 15243第5章。

《軸承損傷和失效分析》手冊(cè) [參考文獻(xiàn)2] 可用于識(shí)別軸承失效模式和原因。

關(guān)于六大類(lèi)失效模式的描述如下：

1　滾動(dòng)接觸疲勞（ISO 5.1）

滾動(dòng)接觸疲勞分為兩個(gè)子類(lèi)：次表面起源型疲勞和表面起源型疲勞。

次表面起源型疲勞（ISO 5.1.2）（圖5）是由滾動(dòng)接觸表面的循環(huán)載荷引起的，隨著時(shí)間的推移會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微裂紋。微裂紋通常在表面下軸承鋼中的夾雜物處萌生，隨后擴(kuò)展至表面，發(fā)生剝落。這種疲勞受軸承質(zhì)量、施加的載荷、潤(rùn)滑和清潔度的影響。這類(lèi)似于軸承額定壽命L10mh。如果軸承因瞬時(shí)過(guò)載或其他削弱 材料性能的運(yùn)行狀態(tài)而承受高應(yīng)力，則次表面疲勞可能加速擴(kuò)展。在這些情況下，疲勞壽命很短（只有L10mh的5%到10%）。

表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）（圖6）是起源于滾動(dòng)表面的疲勞，通常由潤(rùn)滑不良或污染導(dǎo)致的表面損傷引起。潤(rùn)滑油膜厚度不足和固體污染物過(guò)度碾壓會(huì)引起金屬與金屬接觸，從而造成表面微凸體相互剪切。之后相繼出現(xiàn)微裂紋和微剝落，最后導(dǎo)致表面起源型疲勞。

圖5：次表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖6：表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

2　磨損（ISO 5.2）

第二類(lèi)是磨損。ISO將磨損分為兩個(gè)子類(lèi)：磨粒磨損和粘著磨損。

磨粒磨損（ISO 5.2.2）（圖 7）是指在顆粒污染物等磨粒的作用下，表面材料逐漸移失。潤(rùn)滑不充分時(shí)，也會(huì)發(fā)生磨粒磨損。其特征通常是表面外觀(guān)變暗。磨粒磨損是一種退化過(guò)程，最終會(huì)破壞軸承滾動(dòng)表面的微觀(guān)幾何形狀。磨粒會(huì)迅速磨損內(nèi)外圈滾道、滾動(dòng)體以及保持架兜孔。污染物侵入潤(rùn)滑劑和軸承，以及滾動(dòng)接觸中的潤(rùn)滑劑不足都有可能引起磨粒磨損。

圖7：脂潤(rùn)滑軸承中由于潤(rùn)滑劑不足導(dǎo)致的磨粒磨損（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

粘著磨損（ISO 5.2.3）（圖8）是指當(dāng)軸承內(nèi)的兩個(gè)部件相互滑動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，并伴隨著摩擦發(fā)熱的現(xiàn)象。這可能導(dǎo)致材料回火或二次淬火。當(dāng)軸承承載過(guò)輕以及徑向軸承的滾動(dòng)體在進(jìn)入承載區(qū)時(shí)受到強(qiáng)烈的加速作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粘著磨損，表現(xiàn)為涂抹（滑傷、粘結(jié)）。角接觸球軸承在高速、承載過(guò)輕和游隙過(guò)大的運(yùn)行條件下也可能發(fā)生粘著磨損。

圖8：粘著磨損（滑傷）（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

3　腐蝕（ISO 5.3）

第三類(lèi)是腐蝕，分為三個(gè)子類(lèi)：銹蝕、蠕動(dòng)腐蝕和偽布什壓痕。

銹蝕（ISO 5.3.2）（圖9）是濕氣進(jìn)入軸承的常見(jiàn)問(wèn)題。高硬度軸承材料的耐腐蝕性低，當(dāng)軸承處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，濕氣會(huì)在對(duì)應(yīng)滾動(dòng)體間距的位置形成銹蝕，表面氧化后會(huì)在后續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)生次表面起源型疲勞。濕氣極大地降低了潤(rùn)滑劑在運(yùn)行的軸承中形成一定厚度油膜的能力。

蠕動(dòng)腐蝕（ISO 5.3.3.2）（圖10）發(fā)生在配合面之間的界面產(chǎn)生微小運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如軸承內(nèi)圈和軸之間以及軸承外圈和軸承座之間。這可能是由于軸承與軸或與軸承座的配合錯(cuò)誤，還取決于所施加的載荷。例如，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)和載荷恒定的軸承要求其內(nèi)圈與軸具有一定的最小過(guò)盈配合，以避免蠕動(dòng)腐蝕。同樣，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)和內(nèi)圈上施加旋轉(zhuǎn)載荷的軸承要求軸承外圈與軸承座具有一定的過(guò)盈配合，以避免蠕動(dòng)腐蝕。蠕動(dòng)腐蝕表現(xiàn)為界面上的黑紅色氧化。

偽布什壓痕（ISO 5.3.3.3）（圖11）發(fā)生在承受小幅振擺或振動(dòng)的滾動(dòng)體和滾道之間的接觸區(qū)。滾動(dòng)體間距的位置上形成凹陷，導(dǎo)致表面的原始拋光面脫落，并且還會(huì)在表面上產(chǎn)生類(lèi)似于蠕動(dòng)腐蝕的黑紅色氧化。磨損量取決于外加載荷的強(qiáng)度、振擺和振動(dòng)的強(qiáng)度以及潤(rùn)滑條件。

圖9：銹蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖10：蠕動(dòng)腐蝕（ 紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖11：偽布什壓痕（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

4　電蝕（ISO 5.4）

電蝕分為兩類(lèi)：過(guò)電壓電蝕和漏電流電蝕。

過(guò)電壓電蝕（ISO 5.4.2）（圖12）發(fā)生于電流通過(guò)滾動(dòng)體從軸承的一個(gè)套圈傳遞到另一套圈時(shí)。在接觸表面上，該過(guò)程類(lèi)似于電弧焊（小接觸表面上的高電流密度）。材料被加熱到從回火到熔化的溫度范圍，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)尺寸大小不一的變色區(qū)域，該處的材料經(jīng)過(guò)回火、二次淬火或被熔化，由于軸承的旋轉(zhuǎn)作用，在材料熔化并因此被剝離的地方形成環(huán)形坑，凸起的材料會(huì)被磨掉。在焊接設(shè)備接地不當(dāng)情況下對(duì)機(jī)器進(jìn)行焊接修補(bǔ)時(shí)，設(shè)備上產(chǎn)生的電火花可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓電蝕。

漏電流電蝕（ISO 5.4.3）（圖13）發(fā)生在低強(qiáng)度電流流過(guò)軸承時(shí)。損傷通常呈現(xiàn)彼此靠近的環(huán)形淺坑，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)灰色搓板紋。滾動(dòng)體可能呈現(xiàn)灰色、暗淡的外觀(guān)，并且潤(rùn)滑劑也會(huì)變色。損傷的程度取決于電流強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、軸承載荷、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑劑。當(dāng)軸未正確接地或者電機(jī)由變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）控制時(shí)，漏電流電蝕在有雜散電流的電機(jī)中很常見(jiàn)。

圖12：過(guò)電壓電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖13：漏電流電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

防止電蝕型損傷的解決方案是使用帶有電絕緣涂層（SKF INSOCOAT）的軸承或帶有陶瓷滾動(dòng)體的混合軸承。

5　塑性變形（ISO 5.5）

ISO 將塑性變形分為兩類(lèi)：過(guò)載變形和顆粒壓痕。

過(guò)載變形（ISO 5.5.2）（圖14）是由靜態(tài)過(guò)載引起的機(jī)械損傷。造成靜態(tài)過(guò)載的原因包括搬運(yùn)不當(dāng)（軸承從高處掉落）、安裝不當(dāng)（錘擊軸承）、設(shè)備運(yùn)行時(shí)承受沖擊載荷等。表現(xiàn)為滾道壓痕或?qū)��?yīng)于滾動(dòng)體間距位置的凹陷，保持架、密封和防塵蓋的損傷等。

顆粒壓痕（ISO 5.5.3）（圖15）出現(xiàn)在固體顆粒污染物或碎屑在軸承滾動(dòng)接觸區(qū)過(guò)度碾壓時(shí)，從而導(dǎo)致滾道和滾動(dòng)體產(chǎn)生壓痕（變形）。損傷的范圍受顆粒的大小、類(lèi)型和硬度的影響。壓痕處被持續(xù)碾壓后會(huì)導(dǎo)致表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）。

圖14：過(guò)載變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖15：顆粒壓痕變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

6　裂紋和斷裂（ISO 5.6）

最后一個(gè)ISO失效類(lèi)別是裂紋和斷裂，分為三個(gè)子類(lèi)：過(guò)載斷裂、疲勞斷裂和熱裂。

過(guò)載斷裂（ISO 5.6.2）（圖16）發(fā)生在應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)。過(guò)載斷裂的常見(jiàn)原因是過(guò)盈配合過(guò)緊，或者圓錐孔軸承在錐形軸頸或安裝套上的推進(jìn)距離過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的環(huán)向應(yīng)力。

疲勞斷裂（ISO 5.6.3）（圖17）發(fā)生在循環(huán)彎曲條件下，應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)。反復(fù)彎曲會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生，并擴(kuò)展到套圈或保持架上。如果軸承承受重載，并且軸承座的支撐剛度不夠大時(shí)，會(huì)使外圈承受高循環(huán)應(yīng)力，軸承中便可能出現(xiàn)疲勞斷裂。

熱裂（ISO 5.6.4）（圖18）發(fā)生在兩個(gè)表面相互滑動(dòng)，并產(chǎn)生摩擦熱時(shí)。如果滑動(dòng)很大，表面局部會(huì)二次淬火，再加上很高的殘余拉應(yīng)力的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致裂紋，裂紋通常垂直于滑動(dòng)方向。例如，靜止的軸承座與旋轉(zhuǎn)的軸承套圈接觸，就會(huì)發(fā)生熱裂。

圖16：過(guò)載斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖17：疲勞斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

圖18：熱裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀(guān)察到軸承損傷的位置）。

有關(guān)軸承失效模式和原因的更詳盡描述，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)2。

值得注意的是，受損軸承內(nèi)的潤(rùn)滑劑（潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂）也可以為軸承失效研究提供有價(jià)值的信息。需要對(duì)舊潤(rùn)滑劑采樣，再與新樣品進(jìn)行對(duì)比。對(duì)潤(rùn)滑劑的分析應(yīng)考慮顆粒和水分污染的含量、粘度變化、潤(rùn)滑脂稠度變化等因素。

檢查軸承密封或防塵蓋以及其他部件（例如安裝套）也可能獲得有用信息。

預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）或基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）技術(shù)，例如振動(dòng)分析、熱成像、油液分析等，可用于在軸承發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷以及可能對(duì)安裝軸承的設(shè)備損壞之前進(jìn)行的故障檢測(cè)。這樣可以更好地識(shí)別失效模式。在發(fā)生大面積損傷之前將大型軸承（內(nèi)徑>200毫米）拆卸，就有可能對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)修復(fù)使軸承“煥然一新”，從而降低維護(hù)成本和對(duì)環(huán)境的影響（圖19）。

圖19：修復(fù)軸承和新的滾子軸承對(duì)環(huán)境影響的比較。

最常見(jiàn)的失效模式

SKF的分析數(shù)據(jù)1確定了五種最常見(jiàn)的ISO失效模式，即磨粒磨損 (26%)、表面起源型疲勞 (16%)、銹蝕 (14%)、粘著磨損 (7%) 和漏電流電蝕 (7%)（圖20）。這些失效模式約占軸承研究中確定的所有失效模式的70%。雖然在大多數(shù)軸承中都可以看到蠕動(dòng)腐蝕（即使是輕微的），但不構(gòu)成主要的失效模式。其他 ISO失效模式在數(shù)據(jù)中也有所體現(xiàn)，但并不多見(jiàn)。

圖20：最常見(jiàn)的ISO失效模式*

SKF軸承分析報(bào)告軟件（BART）

SKF工程師使用的SKF軸承分析報(bào)告軟件現(xiàn)可供廣大客戶(hù)使用。SKF為客戶(hù)提供有關(guān)軸承知識(shí)、軸承檢測(cè)技術(shù)和SKF軸承分析報(bào)告軟件使用方法的基本培訓(xùn)�？蛻�(hù)與SKF應(yīng)用工程師或?qū)＜颐芮泻献饕酝瓿蓹z測(cè)報(bào)告，軸承分析報(bào)告軟件生成的檢測(cè)報(bào)告經(jīng)由SKF專(zhuān)家審核。通過(guò)這種檢測(cè)，可以判定軸承是否應(yīng)該更換、能否再次使用、能否進(jìn)行修復(fù)或是必須報(bào)廢。它還可用于記錄對(duì)新軸承投入使用前的檢查，這對(duì)于已存放很長(zhǎng)時(shí)間的軸承非常有用。

在必要時(shí)，SKF應(yīng)用工程師可以對(duì)軸承進(jìn)行全面的損傷分析，為提高可靠性提供建議。SKF工程師可借助人工智能[參考文獻(xiàn)3] 來(lái)提高軸承損傷分析水平。人工智能使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)碼照片來(lái)評(píng)估軸承損傷情況。該系統(tǒng)采用人工智能形式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行圖像識(shí)別，并利用SKF檔案中數(shù)千張失效軸承的圖片進(jìn)行學(xué)習(xí)。

總結(jié)    

綜上所述，ISO 15243有助于對(duì)在設(shè)備運(yùn)行中的滾動(dòng)軸承的失效模式進(jìn)行分類(lèi)，并識(shí)別失效原因。通過(guò)了解常見(jiàn)的軸承失效模式及其原因，便可以采取糾正措施以避免再次發(fā)生失效。此舉可大幅降低出現(xiàn)意外和重大故障的風(fēng)險(xiǎn)，并有望提高設(shè)備的可靠性和利用率。由于維護(hù)需要而拆卸的軸承，可以進(jìn)行能否重新使用或進(jìn)行修復(fù)的檢查。

SKF正在收集軸承失效模式及其原因的數(shù)據(jù)，以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，以更好地了解軸承運(yùn)行狀況。SKF使用的軸承分析報(bào)告軟件也可供客戶(hù)生成軸承檢測(cè)和損傷分析報(bào)告。 

參考文獻(xiàn)

[1] International Standard ISO 15243:2017, “Rolling bearings damage and failures – terms, characteristics and causes”

[2] SKF brochure 14219, “Bearing damage and failure analysis”

[3] SKF Evolution article, “The future of bearing failure analysis is here” (2022)

（來(lái)源：演進(jìn)Evolution）