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滾動軸承失效模式——磨損

磨損是指在使用過程中,兩個(gè)滑動或滾動/滑動接觸表面相互作用造成材料的不斷移失。

磨粒磨損

磨粒磨損(顆粒磨損;三體磨損)是存在硬顆粒時(shí)由于滑動產(chǎn)生的材料移失,當(dāng)一硬的表面或顆?;^另一表面時(shí),通過切削或犁溝作用而從該表面移除材料。磨損后表面會發(fā)生某種程度的變暗,磨粒的粗細(xì)和特性不同,變暗程度不同(圖2)。由于旋轉(zhuǎn)表面,可能還有保持架(圖3)上的材料被磨掉,磨粒數(shù)量逐漸增多,最終磨損進(jìn)入一個(gè)加速過程,從而導(dǎo)致軸承失效。

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圖2 調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈上的磨粒磨損

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圖3 金屬實(shí)體保持架兜孔上進(jìn)一步發(fā)展的磨粒磨損


雖然表面一般會有一定程度的變暗,但當(dāng)磨粒非常細(xì)時(shí)會發(fā)生拋光效應(yīng)形成非常亮的表面(圖4)

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圖4 圓錐滾子軸承滾子大端面和內(nèi)圈大擋邊表面及

滾道上的磨粒磨損

注:滾動軸承的“跑合”是一自然的短期過程,此過程之后,運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(如噪聲或工作溫度)將趨于穩(wěn)定,甚至得到改善。由此,運(yùn)行軌跡可見,但這并非表示軸承受到損傷。


粘著磨損

粘著磨損材料從一表面轉(zhuǎn)移到另一表面,并伴隨有摩擦發(fā)熱,有時(shí)還伴有表面回火或重新淬火。這一過程會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中并可能導(dǎo)致接觸區(qū)開裂或剝落。


在潤滑不充分的情況下,當(dāng)發(fā)生滑動且摩擦帶來的局部溫升引起接觸面粘著時(shí),發(fā)生涂抹(滑傷、粘結(jié)劃傷、粗化),導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移。    假如滾動體受載過小并在其再次進(jìn)入承載區(qū)時(shí)受到強(qiáng)烈的加速作用,則在滾動體和滾道之間常常會發(fā)生涂抹(圖5、圖6)。在涂抹嚴(yán)重的情況下會發(fā)生咬粘。與磨粒磨損的逐漸積累過程相反,涂抹常常是突然發(fā)生。

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圖5 圓柱滾子軸承外圈滾道上的涂抹

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圖6 調(diào)心滾子軸承外圈滾道上的涂抹

由于潤滑不充分,擋邊面和滾子端面也會發(fā)生涂抹(圖7)。對于滿裝滾動體(無保持架)軸承,受潤滑和旋轉(zhuǎn)條件的影響,滾動體之間的接觸處同樣會發(fā)生涂抹。

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圖7 圓柱滾子軸承滾子端面的涂抹


如果軸承套圈安裝在軸上或軸承座中時(shí),夾持力不足而導(dǎo)致套圈相對其支承面移動(蠕動),則會在軸承內(nèi)徑面、外徑面或軸、軸承座孔支承面上發(fā)生涂抹(也稱膠合)。由于兩零件直徑之間存在微小差異,造成其周長也存在微小差異。因此,相對于套圈旋轉(zhuǎn)的徑向載荷使兩零件在一系列連續(xù)點(diǎn)處發(fā)生接觸,兩接觸零件以微小差速相對轉(zhuǎn)動。套圈相對其支承面以微小轉(zhuǎn)速差所作的這種滾動運(yùn)動稱為“蠕動”。


發(fā)生蠕動時(shí),套圈和支承面接觸區(qū)內(nèi)的粗糙峰被滾碾,使套圈表面呈現(xiàn)光亮外觀。在蠕動過程中滾碾經(jīng)常發(fā)生,但不總是伴有套圈和支承面接觸處的滑動,因而還可看到其他損傷,如擦傷印痕、微動磨蝕和磨損。在某些承載條件下,當(dāng)套圈和支承面之間的過盈量不夠大時(shí),則以微動磨蝕為主。


此外,徑向采用間隙配合時(shí),套圈端面和其軸向鄰接面之間也會發(fā)生蠕動,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致橫向熱裂紋,最終引起套圈開裂

相關(guān)術(shù)語的解釋:

磨損(wear): 在使用過程中材料從一固體表面逐漸移失,一般是該表面和一接觸物體或多個(gè)物體間的相對運(yùn)動引起材料的逐漸移失。


磨粒磨損(abrasive wear): 由于潤滑不充分及(外部)顆粒的侵入,使材料逐漸移失。表面會有某種程度的變暗,變暗程度因磨粒的粗細(xì)及特性而不同。


三體磨損(three-body wear): 當(dāng)顆粒不受限、且可在表面自由滾動、滑動并同時(shí)和兩接觸表面相互作用時(shí)發(fā)生的一種磨粒磨損。


硬顆粒(hard particle): 如來自磨削過程(如砂輪)的砂及顆粒。


犁溝(ploughing): 由兩個(gè)相對運(yùn)動的表面中較軟表面的塑性變形形成的溝槽。


拋光(polishing):使軸承零件的原始加工表面外觀變得更為光亮的平滑作用。


光亮狀磨損(burnishing): 導(dǎo)致粗糙峰頂部扁平化的塑性變形的累積,表面逐步呈現(xiàn)更光亮的狀態(tài),而非表面精加工留下的形貌。


跑合(running-in): 在使用初期,改善機(jī)器零件吻合度、表面形貌及摩擦兼容性的過程。


軌跡(path pattern): 由于滾動體和滾道接觸,軸承零件部分區(qū)域出現(xiàn)的痕跡(最終會變色)。


粘著磨損(adhesive wear): 滑動期間由于固相焊接而導(dǎo)致材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面,從一個(gè)表面移失的顆粒或永久或臨時(shí)粘附在另一表面。


涂抹(smearing): 粘著磨損的一種,材料從一個(gè)表面上機(jī)械性移除(常涉及塑性剪切變形),并在一個(gè)或兩個(gè)表面上重新沉積為一薄層材料。


滑傷(skidding): 由于高速滑動和因載荷迅速變化而使?jié)櫥湍て屏?,在表面出現(xiàn)的斷續(xù)的銀霧狀表面損傷。


粘結(jié)(galling):零件表面材料以斑塊從一個(gè)接觸表面的某個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一接觸表面的某個(gè)位置,且有可能由于高的拖動力而以多個(gè)粗糙峰的尺度回移到前一接觸表面。(注:典型的粘著磨損。


劃傷(scoring): 表面嚴(yán)重的擦傷或犁溝。


粗化(frosting): 粘著磨損的特定形式,金屬微小碎片被滾動體從軸承滾道上扯下。注:粗化區(qū)在一個(gè)方向上感覺平滑,但在另一個(gè)方向上則有明顯的粗糙感。


咬粘(seizing): 接觸表面潤滑不充分、載荷過大和溫升所引起的極端涂抹,視運(yùn)轉(zhuǎn)速度和溫度不同,可導(dǎo)致材料軟化、二次淬火、開裂、摩擦焊合,嚴(yán)重時(shí),還可導(dǎo)致軸承零件發(fā)生卡滯。


蠕動(creep):在軸承套圈安裝時(shí)過盈配合不充分且載荷相對于套圈旋轉(zhuǎn)的情況下,軸承套圈相對于其支承面發(fā)生不希望有的運(yùn)動。

注:蠕動過程中,滾碾導(dǎo)致內(nèi)圈相對軸的轉(zhuǎn)速或者外圈相對軸承座的轉(zhuǎn)速存在微小差異。蠕動常常(但不一定總是)伴隨有套圈與支承面接觸處的滑動。


膠合(scuffing): 由滑動面的固相焊接(無局部表面熔化)引起的一種粘著磨損或局部損傷。(注:由于該術(shù)語描述太通用且不嚴(yán)密,因此,盡量避免使用。


微動磨蝕 (fretting/fretting corrosion):一定摩擦條件下,配合面間的微小相對運(yùn)動(滑動)所引起的化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致表面氧化、粗糙峰變成可見的粉狀鐵銹、配合面之一或兩者失去材料。表面變亮或變色(黑紅色)。


熱裂(thermal cracking、heat cracking): 由滑動摩擦發(fā)熱引起的損傷(或失效)。裂紋常出現(xiàn)在與滑動垂直的方向。

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