滚动轴承磨损问题的原因及修复方法

滚动轴承磨损问题的原因及修复方法

如何提高材料和能源的利用率随着科技水平的提高变得更加迫切、重要，减少滚动轴承在工作中的磨损并延长使用寿命，在工业生产中占据着重要地位。磨损是一种十分复杂的微观动态流程，影响条件甚多。通过磨损机理来分类，有微动磨损、黏着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损等。此外，还有热磨损和侵蚀磨损等次要的类型。由于磨损表面受到产生的磨料的影响非常大，因而又可根据磨损表面的破坏形式把磨损分为:剥落、划伤、胶合、点蚀、腐蚀。 1、滚动轴承磨损机理

对于人类研究磨损的规律及其机理以便控制或利用磨损所做出的杰出贡献，可以追溯到15世纪达·芬奇关于材料磨损的实验研究。据他的手稿记载，轴承磨损随载荷增加而加剧，为此他研制了一种含30%铜和70%锡新型轴承材料以达到减少磨损的效果，这便是最早的轴承合金材料设计。1724年，Desagulier首次提出了粘着现象存在于摩擦磨损过程中的观点，这也是人类对粘着现象的首次认识。经过对摩擦磨损长期的科学研究和生产实践的积累，人们对磨损本质的认识也不断深化并提出了大量关于磨损描述的物理模型和对磨损量化公式进行预测。例如，赫洛绍夫和巴比契夫的磨粒磨损理论，它是指硬质颗粒或硬质凸出物(包括硬金属)与物体表面相互摩擦引起表面材料损失的现象。通过研究得出影响磨粒磨损主要有磨粒的几何形状、磨粒的硬度、物理性能和压力等因素。Bowdon和Tabor的粘着磨损理论指出，摩擦副在进行相对运动时会在接触面局部发生金属粘着，随着继续运动粘着处被破坏造成接触面金属损耗。经过研究得出影响粘着磨损的因素有:摩擦副的材料特性、表面载荷、摩擦过程中的表面温度。克拉盖尔斯基的疲劳磨损理论，它是一种累积理论，是指两个相互接触的表面在压应力的作用下，因疲劳而使材料表面的物质损失，该理论适合于疲劳磨损、磨料磨损和粘着磨损。通过研究得出影响疲劳磨损的因素有:载荷性质、材料性能、表面粗糙度、润滑剂的物理与化学作用和工作环境。NPSuh的剥层磨损理论，是指破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。同时他认为在交变应力较低时，形成亚表面裂纹所需要的循环次数多，直到裂纹萌生并扩展到一定长度后磨屑才会产生。上述这些理论都是通过一定的实验检测结果进行物理模型建立，再根据相关理论推导出量化关

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系对磨损进行经验性探索。然而由于对磨损产生影响的因素有很多，还有很多目前难以确定的变量，因此，需要对特殊条件下的复杂磨损进行有针对性的建模。 2、滚动轴承磨损问题的实验研究

开展滚动轴承磨损研究，对提高滚动轴承的使用性能，延长使用寿命有着十分重要的意义。磨损量可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，对于不同的被测材料和磨损实验方法需要采用不同的磨损量测量和参量表示方法。目前，在滚动轴承磨损实验中测量磨损量和磨损状态的方法主要有:称重法，即通过称量试验前后试件的质量，用质量之差表示耐磨性的方法，是测量精度较高的方法，但需要有高感量的分析天平；测长法，是用测量长度仪器连续测量试件摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量；磨屑分析法，是通过对试件磨损产生的磨屑进行重量测量而得到磨损量的一种方法；放射性同位素法，通过定期测量摩擦表面被放射性同位素活化处理的试件润滑油放射性强度下降量，最后通过计算得出对应磨损量；光学成像法，是根据人眼视觉的深度感知原理，利用光学显微镜模拟人眼模式进行光学成像，并通过相应的匹配方法在计算机上进行测量，计算出滚动轴承试件表面的磨损量程度；磨痕光测法，通过采集滚动轴承试件的光干涉图像，并用计算机进行图像后处理，从而计算出磨损量的大小；轮廓仪法，是通过轮廓测试仪对滚动轴承试件磨损前后的轮廓、二维尺寸、二维位移进行测量，最后通过求得磨损体积推算出磨损量；位移传感器法，当磨损试件发生位移变化时，安装在临近磨损试样端部的位移传感器会得到相应的信号，通过换算便能得出磨损量大小。上述中的称重法、测量直径法、磨屑分析法比较常见，其原理简单，成本低，应用范围广，但是不够精确。放射性同位素法、光学成像法、轮廓仪法、磨痕光测法、与位移传感器法测量精度较高，适用于试验研究，但操作复杂且成本较高。

由于磨粒磨损在磨损造成的损失中达到了50%，人们也因此对磨粒磨损变得十分重视。研究磨粒磨损对滚动轴承故障实现快速和准确的诊断有很重要的意义。可以通过磨粒信息在润滑油中的监测情况来判断轴承的表面磨损状况，进而进行轴承的故障诊断和预测。磨屑作为磨粒磨损的最终产物，对其进行研究可以为揭示磨损的发生、发展规律提供很大的价值。铁谱分析技术的应用，对研究磨损机理和检测设备磨损状态与故障的诊断有很大意义，通过对谱片上磨屑的数量、尺寸、形状以及成分的观察分析，可以判断机械零件的磨损类型和磨损程度以及其磨损的具体位置。为了更快的推广生产实际中铁谱技术的应用。传统的磨

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粒分析主要是根据专家经验知识对磨粒的外貌、光泽、数量、尺寸等特征值进行分析识别。但是这种判别方法得到的信息具有不完整性和不精确性，粗糙集理论则可以直接有效地、精确地、完整性的对数据进行处理，并发掘隐含的知识，揭示潜在的规律。对轴承滚道与滚动体之间的压力分布和润滑油膜厚度等参数的各个时间段进行数值模拟计算与分析，使轴承的润滑性能分析更接近实际，为以后通过润滑减少滚动轴承磨损问题的研究提供了很大的研究价值。 3、失效滚动轴承常用分析及修复方法

滚动轴承一旦失效将带来巨大损失。因此，研究滚动轴承失效机理、分析及修复方法意义重大。滚动轴承的失效形式很多，主要有磨损(粘着磨损、微动磨损、磨料磨损、疲劳磨损)失效、接触疲劳失效、断裂失效、胶合失效和压痕失效等，其中最常见的失效形式是磨损失效和疲劳失效。 3.1失效滚动轴承常用分析方法 3.1.1失效实物和背景材料的收集

在滚动轴承损坏中，对滚动轴承完整、准确的使用数据及失效实物的各个零部件和残片尽可能多的进行收集，充分了解失效滚动轴承的制造质量，工作环境，工作中的状况变化及维护保养记录。收集内容主要包括:主机的载荷、工作状况、转速；滚动轴承及其相关零部件失效状况，失效类型；工作中的气候环境变化；检修过程中的安装记录，工作中是否有违规操作以及滚动轴承所用润滑剂的各方面情况等相关信息。 3.1.2宏观检查

对失效滚动轴承进行宏观检查在失效分析中占据着极其重要的地位。对失效滚动轴承进行总体的外观检查，不仅可以了解其失效的概貌和损坏部分的特征，推测造成失效的原因，还可以截取适当部分进一步做微观分析。宏观检查的内容主要包括:磨损的主要类型及其对失效产生的影响；产生的裂纹的断口性质和形态如何；游隙、外形和尺寸的失效前后变化情况；通过观察滚动轴承各零部件表面色泽情况推断其表面温度效应和润滑情况；对滚动轴承工作前后的应力变化情形用X射线应力测定仪进行测量等相关方面的外观检查。 3.1.3微观分析

在宏观检查基础上对失效滚动轴承进行更深入的分析，如对疲劳源位置确定、疲劳剥落形貌特征和疲劳裂纹的扩展进行定性定量研究分析可以为滚动轴承失效深层原因的判断提供更多更完整的依据。光学金相分析法和表面硬度检测法

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是目前最普遍、最常用的微观分析方法。微观分析的内容主要包括:对失效滚动轴承基本硬度、及其均匀性和失效特征区的硬度变化进行测量；使用电子显微镜对断口进行定性分析和测量观察；脱碳层及其他表面加工变质层是否在表层组织产生；所使用的滚动轴承材料是否达到设计要求和标准；滚动轴承零部件的制作工艺和质量是否达到标准要求；通过金相检验了解材料中的显微组织、晶粒大小、变形、晶界腐蚀、成分偏析情况等信息。 3.2失效滚动轴承常用修复方法 通常修复滚动轴承的方法有以下几种: 3.2.1修理尺寸法

所谓修理尺寸法是将滚动轴承的损伤工作表面进行机械加工，消除损伤缺陷，将滚动轴承的原始尺寸改变为另一尺寸，以恢复滚动轴承的正确几何形状。要求与被修滚动轴承零件相配合的零件，亦必需具有相应的修理尺寸，使得它们之间的配合性质符合规定。最小加工余量法:修理尺寸等于实际测得的尺寸减去(或加上)为消除损伤缺陷所需要的最小加工余量。分级修理:滚动轴承零件按预先规定好的分级修理尺寸进行机械加工。 3.2.2电火花加工

修复法利用火花放电的特点和电蚀作用，来修复磨损或损伤的滚动轴承时，一种以滚动轴承作为电火花放电的阳极，可从滚动轴承上除去金属。另一种是以滚动轴承作为电火花放电中的阴极，则可将阳极上的金属覆盖在滚动轴承上，形成一层镀覆层，从而达到修复磨损滚动轴承的目的。 3.2.3焊接修复滚动轴承轴套

采用焊接方法可以修复滚动轴承轴套的原始尺寸并适当提高修复轴套的表面硬度。由于对轴承轴套进行补焊时会在其外表面区域产生热量，会对合金层产生一定影响，同时使轴承轴套整体受热面积变大。所以使用合理的控制措施在轴套整体修复过程中非常有必要，以保证轴套内径精度不变，最后对经过焊接修复处理的轴套外表面进行精加工处理，使其符合技术要求，才能成功修复。 3.2.4刷镀修复

刷渡的原理和电解相反，是利用电镀液中金属离子在电场的作用下，渡覆沉积到阴极上去的加工过程，刷渡属于不需要渡槽的常温快速电镀方法，利用渡笔提供电沉积金所需要的渡液可以快速在需要修复的滚动轴承部位沉积金属镀层。可以根据不同性能要求的金属镀层调节镀液种类和操作参数。将刷渡技术用于滚

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动轴承修复的优势是金属镀层与修复滚动轴承部位结合强度高、可以修复局部缺陷、生产效率高、环保、快速、可靠性强等特点。 2.2.5 热喷涂修复方法

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。热喷涂可分为火焰喷涂、氧乙火焰粉末喷涂、氧乙炔火焰线材喷涂、氧乙炔火焰喷焊、超音速火焰喷涂(HVOF)等类型。热喷涂技术不受基体的限制，工艺简单，耐磨涂层沉积速率快，厚度可以控制在几毫米到几十毫米，显著的提高了滚动轴承的耐磨性、耐腐蚀和耐高温性。 2.2.6 更换零部件及润滑

对于一些可以进行修复的滚动轴承有必要进行零件更换以保证滚动轴承的正常工作，例如，更换滚动体和保持架组件，甚至更换更多滚动轴承部件。润滑不仅可以保证滚动轴承的安全运转，减少摩擦和磨损及动力消耗，防止烧结和擦伤。传导和排除摩擦热，也是进行滚动轴承修复过程中必不可少的一部分。

综述了滚动轴承磨损问题的基本类型、对失效滚动轴承常用分析及修复方法等。但是滚动轴承磨损的预测与实际情况有很大差别，还应对以下几方面加强研究:首先，采用系统工程分析的方法进一步完善磨损机理的研究，使所建立的磨损公式更科学。其次，将声学、振动、分析、测温、应力应变测试等技术相结合组成多输入多输出的综合专家诊断系统对检测盒诊断目标作出系统的、综合的性能判断，以获得准确的检测和诊断结果。再者，抗磨损材料和表面处理技术是摩擦学领域十分活跃的分支，在进行磨损机制研究的同时，还应发展抗磨损技术的研究。其中，对新型润滑材料的开发，摩擦失效监测和故障诊断技术的研究也应该作为抗磨损技术研究的重要向。最后，在对滚动轴承磨损仿真模型建立过程中应考虑多方面因素的影响，根据不同情况进行独立的仿真模型建立，使其预测结果更加接近实际情况。

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