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高鐵及軌道交通軸承失效分析方法
2014-05-28
洛陽軸研科技股份有限公司
概述
高速鐵路作為現代社會的一種新的運輸方式，在安全、快捷、經濟、環(huán)保等方面都具有比較明顯的優(yōu)勢。進入新世紀以來，中國鐵路決定將高鐵及軌道交通等客運高速作為實現現代化的一個主要方向。依照自主創(chuàng)新，中國高鐵從無到有，經過十多年的高速鐵路建設，我國高速鐵路運營總里程將突破1.3萬公里，同時我國軌道交通技術裝備逐步提高并實現了國產化，但作為基礎精密件的軸承，我國目前主要依靠進口。高速鐵路客車軸承的高可靠性性及長壽命要求，一致制約著我國高鐵軸承的研發(fā)。近年來，出于對研發(fā)、運行安全以及經濟等多方面的考慮做了大量的高鐵及軌道交通軸承的失效分析。通過失效分析，找出故障產生的原因，并采取有效措施進行預防和控制，防止突發(fā)性事故的出現，把故障造成的損失降低到Z低，從而提高產品使用的安全可靠性，充分發(fā)揮其價值，這是一項十分重要的工作。
1 失效分析的概念
軸承在運轉一定時間后，由于制造、安裝、使用、維護等方面的原因使其喪失（或局部喪失）規(guī)定功能，從而導致故障或不能正常工作的現象稱為失效。
失效有以下幾種形式：
?。?）完全不能工作。如零件材料的疲勞、斷裂等；
?。?）仍然可以繼續(xù)工作，但已不能得到預期令人滿意的性能。如軸承運轉時的工作溫度上升、振動和噪聲增加等；
?。?）已經不能保證可靠或安全的繼續(xù)使用，必須拆卸進行修理。
按照一定的方法分析失效的性質和發(fā)生原因、研究失效的處理方法和預防措施的技術及管理活動被人們稱之為失效分析。
“失效”與“廢品”具有不同的含義，“廢品”是不符合技術規(guī)范、標準和圖紙要求的而又不能返修利用的產品。“失效”的產品不一定是“廢品”，而“廢品”也談不上失效。軸承的失效按其壽命可分為正常失效和早期失效兩種。分析工作主要是針對早期失效的軸承，找出其失效的原因，提出改進措施，以提高軸承運轉的壽命和可靠性。
2 失效分析的目的和意義
（1）失效分析可以從個別的偶然發(fā)生的失效事件中找出失效的起因，預防和減少產品同類失效現象的重復發(fā)生，從而起到減少經濟損失和提高產品的制造質量和使用質量的目的。
（2）失效是由于各種因素導致產品質量發(fā)生偏差的反映。通過失效分析可以找出導致產品質量發(fā)生偏差的原因。
?。?）失效分析可以為產品改進、技術改造、管理者決策等提供信息、方向、依據、途徑和方法。
?。?）失效分析可以劃清責任。
（5）失效分析是機械產品維修工作的基礎，它可以決定產品維修的可能性、技術和方法，從而達到提高維修工作質量的效果。
軸承的失效分析是提高軸承可靠性系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)，是一門跨學科的技術領域，它既有綜合性，又有適用性。所謂綜合性表現在它涉及面廣，包擴產品的結構設計、機械制造工藝、材料的選用與冶金技術，以及摩擦學、腐蝕學、工程力學、斷裂力學、金屬物理、表面物理等廣泛的學科領域和技術門類。失效分析技術必需依賴于這些相關學科的發(fā)展而向前發(fā)展；而這些相關學科的發(fā)展又都與失效分析工作密切相關。所謂實用性表現在軸承的失效分析工作必須從生產實際出發(fā)并緊密地為生產服務，具有很強的應用背景。所以說軸承的失效分析工作是與軸承產品質量及其生產發(fā)展密切相關的重要工作。它的工作特點要求從事該項工作的技術人員知識面廣、經驗豐富和技術先進。
3 滾動軸承的失效模式
滾動軸承在使用過程中，由于制造因素和使用中各因素的影響，其承載能力、旋轉精度等性能會發(fā)生變化，當其性能指標達不到使用要求時就產生了失效或損壞。影響滾動軸承失效的因素很多，如設計、材料、制造、安裝條件、環(huán)境條件、維護保養(yǎng)等。從大多數滾動軸承的失效分析表明，軸承失效大部分是由于使用或維護不當引起的，如選型不合理、軸承安裝、潤滑不良、密封失效、支承部位設計和制造缺陷、操作失誤等。
滾動軸承常見的失效形式有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕、保持架損壞等。GB/T24611-2009/ISO15243：2004《滾動軸承損傷和失效術語、特征及原因》對滾動軸承在使用中發(fā)生失效的特征、外觀變化及可能的原因進行了定義、描述和分類。標準所述的滾動軸承失效是嚴格按照其失效的主要原因進行劃分的，但也未必都能夠很準確地將原因、特征或失效機理和失效模式區(qū)分開來，大量相關的文獻也都證實了這一點。隨著摩擦學等相關學科研究和發(fā)展，對失效機理和失效模式方面的描述和劃分也必將會更合理、更科學。
該標準將失效模式分為六個大類和不同的小類，詳見下圖1。
高速鐵路作為現代社會的一種新的運輸方式，在安全、快捷、經濟、環(huán)保等方面都具有比較明顯的優(yōu)勢。進入新世紀以來，中國鐵路決定將高鐵及軌道交通等客運高速作為實現現代化的一個主要方向。依照自主創(chuàng)新，中國高鐵從無到有，經過十多年的高速鐵路建設，我國高速鐵路運營總里程將突破1.3萬公里，同時我國軌道交通技術裝備逐步提高并實現了國產化，但作為基礎精密件的軸承，我國目前主要依靠進口。高速鐵路客車軸承的高可靠性性及長壽命要求，一致制約著我國高鐵軸承的研發(fā)。近年來，出于對研發(fā)、運行安全以及經濟等多方面的考慮做了大量的高鐵及軌道交通軸承的失效分析。通過失效分析，找出故障產生的原因，并采取有效措施進行預防和控制，防止突發(fā)性事故的出現，把故障造成的損失降低到Z低，從而提高產品使用的安全可靠性，充分發(fā)揮其價值，這是一項十分重要的工作。
1 失效分析的概念
軸承在運轉一定時間后，由于制造、安裝、使用、維護等方面的原因使其喪失（或局部喪失）規(guī)定功能，從而導致故障或不能正常工作的現象稱為失效。
失效有以下幾種形式：
?。?）完全不能工作。如零件材料的疲勞、斷裂等；
?。?）仍然可以繼續(xù)工作，但已不能得到預期令人滿意的性能。如軸承運轉時的工作溫度上升、振動和噪聲增加等；
?。?）已經不能保證可靠或安全的繼續(xù)使用，必須拆卸進行修理。
按照一定的方法分析失效的性質和發(fā)生原因、研究失效的處理方法和預防措施的技術及管理活動被人們稱之為失效分析。
“失效”與“廢品”具有不同的含義，“廢品”是不符合技術規(guī)范、標準和圖紙要求的而又不能返修利用的產品。“失效”的產品不一定是“廢品”，而“廢品”也談不上失效。軸承的失效按其壽命可分為正常失效和早期失效兩種。分析工作主要是針對早期失效的軸承，找出其失效的原因，提出改進措施，以提高軸承運轉的壽命和可靠性。
2 失效分析的目的和意義
（1）失效分析可以從個別的偶然發(fā)生的失效事件中找出失效的起因，預防和減少產品同類失效現象的重復發(fā)生，從而起到減少經濟損失和提高產品的制造質量和使用質量的目的。
（2）失效是由于各種因素導致產品質量發(fā)生偏差的反映。通過失效分析可以找出導致產品質量發(fā)生偏差的原因。
?。?）失效分析可以為產品改進、技術改造、管理者決策等提供信息、方向、依據、途徑和方法。
?。?）失效分析可以劃清責任。
（5）失效分析是機械產品維修工作的基礎，它可以決定產品維修的可能性、技術和方法，從而達到提高維修工作質量的效果。
軸承的失效分析是提高軸承可靠性系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)，是一門跨學科的技術領域，它既有綜合性，又有適用性。所謂綜合性表現在它涉及面廣，包擴產品的結構設計、機械制造工藝、材料的選用與冶金技術，以及摩擦學、腐蝕學、工程力學、斷裂力學、金屬物理、表面物理等廣泛的學科領域和技術門類。失效分析技術必需依賴于這些相關學科的發(fā)展而向前發(fā)展；而這些相關學科的發(fā)展又都與失效分析工作密切相關。所謂實用性表現在軸承的失效分析工作必須從生產實際出發(fā)并緊密地為生產服務，具有很強的應用背景。所以說軸承的失效分析工作是與軸承產品質量及其生產發(fā)展密切相關的重要工作。它的工作特點要求從事該項工作的技術人員知識面廣、經驗豐富和技術先進。
3 滾動軸承的失效模式
滾動軸承在使用過程中，由于制造因素和使用中各因素的影響，其承載能力、旋轉精度等性能會發(fā)生變化，當其性能指標達不到使用要求時就產生了失效或損壞。影響滾動軸承失效的因素很多，如設計、材料、制造、安裝條件、環(huán)境條件、維護保養(yǎng)等。從大多數滾動軸承的失效分析表明，軸承失效大部分是由于使用或維護不當引起的，如選型不合理、軸承安裝、潤滑不良、密封失效、支承部位設計和制造缺陷、操作失誤等。
滾動軸承常見的失效形式有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕、保持架損壞等。GB/T24611-2009/ISO15243：2004《滾動軸承損傷和失效術語、特征及原因》對滾動軸承在使用中發(fā)生失效的特征、外觀變化及可能的原因進行了定義、描述和分類。標準所述的滾動軸承失效是嚴格按照其失效的主要原因進行劃分的，但也未必都能夠很準確地將原因、特征或失效機理和失效模式區(qū)分開來，大量相關的文獻也都證實了這一點。隨著摩擦學等相關學科研究和發(fā)展，對失效機理和失效模式方面的描述和劃分也必將會更合理、更科學。
該標準將失效模式分為六個大類和不同的小類，詳見下圖1。
4 滾動軸承失效分析的思路和一般程序
4.1 失效分析思路
軸承失效分析的步驟大體為：
?。?）失效實物和背景資料的收集
?。?）軸承有關數據的收集
（3）對失效零件進行初步檢查
?。?）測定失效軸承的一些有關參數
（5）無損探傷檢查
?。?）機械性能分析
?。?）宏觀檢查和分析
?。?）微觀分析
?。?）成分分析及其他分析
（10）酸洗檢查
?。?1）信息的分析處理、擬定結論、寫出失效分析報告
4.2 失效分析的一般程序
?。?）失效實物和背景資料的收集
在進行失效分析時，首先應收集軸承完整、準確的使用數據。因為這些數據對于全面了解失效件乃至主機的使用情況，周圍環(huán)境的影響，是否產生附加載荷，以及轉速、溫升和潤滑等方面可能存在的問題是必不可少的。
（2）軸承數據分析
失效分析人員應掌握設計人員提供的有關參數，把設計的與實際觀察到的情況進行對比。
（3）對失效部件進行初步檢查
1）外觀檢查的重要性
失效軸承（包括其全部碎片）在進行任何清洗前，都必須進行徹底的外觀檢查。在零件上發(fā)現的某種臟物和碎屑常常能為判斷失效原因，或確定導致失效的先后順序提供有力的證據。因此，必須對它們作出詳細的記錄。在進行外觀檢查時，要注意細微的顏色和運轉軌跡的形狀及其改變，并注意觀察斷口的表面及裂紋的擴展軌跡。全部重要特征都應記錄并盡可能用數碼相機進行拍照。
例如深溝球軸承有代表性的運行軌跡見圖2所示。
4.1 失效分析思路
軸承失效分析的步驟大體為：
?。?）失效實物和背景資料的收集
?。?）軸承有關數據的收集
（3）對失效零件進行初步檢查
?。?）測定失效軸承的一些有關參數
（5）無損探傷檢查
?。?）機械性能分析
?。?）宏觀檢查和分析
?。?）微觀分析
?。?）成分分析及其他分析
（10）酸洗檢查
?。?1）信息的分析處理、擬定結論、寫出失效分析報告
4.2 失效分析的一般程序
?。?）失效實物和背景資料的收集
在進行失效分析時，首先應收集軸承完整、準確的使用數據。因為這些數據對于全面了解失效件乃至主機的使用情況，周圍環(huán)境的影響，是否產生附加載荷，以及轉速、溫升和潤滑等方面可能存在的問題是必不可少的。
（2）軸承數據分析
失效分析人員應掌握設計人員提供的有關參數，把設計的與實際觀察到的情況進行對比。
（3）對失效部件進行初步檢查
1）外觀檢查的重要性
失效軸承（包括其全部碎片）在進行任何清洗前，都必須進行徹底的外觀檢查。在零件上發(fā)現的某種臟物和碎屑常常能為判斷失效原因，或確定導致失效的先后順序提供有力的證據。因此，必須對它們作出詳細的記錄。在進行外觀檢查時，要注意細微的顏色和運轉軌跡的形狀及其改變，并注意觀察斷口的表面及裂紋的擴展軌跡。全部重要特征都應記錄并盡可能用數碼相機進行拍照。
例如深溝球軸承有代表性的運行軌跡見圖2所示。
圖2 深溝球軸承運行軌跡示意圖
（a）是內圈旋轉時只能承受徑向載荷的普通的運行軌跡。
?。╞）外圈旋轉，承受徑向載荷。
?。╟）內圈或外圈旋轉，承受單向軸向載荷。
?。╠）內圈旋轉，承受徑向載荷及軸向載荷。
?。╡）內圈旋轉，承受軸向載荷及非直線性。
?。╢）內圈旋轉，承受力矩載荷（非直線性）。
（g）內圈旋轉，軸承箱內徑是橢圓的。
（h）內圈旋轉，軸承內部沒有游隙（運轉游隙為負）。
?。╟）～（h）所示的運行軌跡對軸有承有很壞的影響，大多使用壽命比較短。
2）初步確定其失效模式及類型
3）標出零件在什么位置上取樣，以便下一步檢測分析
?。?）測定失效軸承的一些有關參數
進行全面分析前，在可能的情況下（如軸承還沒有損壞到無法測定的情況時），還應測定軸承的結構設計參數，包括尺寸精度、旋轉精度、徑向游隙、接觸角等項內容。
?。?）無損探傷檢查
在某些情況下，要對失效軸承進行無損探傷檢查，以測定軸承零件的表面或內部是否存在裂紋或其他類似的材料缺陷。這對判斷失效原因是極為有力的證據。
?。?）機械性能分析
硬度測定：評定熱處理質量的好壞；測定加工硬化或過熱、脫碳或增碳引起的軟化或硬化現象。
（7）宏觀檢查和分析
1）斷裂面的保護
為了研究疲勞斷裂的原因，要求斷裂表面保持斷裂瞬間的真實狀態(tài)，否則會給分析帶來困難。如斷口不能馬上觀察，應在斷口表面涂火棉膠涂層，并放在干燥器內存放，以免產生銹蝕。
2）疲勞斷口試樣的選取
?、傧热庋塾^察斷裂的擴展情況，若能看出裂紋擴展方向，可從末端、中間和斷裂源處分別取樣。
?、谝獦俗⑦x取的試樣在整個零件上的部位。
?、墼嚇忧懈钋皯獙⑤S承的旋轉精度、尺寸精度及殘余應力等需要測定的數據測完，否則難以補救。
?、芮懈顣r要將斷口表面保護起來，并要考慮切割時溫升的影響，以免斷口區(qū)受熱而影響到原有組織的改變。
3）宏觀檢查
宏觀檢查是失效分析過程中Z重要的環(huán)節(jié)之一。通過宏觀檢查可了解軸承失效的概貌、裂紋源的位置、可能產生的失效模式，并估計造成失效的原因。
宏觀檢查是指用肉眼、放大鏡、低倍體視顯微鏡及掃描電鏡的低倍觀察。通?？梢源_定裂紋源的位置及確定裂紋的擴展方向。通過對斷口表面的形貌觀察分析，可以大致判斷其斷口是屬于哪一類型的斷口，由此可能獲得導致零件失效時的應力狀態(tài)的一些啟示。通過宏觀分析也可以發(fā)現零件加工中存在的缺陷、材料缺陷以及是否存在應力集中的可能性等。
（8）微觀分析
在宏觀檢查基礎上再對不同的失效類型進行微觀的深入分析，如疲勞源位置的確定、疲勞裂紋的擴展及疲勞剝落的形貌特征，再做定性定量的分析研究，從而作出正確的判斷。
1）金相分析
?、俦粰z材料大概的種類和組織狀態(tài)。
②從檢驗出的顯微組織，來推斷或證實被檢材料的熱處理工藝過程、執(zhí)行這些工藝是否正常合理、可提供產生故障時是否同時伴隨發(fā)生過塑性變形等情況，以及零件在使用過程中，是否曾產生過燒傷等其他的熱處理情況。
③反映出零件在服役工況條件下，發(fā)生的磨損、腐蝕、氧化、疲勞剝落等。
④若失效件上存在裂紋，可大致看出裂紋的發(fā)生、延伸和分布特征，并從裂紋兩側的顯微組織判斷裂紋的性質，為裂紋的產生原因提供較為可靠的依據。
?、輳慕鹣鄼z驗的結果可知材料的顯微組織及非金屬夾雜物的類型和含量，從而判斷材料是否符合設計的要求。
⑥在斷口附近進行金相檢驗，了解材料中的夾雜物、顯微組織、成分偏析（帶狀組織及液析）、脫碳、增碳、晶粒大小、不適當熱處理、變形、晶界腐蝕、應力腐蝕產物及裂紋的擴展情況等信息。
2）掃描電子顯微鏡分析
掃描電子顯微鏡可直接觀察斷口表面，可從幾十倍到幾萬倍放大觀察，是研究斷裂失效分析Z有效的工具。它可觀察到疲勞剝落源、疲勞裂紋擴展的路徑及疲勞剝落的形貌特征，揭示疲勞剝落的成因及影響因素。帶能譜的掃描電鏡可通過微區(qū)成分分析鑒別斷口上經常出現的夾雜物、析出相及腐蝕產物的類型。
（9）成分分析及其他分析
1）常規(guī)化學分析
常規(guī)化學分析在失效分析中，能查明材料是否符合規(guī)定要求。但應注意有害元素如氧、鈦等元素的含量。
2）微區(qū)成分的分析
用電子探針或X射線能譜儀，可在不破壞試件本身的情況下，對失效件進行微區(qū)成分的分析。它尤其對失效件上殘留微量物進行定性及半定性分析是極為有的，根據分析得到的元素組分及含量，可以粗略估計所分析物質的類別。
3）X射線應力測試及X射線衍射分析
X射線應力測試儀可測定軸承服役前后殘余應力的變化。
X射線衍射儀可測定零件的殘余奧氏體含量，用以判斷熱處理工藝是否符合要求。殘余奧氏體含量會影響零件的尺寸穩(wěn)定性。
（10）酸洗檢查
酸洗在失效分析工作中有時是必不可少的步驟，通過酸洗可以確定軸承零件是否存在表面裂紋，也可以判斷軸承零件在冷加工過程中是否產生了較為嚴重的變質層。
酸洗分冷酸洗和熱酸洗兩種，根據不同材料或目的選取不同的酸洗方法。
1）熱酸洗：主要用于顯示通過宏觀檢查或無損探傷后發(fā)現或懷疑零件存在的表面裂紋。
2）冷酸洗：如軸承的工作面較易出現表面剝落或磨損加劇現象，除考慮上述原因外，還應考慮到零件表面是否產生了較為嚴重的磨削表面變質層，表面變質層可以通過冷酸洗及金相組織分析的方法加以確認。
?。?1）信息的分析處理、擬定結論、寫出失效分析報告
1）數據分析處理及擬定結論
對所獲得的數據進行集中、整理、分析和處理，并作出初步的結論。在具體進行失效分析時，如果失效的原因在檢查的初期就已弄清，則下一步直接致力于驗證這一原因和排除其他原因的可能性。如果失效的原因在檢查的初期不清楚，那么失效分析就將按照本文所述的步驟進行。在進行到某一步驟所發(fā)現的各種現象，將決定下一步研究所要采取的方式。因此在作出初步結論前，應盡Z大努力匯集機械性能試驗、化學分析、斷口金相和微觀分析的結果。Z后，如果在失效原因仍不能確定的情況下，則Z好查閱一下國內外發(fā)表的同類實例的報告，有助于獲得找出失效原因的一些線索。
2）失效分析報告的主要格式
①失效軸承及其零件的描述
?、谑r的服役條件
?、凼暗姆蹢l件
?、苁лS承零件的制造及處理過程史
?、菔лS承零件冶金質量評定
?、抻嘘P失效軸承零件的物理、化學、力學性能的測試結果
?、咻S承失效模式的確立并對失效機理極其影響因素進行探討
?、嗵岢銮袑嵖尚械念A防措施及改進建議，以避免同類事故的重現。
5 影響軸承失效的因素
軸承失效的原因往往是多因素的，所有設計制造過程的影響因素都會與軸承的失效有關，分析起來不易判斷。在一般情況下，大體上可以從外來因素和內在因素兩方面進行考慮和分析。
?。?）外來因素
主要是指安裝調試、使用保養(yǎng)、維護修理等是否符合技術要求。因而也稱之為使用因素。
安裝條件是使用因素中的首要因素之一，軸承往往因安裝的不合理而導致整套軸承零件之間的受力狀態(tài)發(fā)生變化，軸承將在不正常的狀態(tài)下運轉并提早失效。根據軸承安裝、使用、維護、保養(yǎng)的技術要求，對運轉中的軸承所承受的載荷、轉速、工作溫度、振動噪音和潤滑條件進行監(jiān)控和檢查。發(fā)現異常立即查找原因，進行調整，使其恢復正常。對潤滑劑質量和周圍介質、氣氛進行分析檢驗
也很重要。尤其是潤滑劑的正確使用對延長軸承的使用壽命是至關重要的。
?。?）內在因素
主要是指設計、制造工藝和材料質量等決定軸承質量的三大要素。也稱之為制造質量因素。
為了提高軸承的壽命和可靠性，人們圍繞著上述三要素，做了大量的研究工作。首先，結構設計不合理不可能有合理的軸承壽命；僅有結構設計的合理性而不考慮先進性也不會有較長的軸承壽命；只有結構設計同時具備有合理性和先進性，才會有較長的軸承壽命。
軸承的制造要經過鍛造、熱處理、車削、磨削和裝配等多種加工工序。各種加工工序的合理性、先進性、穩(wěn)定性也都會影響到軸承的壽命和失效分析。尤其是直接影響成品軸承質量的熱處理和磨加工工藝，往往與軸承的失效有更直接的關系。
軸承材料的冶金質量曾經是滾動軸承早期失效的主要影響因素。隨著鋼材冶煉技術的不斷提高，原材料質量得到較大改善，尤其是國外知名品牌的軸承材料，因而在軸承失效分析中所占的比重已明顯下降。
軸承失效分析的主要任務，就是根據大量的背景材料、分析數據和失效模式，綜合分析，找出造成軸承失效的主要影響因素，以便有針對性的提出改進措施，提高軸承的服役期，避免軸承突發(fā)性的早期失效。
滾動軸承常見失效形式的特點和原因見表1。
?。╞）外圈旋轉，承受徑向載荷。
?。╟）內圈或外圈旋轉，承受單向軸向載荷。
?。╠）內圈旋轉，承受徑向載荷及軸向載荷。
?。╡）內圈旋轉，承受軸向載荷及非直線性。
?。╢）內圈旋轉，承受力矩載荷（非直線性）。
（g）內圈旋轉，軸承箱內徑是橢圓的。
（h）內圈旋轉，軸承內部沒有游隙（運轉游隙為負）。
?。╟）～（h）所示的運行軌跡對軸有承有很壞的影響，大多使用壽命比較短。
2）初步確定其失效模式及類型
3）標出零件在什么位置上取樣，以便下一步檢測分析
?。?）測定失效軸承的一些有關參數
進行全面分析前，在可能的情況下（如軸承還沒有損壞到無法測定的情況時），還應測定軸承的結構設計參數，包括尺寸精度、旋轉精度、徑向游隙、接觸角等項內容。
?。?）無損探傷檢查
在某些情況下，要對失效軸承進行無損探傷檢查，以測定軸承零件的表面或內部是否存在裂紋或其他類似的材料缺陷。這對判斷失效原因是極為有力的證據。
?。?）機械性能分析
硬度測定：評定熱處理質量的好壞；測定加工硬化或過熱、脫碳或增碳引起的軟化或硬化現象。
（7）宏觀檢查和分析
1）斷裂面的保護
為了研究疲勞斷裂的原因，要求斷裂表面保持斷裂瞬間的真實狀態(tài)，否則會給分析帶來困難。如斷口不能馬上觀察，應在斷口表面涂火棉膠涂層，并放在干燥器內存放，以免產生銹蝕。
2）疲勞斷口試樣的選取
?、傧热庋塾^察斷裂的擴展情況，若能看出裂紋擴展方向，可從末端、中間和斷裂源處分別取樣。
?、谝獦俗⑦x取的試樣在整個零件上的部位。
?、墼嚇忧懈钋皯獙⑤S承的旋轉精度、尺寸精度及殘余應力等需要測定的數據測完，否則難以補救。
?、芮懈顣r要將斷口表面保護起來，并要考慮切割時溫升的影響，以免斷口區(qū)受熱而影響到原有組織的改變。
3）宏觀檢查
宏觀檢查是失效分析過程中Z重要的環(huán)節(jié)之一。通過宏觀檢查可了解軸承失效的概貌、裂紋源的位置、可能產生的失效模式，并估計造成失效的原因。
宏觀檢查是指用肉眼、放大鏡、低倍體視顯微鏡及掃描電鏡的低倍觀察。通?？梢源_定裂紋源的位置及確定裂紋的擴展方向。通過對斷口表面的形貌觀察分析，可以大致判斷其斷口是屬于哪一類型的斷口，由此可能獲得導致零件失效時的應力狀態(tài)的一些啟示。通過宏觀分析也可以發(fā)現零件加工中存在的缺陷、材料缺陷以及是否存在應力集中的可能性等。
（8）微觀分析
在宏觀檢查基礎上再對不同的失效類型進行微觀的深入分析，如疲勞源位置的確定、疲勞裂紋的擴展及疲勞剝落的形貌特征，再做定性定量的分析研究，從而作出正確的判斷。
1）金相分析
?、俦粰z材料大概的種類和組織狀態(tài)。
②從檢驗出的顯微組織，來推斷或證實被檢材料的熱處理工藝過程、執(zhí)行這些工藝是否正常合理、可提供產生故障時是否同時伴隨發(fā)生過塑性變形等情況，以及零件在使用過程中，是否曾產生過燒傷等其他的熱處理情況。
③反映出零件在服役工況條件下，發(fā)生的磨損、腐蝕、氧化、疲勞剝落等。
④若失效件上存在裂紋，可大致看出裂紋的發(fā)生、延伸和分布特征，并從裂紋兩側的顯微組織判斷裂紋的性質，為裂紋的產生原因提供較為可靠的依據。
?、輳慕鹣鄼z驗的結果可知材料的顯微組織及非金屬夾雜物的類型和含量，從而判斷材料是否符合設計的要求。
⑥在斷口附近進行金相檢驗，了解材料中的夾雜物、顯微組織、成分偏析（帶狀組織及液析）、脫碳、增碳、晶粒大小、不適當熱處理、變形、晶界腐蝕、應力腐蝕產物及裂紋的擴展情況等信息。
2）掃描電子顯微鏡分析
掃描電子顯微鏡可直接觀察斷口表面，可從幾十倍到幾萬倍放大觀察，是研究斷裂失效分析Z有效的工具。它可觀察到疲勞剝落源、疲勞裂紋擴展的路徑及疲勞剝落的形貌特征，揭示疲勞剝落的成因及影響因素。帶能譜的掃描電鏡可通過微區(qū)成分分析鑒別斷口上經常出現的夾雜物、析出相及腐蝕產物的類型。
（9）成分分析及其他分析
1）常規(guī)化學分析
常規(guī)化學分析在失效分析中，能查明材料是否符合規(guī)定要求。但應注意有害元素如氧、鈦等元素的含量。
2）微區(qū)成分的分析
用電子探針或X射線能譜儀，可在不破壞試件本身的情況下，對失效件進行微區(qū)成分的分析。它尤其對失效件上殘留微量物進行定性及半定性分析是極為有的，根據分析得到的元素組分及含量，可以粗略估計所分析物質的類別。
3）X射線應力測試及X射線衍射分析
X射線應力測試儀可測定軸承服役前后殘余應力的變化。
X射線衍射儀可測定零件的殘余奧氏體含量，用以判斷熱處理工藝是否符合要求。殘余奧氏體含量會影響零件的尺寸穩(wěn)定性。
（10）酸洗檢查
酸洗在失效分析工作中有時是必不可少的步驟，通過酸洗可以確定軸承零件是否存在表面裂紋，也可以判斷軸承零件在冷加工過程中是否產生了較為嚴重的變質層。
酸洗分冷酸洗和熱酸洗兩種，根據不同材料或目的選取不同的酸洗方法。
1）熱酸洗：主要用于顯示通過宏觀檢查或無損探傷后發(fā)現或懷疑零件存在的表面裂紋。
2）冷酸洗：如軸承的工作面較易出現表面剝落或磨損加劇現象，除考慮上述原因外，還應考慮到零件表面是否產生了較為嚴重的磨削表面變質層，表面變質層可以通過冷酸洗及金相組織分析的方法加以確認。
?。?1）信息的分析處理、擬定結論、寫出失效分析報告
1）數據分析處理及擬定結論
對所獲得的數據進行集中、整理、分析和處理，并作出初步的結論。在具體進行失效分析時，如果失效的原因在檢查的初期就已弄清，則下一步直接致力于驗證這一原因和排除其他原因的可能性。如果失效的原因在檢查的初期不清楚，那么失效分析就將按照本文所述的步驟進行。在進行到某一步驟所發(fā)現的各種現象，將決定下一步研究所要采取的方式。因此在作出初步結論前，應盡Z大努力匯集機械性能試驗、化學分析、斷口金相和微觀分析的結果。Z后，如果在失效原因仍不能確定的情況下，則Z好查閱一下國內外發(fā)表的同類實例的報告，有助于獲得找出失效原因的一些線索。
2）失效分析報告的主要格式
①失效軸承及其零件的描述
?、谑r的服役條件
?、凼暗姆蹢l件
?、苁лS承零件的制造及處理過程史
?、菔лS承零件冶金質量評定
?、抻嘘P失效軸承零件的物理、化學、力學性能的測試結果
?、咻S承失效模式的確立并對失效機理極其影響因素進行探討
?、嗵岢銮袑嵖尚械念A防措施及改進建議，以避免同類事故的重現。
5 影響軸承失效的因素
軸承失效的原因往往是多因素的，所有設計制造過程的影響因素都會與軸承的失效有關，分析起來不易判斷。在一般情況下，大體上可以從外來因素和內在因素兩方面進行考慮和分析。
?。?）外來因素
主要是指安裝調試、使用保養(yǎng)、維護修理等是否符合技術要求。因而也稱之為使用因素。
安裝條件是使用因素中的首要因素之一，軸承往往因安裝的不合理而導致整套軸承零件之間的受力狀態(tài)發(fā)生變化，軸承將在不正常的狀態(tài)下運轉并提早失效。根據軸承安裝、使用、維護、保養(yǎng)的技術要求，對運轉中的軸承所承受的載荷、轉速、工作溫度、振動噪音和潤滑條件進行監(jiān)控和檢查。發(fā)現異常立即查找原因，進行調整，使其恢復正常。對潤滑劑質量和周圍介質、氣氛進行分析檢驗
也很重要。尤其是潤滑劑的正確使用對延長軸承的使用壽命是至關重要的。
?。?）內在因素
主要是指設計、制造工藝和材料質量等決定軸承質量的三大要素。也稱之為制造質量因素。
為了提高軸承的壽命和可靠性，人們圍繞著上述三要素，做了大量的研究工作。首先，結構設計不合理不可能有合理的軸承壽命；僅有結構設計的合理性而不考慮先進性也不會有較長的軸承壽命；只有結構設計同時具備有合理性和先進性，才會有較長的軸承壽命。
軸承的制造要經過鍛造、熱處理、車削、磨削和裝配等多種加工工序。各種加工工序的合理性、先進性、穩(wěn)定性也都會影響到軸承的壽命和失效分析。尤其是直接影響成品軸承質量的熱處理和磨加工工藝，往往與軸承的失效有更直接的關系。
軸承材料的冶金質量曾經是滾動軸承早期失效的主要影響因素。隨著鋼材冶煉技術的不斷提高，原材料質量得到較大改善，尤其是國外知名品牌的軸承材料，因而在軸承失效分析中所占的比重已明顯下降。
軸承失效分析的主要任務，就是根據大量的背景材料、分析數據和失效模式，綜合分析，找出造成軸承失效的主要影響因素，以便有針對性的提出改進措施，提高軸承的服役期，避免軸承突發(fā)性的早期失效。
滾動軸承常見失效形式的特點和原因見表1。
表1 滾動軸承常見失效形式的特點和原因
6 失效分析工作應注意的事項
（1）要有整體觀念
1）承擔失效分析工作的人員，不能只顧本單位或本行業(yè)的利益而去違背事實的結論，應站在一個公證的立場，為整體利益作出一個符合實際情況的結論。
2）在對失效軸承進行失效分析時，不能只顧及失效軸承的本身，對整個配套部件或設備應有一個全面的了解。因為造成軸承失效往往并不一定是軸承本身的原因，在很多情況下是由于相關件或整體設計不合理所造成的。
?。?）忌帶主觀片面性
一個正確的結論是建立在科學實驗或實踐的基礎上，在失效分析時，一定要掌握手資料和合理選取樣品，并對失效件進行全面的分析測試，才能作出正確的判斷。
?。?）避免分析技術上的局限性
在進行某種測試分析時，當分析結果還沒有完全清楚時，根據這種結果過早下結論，可能會得出錯誤的結論，因此，必須應用其他的測試手段或分析技術加以判斷。對于特別關鍵的數據，更有必要采用其他分析測試技術作再次的重復論證。
?。?）要認真制定一個分析研究程序。
?。?）分析結果可靠，下結論要慎重，提出的改進措施要切實可行。
7 高鐵及軌道交通軸承失效分析的特點及案例分析
?。?）高鐵及軌道交通軸承失效分析的特點
對于高鐵及軌道交通軸承的失效分析來說，其特點主要在于工況條件的特殊性：我國高鐵動車組軸箱軸承結構型式均為雙列圓錐滾子軸承。其中，200km級別軸承的外形尺寸為d×D×B＝130×230×160（mm）；300km級別軸承的外形尺寸為d×D×B＝130×240×160（mm）。載荷方面：以編組重量Z大的CRH5為例，以平均值估算，每套軸承載荷約為68.7kN，Z大滾動體載荷約為7.6kN，內圈滾道與滾子的接觸應力約為810MPa。軸承的轉速：以運營速度Z快的CRH3為例，時速為300km時，軸承轉速約為1730r/min，即具有高轉速、大載荷、強沖擊、長壽命、極可靠的特點。軌道交通客車也安裝有深溝球軸承及圓柱滾子軸承，其受力狀態(tài)及工況條件也各有其特殊性。這就要求進行失效分析時要對軸承的運轉特點及工作環(huán)境有盡可能多的了解，然后按照既定的分析方案進行全面的檢驗和分析，確定出正確的失效模式，并找出導致早期失效的真正原因。
?。?）案例分析
近一年來，洛陽軸研科技股份有限公司（包括檢測中心）進行了20余次的高鐵及軌道交通軸承失效分析，統(tǒng)計結果見表2。通過對案例的分析、歸納、總結及提煉可以看出：
1）我國的高鐵及軌道交通軸承目前大多數為進口軸承，主要為FAG、SKF、NSK等品牌；
2）采用的鋼種主要為：100Cr6（相當于國產GCr15）、100CrMo7-3、100CrMnSi6-4（相當于國產GCr15SiMn）、SAE4320H（相當于國產G20CrNi2Mo）、SUJ2（相當于國產GCr15）、GCr18Mo；
3）根據所使用的鋼種選擇采用的熱處理方式分別為：馬氏體淬火、貝氏體淬火及滲碳熱處理淬火；
4）軸承的失效模式
經過對表2案例的分析可以得出表3所列的分析結果，可以看出：
（1）要有整體觀念
1）承擔失效分析工作的人員，不能只顧本單位或本行業(yè)的利益而去違背事實的結論，應站在一個公證的立場，為整體利益作出一個符合實際情況的結論。
2）在對失效軸承進行失效分析時，不能只顧及失效軸承的本身，對整個配套部件或設備應有一個全面的了解。因為造成軸承失效往往并不一定是軸承本身的原因，在很多情況下是由于相關件或整體設計不合理所造成的。
?。?）忌帶主觀片面性
一個正確的結論是建立在科學實驗或實踐的基礎上，在失效分析時，一定要掌握手資料和合理選取樣品，并對失效件進行全面的分析測試，才能作出正確的判斷。
?。?）避免分析技術上的局限性
在進行某種測試分析時，當分析結果還沒有完全清楚時，根據這種結果過早下結論，可能會得出錯誤的結論，因此，必須應用其他的測試手段或分析技術加以判斷。對于特別關鍵的數據，更有必要采用其他分析測試技術作再次的重復論證。
?。?）要認真制定一個分析研究程序。
?。?）分析結果可靠，下結論要慎重，提出的改進措施要切實可行。
7 高鐵及軌道交通軸承失效分析的特點及案例分析
?。?）高鐵及軌道交通軸承失效分析的特點
對于高鐵及軌道交通軸承的失效分析來說，其特點主要在于工況條件的特殊性：我國高鐵動車組軸箱軸承結構型式均為雙列圓錐滾子軸承。其中，200km級別軸承的外形尺寸為d×D×B＝130×230×160（mm）；300km級別軸承的外形尺寸為d×D×B＝130×240×160（mm）。載荷方面：以編組重量Z大的CRH5為例，以平均值估算，每套軸承載荷約為68.7kN，Z大滾動體載荷約為7.6kN，內圈滾道與滾子的接觸應力約為810MPa。軸承的轉速：以運營速度Z快的CRH3為例，時速為300km時，軸承轉速約為1730r/min，即具有高轉速、大載荷、強沖擊、長壽命、極可靠的特點。軌道交通客車也安裝有深溝球軸承及圓柱滾子軸承，其受力狀態(tài)及工況條件也各有其特殊性。這就要求進行失效分析時要對軸承的運轉特點及工作環(huán)境有盡可能多的了解，然后按照既定的分析方案進行全面的檢驗和分析，確定出正確的失效模式，并找出導致早期失效的真正原因。
?。?）案例分析
近一年來，洛陽軸研科技股份有限公司（包括檢測中心）進行了20余次的高鐵及軌道交通軸承失效分析，統(tǒng)計結果見表2。通過對案例的分析、歸納、總結及提煉可以看出：
1）我國的高鐵及軌道交通軸承目前大多數為進口軸承，主要為FAG、SKF、NSK等品牌；
2）采用的鋼種主要為：100Cr6（相當于國產GCr15）、100CrMo7-3、100CrMnSi6-4（相當于國產GCr15SiMn）、SAE4320H（相當于國產G20CrNi2Mo）、SUJ2（相當于國產GCr15）、GCr18Mo；
3）根據所使用的鋼種選擇采用的熱處理方式分別為：馬氏體淬火、貝氏體淬火及滲碳熱處理淬火；
4）軸承的失效模式
經過對表2案例的分析可以得出表3所列的分析結果，可以看出：
表2 高鐵及軌道交通軸承失效分析案例總結提煉一覽表
表3 失效分析案例分析結果
?、俑哞F及軌道交通軸承的失效模式主要為疲勞、其次是保持架斷裂，磨損和塑性變形則排在第三位。
?、趯е螺S承失效的原因主要為安裝使用，占近70%；熱處理質量主要表現在滲碳熱處理質量不能滿足高鐵軸承的工況條件；強度不足則主要表現在銅合金保持架的強度不能滿足軸承的工作狀態(tài)。
?、趯е螺S承失效的原因主要為安裝使用，占近70%；熱處理質量主要表現在滲碳熱處理質量不能滿足高鐵軸承的工況條件；強度不足則主要表現在銅合金保持架的強度不能滿足軸承的工作狀態(tài)。
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