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軸承偽壓痕與電蝕的區(qū)分及對(duì)策

2014-01-22

（國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）
　　隨著主機(jī)用戶對(duì)軸承質(zhì)量的重視，近年來(lái)針對(duì)軸承失效分析也越來(lái)越多，平均每年軸承質(zhì)檢中心進(jìn)行的失效分析和廢品分析案例都在100例左右。在進(jìn)行的失效分析案例中，較為典型的軸承分析案例包括軍工、鐵路、風(fēng)電、變速箱、電機(jī)等等。而在這兩年進(jìn)行的分析案例中，電機(jī)軸承占據(jù)了較大比重。
　　電機(jī)軸承失效模式多數(shù)與其他軸承類似，基本集中在：滾動(dòng)表面的剝落、套圈的斷裂、磨損、潤(rùn)滑失效、燒傷等方面。但是，電機(jī)軸承由于其使用工況的特殊性（例如轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，存在電流等情況），在失效形式上也存在特殊的案例。比如滾道表面波紋狀凹槽導(dǎo)致的軸承失效就是電機(jī)軸承較為典型的失效形式。在近兩年進(jìn)行的失效分析案例中，滾道表面出現(xiàn)波紋狀凹槽造成的電機(jī)軸承失效共計(jì)7例，其中地鐵、機(jī)車(chē)電機(jī)軸承就有6例。這樣的波紋狀凹槽通常是電蝕或偽壓痕造成的，由于這兩者的形貌類似，有時(shí)很難區(qū)分，必須通過(guò)必要的檢測(cè)手段加以辨識(shí)，以找出其失效的真正原因。
　　一、偽壓痕與電蝕的現(xiàn)象
　　在ISO15243標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于偽壓痕（也稱“偽布氏壓痕”）和電蝕是做如下定義的：
　　1.1 偽壓痕：零部件周期性振動(dòng)時(shí)，由于彈性接觸面的微小運(yùn)動(dòng)和（或）回彈，滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)將出現(xiàn)偽壓痕。根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度、潤(rùn)滑條件或載荷的不同，腐蝕和磨損會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，在滾道上形成淺的凹陷。對(duì)于靜止軸承，凹陷出現(xiàn)在滾動(dòng)體節(jié)距處，并常變成淡紅色或發(fā)亮。（形貌見(jiàn)圖1）

圖1 軸承外圈滾道表面?zhèn)螇汉?/div>
　　1.2 電蝕：電蝕是由于電流的通過(guò)造成接觸表面材料的移失。電壓過(guò)大時(shí)，當(dāng)電流通過(guò)滾動(dòng)體和潤(rùn)滑油膜從軸承的一個(gè)套圈傳遞到另一套圈時(shí)，由于絕緣不適當(dāng)或絕緣不良，在接觸區(qū)內(nèi)會(huì)發(fā)生擊穿放電。在套圈和滾動(dòng)體之間的接觸區(qū)，電流強(qiáng)度增大，造成在非常短的時(shí)間間隔內(nèi)局部受熱，使接觸區(qū)發(fā)生熔化并焊合在一起。當(dāng)電流泄漏（電蝕波紋狀凹槽）時(shí)，表面損傷Z初呈現(xiàn)淺環(huán)形坑狀，一環(huán)形坑與另一環(huán)形坑位置接近并且尺寸很小。即使電流強(qiáng)度相對(duì)較弱也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，環(huán)形坑將發(fā)展為波紋狀凹槽。只能在滾子和套圈滾道接觸表面發(fā)現(xiàn)這些波紋狀凹槽，鋼球上則沒(méi)有，只是顏色變暗。這些波紋狀凹槽是等距的，滾道上的凹槽底部顏色發(fā)暗。（形貌見(jiàn)圖2）

圖2 軸承內(nèi)圈滾道表面電蝕痕跡
　　1.3 偽壓痕與電蝕表面形貌比較類似，均為波紋狀凹槽，通常俗稱“搓衣板表面形貌”。按照ISO15243標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)明，偽壓痕與電蝕形貌的主要區(qū)別是：振動(dòng)造成的波紋狀凹槽底部發(fā)亮或被腐蝕，而電流通過(guò)造成的凹槽底部則顏色發(fā)暗。電流引起的損傷還可通過(guò)滾動(dòng)體上也有波紋狀凹槽這一現(xiàn)象予以識(shí)別。
　　但在實(shí)際工作中，按照ISO15243標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)別偽壓痕與電蝕形貌是比較難的。在實(shí)際工作中，我們通常通過(guò)下述方法來(lái)予以區(qū)別。
　　二、偽壓痕與電蝕的區(qū)分
　　偽壓痕主要是由振動(dòng)造成的材料腐蝕或磨損，而電蝕是由電流通過(guò)時(shí)局部受熱造成的材料熔融。通過(guò)這一區(qū)別可用兩種方法對(duì)其進(jìn)行區(qū)分：
　　2.1 掃描電鏡
　　利用掃描電鏡，可以將波紋狀凹槽進(jìn)行放大，當(dāng)表面形貌放大至1000倍以上時(shí)，可以清楚的看到凹槽表面的晶粒、晶界狀況，通過(guò)對(duì)晶粒的觀察，即可區(qū)分偽壓痕與電蝕。偽壓痕形成的凹槽表面晶粒沒(méi)有熔融形貌，只存在表面磨損痕跡（見(jiàn)圖3）；而電蝕形成的凹槽表面晶粒存在明顯的熔融狀態(tài)（見(jiàn)圖4）。通過(guò)這一特征可對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分。

圖3 偽壓痕表面

圖4 電蝕表面
　　2.2 金相法
　　也可以通過(guò)金相法對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分，將有凹槽的部分切開(kāi)，經(jīng)過(guò)金相制樣、腐蝕，可以看到：偽壓痕形成的凹槽表面只是存在磨損，金相組織通常和內(nèi)部組織相同，沒(méi)有異常（見(jiàn)圖5）；而電蝕形成的凹槽表面曾被高溫?zé)谶^(guò)，所以會(huì)在凹槽表面產(chǎn)生高溫變質(zhì)層，但是由于電蝕是在短時(shí)間內(nèi)的金屬熔融，高溫變質(zhì)層會(huì)很薄，所以在制作金相試樣時(shí)應(yīng)當(dāng)保證邊緣處的平直（見(jiàn)圖6）。此外，發(fā)生電蝕的軸承，在滾動(dòng)體表面、滾道表面的金相樣品中，均會(huì)發(fā)現(xiàn)高溫變質(zhì)層的存在。

圖5 偽壓痕處金相試樣

圖6 電蝕處金相試樣
　　2.3 當(dāng)軸承是外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，外圈表面的偽壓痕凹槽通常只在承載區(qū)內(nèi)存在，而電蝕凹槽通常會(huì)在整個(gè)外圈滾道面內(nèi)存在。此外，電蝕后的滾動(dòng)體表面顏色通常較暗。這也是通過(guò)外觀予以初步區(qū)分的方法，但是準(zhǔn)確的區(qū)分還是以掃描電鏡和金相法為準(zhǔn)。
　　通過(guò)以上的方法，可以對(duì)電機(jī)軸承表面波紋狀凹槽的形成原因做出準(zhǔn)確的判斷。
　　三、對(duì)策
　　由于偽壓痕和電蝕都是電機(jī)軸承比較常見(jiàn)故障原因，而消除此類故障，可采取以下措施：
　　3.1 偽壓痕故障主要是由于機(jī)器振動(dòng)所造成的，所以只要消除或減小整機(jī)的振動(dòng)（在結(jié)構(gòu)中增加減震設(shè)計(jì)）、施加一定的預(yù)緊力減輕振動(dòng)或者選用合適的潤(rùn)滑劑等措施即可消除、減輕偽壓痕的故障。
　　3.2 電蝕故障主要是由于軸承中電流通過(guò)，所以消除電蝕故障的方法是在電機(jī)結(jié)構(gòu)上加裝接地設(shè)施或采用絕緣性能更好的軸承來(lái)通過(guò)杜絕電流通過(guò)。