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滚动轴承磨损的主要类型和原因

2021-03-02


在本文中,舍弗勒英国的工程经理Steve Lacey博士描述了滚动轴承磨损的原理类型和原因,提供了补救措施的指导,并研究了如何选择最合适的润滑脂可以防止轴承过早失效。


当表面相互滑动并且没有足够的润滑或没有润滑以使它们分开时,就会发生磨损。如果可以始终保持完整的流体动力润滑膜,则不会发生磨损。然而,实际上,这种情况很少发生,因此磨损几乎总是不可避免的。龙门加工中心主轴

龙门加工中心主轴

与滚动轴承失效的其他原因(例如疲劳,腐蚀和过载)不同,磨损以许多不同的形式出现,本文无法全部解决。取而代之的是,本文将讨论滚动轴承磨损的四种主要类型:磨料磨损,粘着剂磨损,微动磨损/腐蚀和假渗水。


磨料磨损


当坚硬,粗糙的表面在较软的表面上滑动时,会发生磨蚀,这会打滑一系列凹槽并清除材料。当在滑动表面之间引入磨料颗粒或零件移动通过磨料介质时,也会发生这种情况。


滚动轴承的磨料磨损,通常被称为“三元素”磨损,是指从滚动轴承的三个主要区域去除材料:滚道,滚动元件的端面以及肋/保持架。磨料磨损通常表现为具有镜面状表面结构的高光泽(即半光泽)表面。这种类型的磨损通常会导致增加的游隙或内部游隙,从而缩短疲劳寿命并导致轴承未对准。


磨料磨损也会影响使用轴承的机器的其他零件。异物可能通过磨损严重或密封不良而进入润滑剂。最初对外壳和零件的清洁不当,无效的过滤或不正确的过滤器维护也会使磨料颗粒积聚。


滚动轴承磨料磨损的主要原因是:润滑膜形成不足;润滑剂中存在异物(如沙子,研磨产生的细金属等污染物);或润滑剂不足。此外,随着润滑剂中磨损颗粒数量的增加,这将进一步加速轴承的损坏过程。


磨料磨损可以通过几种方式加以限制。可以对表面进行涂层或处理,以提供比磨料颗粒更大的硬度。例如,舍弗勒提供了广泛的模块化涂层概念,使组件和系统的表面与特定应用jing确匹配。


如果使用循环润滑剂,则可以通过过滤去除磨料颗粒。另外,也可以使用机油传感器系统,例如FAG磨损碎片检查系统–一种机油监测系统,可指示轴承,保持架和齿轮的损坏或磨损。该系统使用感应式颗粒计数器(传感器),该传感器能够区分润滑油中可能存在的铁和非铁金属颗粒。传感器提供有关油中存在的微粒数量的信息,然后根据其物理尺寸对这些微粒进行分类。以这种方式分析机油可以更早地发现损坏和磨损。


还可通过使用硬表面和软表面的组合来限制磨料磨损,以使磨料颗粒可以将自身嵌入更软的材料中。


胶粘剂磨损


当两个表面相互滑动时,由于在粘合点的材料发生剪切,变形和拔出,会发生磨损。这些粘附点出现在粗糙度峰值处。对于胶粘剂磨损,磨损量通常与载荷以及表面滑动的距离成正比,而与发生磨损的表面的硬度成反比。


滚动轴承的粘着磨损通常被称为“涂污”或“二元”磨损。这涉及滚动伙伴之间的材料转移,这是由轴承内的滑动活动引起的,这主要归因于滚动元件进入负载区时的角加速度。这导致材料在环形滚道和滚动元件之间转移。这种金属与金属的接触可以在轴承表面上以“划痕”或“划痕”标记的形式出现。


在严重损坏的情况下,由于转移的颗粒脱落,会发生磨料磨损。这样就有可能被误认为是“灰色污渍”,这是一种轴承疲劳形式,其中在相对较低的载荷和同时打滑的情况下会出现很小的非常平坦的凹坑。这些凹坑大量出现,并在轴承滚道上显示为“斑点”。


在胶粘剂磨损的情况下,如果零件的表面坚硬,通常可获得zui佳效果。硬质表面可以通过用硬质材料制造零件或进行适当的表面处理来获得。防止磨损的一些常见表面处理方法包括镀铬和镀镍,渗碳和渗氮。然而,取决于应用,各种设计方法是可能的。例如,可以改变轴承的类型或保持架设计,或在某些轴承部件上涂一层黑色的氧化膜。


微动磨损/腐蚀


微动磨损通常被称为“摩擦腐蚀”,是轴承滚道上形成的微动腐蚀。这通常发生在孔,外径和滚道的端面上。通常,微动腐蚀是由润滑不足引起的,润滑不足会导致金属接触,并因此导致滚道氧化(通常很明显是铁的红色或黑色氧化物)。


微动腐蚀的四个主要原因是:安装部件之间的微小运动或很小的运动;组件形式/几何形状的偏差;轴挠度/外壳变形;以及没有轴向预紧力的地方。遵循轴承制造商的安装说明以获取适当的安装建议,可以纠正大多数的微动腐蚀情况。


微动腐蚀也可能以摩擦腐蚀的形式出现。这可能是由于滚动引起的轴承动态载荷的结果。在此,由于轴承套圈的弹性变形,在装配零件之间会发生微小的运动。


微动腐蚀的补救措施包括:在具有点载荷的环上提供浮动轴承功能;使用尽可能紧的轴承座;使轴(外壳)更坚固以防止弯曲;或涂上轴承座。


错误的布氏针刺


顾名思义,错误的布氏硬度不是真正的布氏硬度,而是在轴承静止时由滚动元件的轻微轴向运动引起的实际微动磨损。当轴承不转动时,不能形成油膜以防止滚道磨损。通过滚动元件在座圈上来回滑动,磨损样的凹痕或凹槽会磨损到座圈中。振动是这些滑动运动的原因。压痕表面经常变成棕色(腐蚀)并表现出严重的硬化,特别是在滚珠轴承的情况下。这些标记也可以通过它们与周围表面的明显分界来识别。


有时候,无法防止错误的布氏破坏,例如,以海运方式运输车辆或其他类型的设备或机器。存在的振动可能会引起足够的运动,从而产生一些这种虚假的布氏针刺现象。通过减少相对运动的可能性并通过减少运输或存储过程中存在的静态重量,可以显着减少或消除这种情况。其他补救措施包括为旋转负载选择更大的径向游隙或使用包含抗磨添加剂的润滑剂。


滚动轴承在出现非常小的反向或角度振荡(即,滚动元件旋转少于一整圈)的位置使用时,也会表现出虚假的布氏针刺现象。通过检查凹陷或磨损区域,可以将错误的布氏硬度与真实的布氏硬度区别开来。错误的布氏硬度实际上会磨损表面纹理,而原始的表面纹理将保留在真实布氏硬度的凹陷中。


选择合适的润滑脂用于滚动轴承


选择正确的润滑剂是确保滚动轴承功能可靠性和zui佳使用寿命的关键因素。失效统计数据表明,很大一部分滚动轴承过早失效与所使用的润滑剂直接或间接相关。故障的主要原因是不合适的润滑剂(20%),老化的润滑剂(20%)和润滑不足(15%)。


尽管有时建议在极端工作条件(例如高温)下与滚动轴承一起使用润滑油(例如矿物油和合成油),但大多数轴承制造商还是建议使用润滑脂。


在为滚动轴承选择合适的润滑脂时,需要考虑许多与应用相关的因素。其中包括轴承的类型,工作速度,温度和负载。还可能需要考虑其他因素,例如安装位置,密封以及冲击和振动。


润滑脂的特性和分类


润滑脂的特性从根本上取决于以下三个属性:


基础油的类型和粘度基础油

的粘度决定了润滑膜的形成。作为基础油,通常使用矿物油或合成油。重要的是,根据合成油的类型(聚α-烯烃,聚乙二醇,酯,氟油等)进行区分,因为它们具有截然不同的特性。


增稠剂使用的

典型增稠剂包括金属皂或金属络合物皂。有机或聚合物增稠剂,例如聚脲,变得越来越重要。


添加剂

所有润滑脂均包含添加剂。对油本身有影响的添加剂(抗氧化剂,粘度指数改进剂,清净剂等)与对轴承或金属表面有影响的添加剂(例如抗磨添加剂,腐蚀抑制剂,摩擦值)有所区别修饰符)。


油脂按其主要成分分类:增稠剂和基础油。油脂以各种稠度生产,定义为NLGI等级。这些取决于润滑脂根据ISO 2137的“有效渗透率”。NGLI等级越高,润滑脂越硬。滚动轴承的shou选润滑脂是NGLI等级为1、2或3的那些。


影响润滑脂选择的因素


轴承类型

需要区分点接触(滚珠轴承)和线接触(滚针轴承和圆柱滚子轴承)。


在球轴承中,滚动接触处的每次超滚动运动只会在相对较小量的润滑脂上产生应变。另外,球轴承的滚动运动学仅表现出相对较小的滑动运动比例。因此,与点接触轴承相比,润滑脂在点接触轴承上所承受的比机械应变明显要小。通常,使用基础油粘度为ISO VG 68至100的润滑脂。


在带线接触的滚动轴承中,对润滑脂提出了更高的要求。不仅接触处的油脂量更大,而且会产生滑动和肋摩擦。这防止了润滑膜的形成,因此将导致磨损。作为对策,应选择具有更高基础油粘度(ISO VG 150至460或更高)的润滑脂。可能还需要抗磨添加剂,稠度通常为NLGI 2。


速度

轴承的速度参数应始终与润滑脂的速度参数相匹配。这取决于增稠剂的类型和比例,基础油的类型以及基础油的比例。润滑脂的速度参数不是材料参数,而是取决于轴承类型和所需的最短运行时间。


作为一般指导,对于高速旋转或所需启动扭矩较低的滚动轴承,应选择具有高速参数的润滑脂。对于低速旋转的滚动轴承,建议使用低速参数的润滑脂。


温度

润滑脂的温度范围必须与滚动轴承中可能的工作温度范围相对应。工作温度范围取决于增稠剂的类型和比例,基础油的类型和比例以及生产质量和生产工艺。润滑脂在高温下的稳定性还主要取决于生产质量和生产过程。


为了获得可靠的润滑和可接受的润滑脂使用寿命,通常建议应根据通常在标准工作范围内出现的轴承温度选择润滑脂。


其他要考虑的因素包括润滑脂的zui高工作温度,滴点(即,缓慢加热的润滑脂从半固态转变为液态且di一滴润滑脂从标准化的滴头奶嘴下降的温度) ,以及较低的工作温度。


负载

对于C / P <10或P / C> 0.1的负载比,建议使用基础油粘度较高且具有抗磨添加剂的润滑脂。这些添加剂在金属表面形成反应层,以提供抗磨损保护。这些润滑脂也建议用于滑动运动(包括慢速运行)或线接触比例增加的轴承,以及径向和轴向组合载荷下的轴承。


水和湿气

如果应用在潮湿的环境中,湿气会进入轴承。如果冷热之间温度快速波动,轴承内可能会凝结水。如果轴承或外壳中存在大的空腔,则这是一个特殊的问题。


水可能会严重损坏润滑脂或轴承,并且通常是由于老化或水解,润滑膜中断和腐蚀引起的。钡和钙复合皂润滑脂在这些条件下被证明是有利的,因为它们提供了良好的耐水性并起到拒水的作用。润滑脂的防腐蚀作用也受添加剂的影响。


振动,冲击和振动

振动载荷可能会对润滑脂中增稠剂的结构产生重大影响。如果机械稳定性不足,则可能会发生一致性变化。这会导致软化,单独脱油,但也会导致润滑脂硬化并相应降低润滑能力。因此,建议选择一种润滑脂,其机械稳定性经过相应的测试。这里的选项包括扩大的工作穿透力,符合ASTM D 1831的Shell Roller Test,以及在FAG AN42测试台上进行的测试。


密封

如果硬的污染物颗粒渗入轴承,不仅会导致噪音增加,而且会磨损。适当密封轴承应避免这种情况。润滑脂可以通过在密封件上形成稳定的轴环来帮助实现这种密封效果。在这种情况下,更固态的润滑脂更合适,因为太软的润滑脂会助长润滑脂的逸出。


安装位置和相邻组件

即使旋转轴垂直或倾斜,润滑剂也必须保留在润滑点。除了使用适当的密封件外,还可以使用粘性更高的润滑脂来防止润滑脂流走。如果多个润滑点靠近放置,可能会发生意外接触。因此必须注意润滑剂彼此之间的相容性。但是,在可能的情况下,zui佳解决方案是仅使用一种润滑脂,该润滑脂也应与保持架和密封材料兼容。

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