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八种常见轴承故障原因分析:温度过高、噪音异响、滚道剥落、烧伤与塑性变形诊断

发布时间:2018-11-20  点击量200 字号- +
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  轴承是电机和水泵中最关键的支撑部件,也是最容易出现故障的部件之一。南方泵业ZS系列不锈钢离心泵、CDM多级泵以及配套的三相异步电动机中,滚动轴承的选型通常是深沟球轴承(两端支撑)或角接触球轴承(承受轴向力),这些轴承在正常运行状态下应该是"安静且凉爽"的。一旦出现异常温升、噪音或者振动,说明轴承内部已经发生了某种形式的损伤。搞清楚九种常见轴承故障的表象和根因,才能在拆检时准确判断、对症处理,而不是盲目换轴承了事。

一、轴承温度过高:最容易感知的异常信号
  用手背贴一下电机端盖或泵轴承座,如果感觉烫手(超过70℃左右),说明轴承温度已经超标。正常滚动轴承的运行温度一般在室温基础上加40~50℃,比如环境温度25℃,轴承外圈温度在65~75℃范围内属于正常。超过85℃就要警惕了,超过95℃必须停机检查。
  温度过高的原因可以从"摩擦热"和"散热不良"两个方向去排查。润滑方面的问题最常见:润滑脂加得太多,轴承搅油发热,油脂软化流失,反而导致润滑不足;润滑脂加得太少,滚道和滚动体之间油膜太薄甚至干摩擦,温度飙升。还有一个容易被忽略的原因是润滑脂型号不对——比如用了耐温等级不够的锂基脂(滴点约180℃)却用在高温水泵上,油脂碳化结块后轴承直接干磨。润滑油(稀油润滑场合)变质或粘度过高也会导致摩擦增大、温升异常。
  装配方面的问题同样突出。轴承内圈和轴配合过紧(过盈量超标),装配时强行敲入导致轴承内部游隙消失,滚动体转动阻力剧增,温度迅速上升。外圈和轴承座孔配合过紧也会有同样效果。还有一种情况是轴承座圈在轴上或壳体内发生相对转动(俗称"跑内圈"或"跑外圈"),金属摩擦产生大量热量,短时间内就能把轴颈或座孔表面擦出蓝色回火色。负荷过大——比如泵在严重偏离工况点运行导致轴向推力剧增——也会让轴承超负荷发热。


二、异常噪音:听到声音就能初步定位故障类型
  滚动轴承正常运转时有一种均匀的、低沉的"嗡嗡"声,这是滚动体通过载荷区时周期性冲击产生的固有声响,属于正常现象。但如果出现尖锐的啸叫、金属的"咔咔"撞击声、或者不规则的"沙沙"摩擦声,说明轴承内部已经有损伤。
  不同故障模式产生的噪音特征不同。内圈或外圈滚道表面磨损后,轴承与轴或壳体的配合关系被破坏,轴线偏离正确位置,滚动体在倾斜的滚道上滚动时会产生周期性的"咯噔咯噔"声,转速越高声音越密集。当轴承疲劳发展到表面金属剥落时,剥落坑的边缘在滚动体碾过时会产生高频的"咔咔"声,这种声音在低速时尤其明显。润滑不足导致的干摩擦会产生持续的尖锐啸叫声,听起来像金属在金属上高速刮擦。保持架松动或损坏后,保持架和滚动体之间发生碰撞,发出不规则的"哗啦哗啦"声,频率不固定、时大时小。
  用听诊棒(或者一字螺丝刀抵在轴承座上、耳朵贴住手柄)可以放大这些声音细节,有经验的技术人员靠"听音"就能大致判断是滚道问题、保持架问题还是润滑问题。当然听诊需要积累经验,新手可以先用手机录音再和正常轴承的声音对比。

三、滚道表面金属剥落:疲劳失效的典型表现
  轴承滚道和滚动体之间承受的是周期性脉动的接触应力,这种应力在每次滚动体经过时加载、离开时卸载,循环次数达到材料疲劳极限后,滚道表面或次表面就会产生微裂纹,裂纹扩展后最终导致金属片状剥落。这就是轴承的"疲劳失效",是正常使用寿命终结的方式。
  但如果剥落发生在设计寿命之前,就是异常故障了。负荷过大是最直接的原因——比如轴向推力超出轴承额定值,接触应力成倍增加,疲劳寿命按立方关系缩短(应力增加一倍,寿命降到八分之一)。安装不正(轴承座孔不同心、轴弯曲)会导致滚道局部应力集中,剥落从应力最高的位置开始。润滑不良也是加速器——油膜厚度不够时金属微凸体直接接触,接触应力局部剧增,疲劳裂纹提前萌生。
  滚道剥落的危害不只是噪音,更严重的是它破坏了轴的运转精度。剥落坑导致滚动体通过时产生径向跳动,这个跳动传递到泵轴上就是振动,振动又加速密封和联轴器的磨损,形成连锁反应。拆检时发现滚道有剥落,轴承必须更换,而且要找出导致过早疲劳的根因(负荷?安装?润滑?),否则新轴承装上后可能很快又坏。

四、轴承烧伤:润滑失效的极端后果
  烧伤的轴承拆开后特征非常明显:滚道和滚动体表面呈现蓝色、紫色甚至黑色的回火色,这是温度超过300℃后钢材金相组织发生变化的结果。严重烧伤时滚道表面会出现熔焊痕迹,滚动体和滚道粘连在一起。
  烧伤的直接原因是润滑失效。润滑脂干涸、碳化或者被污染物稀释后失去润滑能力,滚动体和滚道之间从液体摩擦变成边界摩擦甚至干摩擦,摩擦热急剧积累,温度在几分钟到几十分钟内就能从正常水平飙升到几百度。装配过紧也是常见原因——轴承内部径向游隙被挤压到接近零,滚动体转动阻力大到足以产生足以引发回火的高温。还有一个场景是"跑圈":内圈和轴之间配合松动产生相对滑动,摩擦热把内圈外表面烧出回火色,同时轴颈也被擦伤。
  烧伤的轴承没有修复价值,必须整体更换。更换时要同时检查轴和轴承座的配合尺寸,如果轴颈已经被擦伤,需要修复或更换轴。润滑脂要彻底清理干净,轴承座内不能有旧油脂和碳化物残留。

五、塑性变形:静载荷超限留下的"凹坑"
  塑性变形和疲劳剥落不同——它不是循环应力造成的,而是一次性超载造成的。当轴承在静止或极低速旋转状态下承受了极大的静载荷或冲击载荷,滚道与滚动体接触点的局部应力超过了材料的屈服极限,滚道表面就会被滚动体"压出"一个凹坑。这些凹坑的边缘有金属隆起,滚动体碾过时会产生明显的振动和噪音。
  典型场景包括:泵在关闭出口阀门的状态下长时间运行,内部压力升高对轴承产生极大的轴向推力;安装时用大锤直接敲击轴承外圈导致局部冲击过载;设备运输或吊装过程中轴承部位受到剧烈震动。塑性变形一旦发生是不可逆的,轴承只能更换。

六、轴承座圈裂纹:装配应力或变形导致的结构性破坏
  轴承座圈(内圈或外圈)出现裂纹是比较严重的故障,通常意味着轴承已经到了完全失效的边缘。裂纹产生的原因主要是装配应力——轴承内圈和轴的配合过盈量太大,热装时加热温度过高导致材料金相变化、冷却后产生残余应力裂纹;或者冷装时用压力机强行压入,座圈承受了不均匀的径向应力而开裂。
  另一个原因是包容件变形。轴承座孔的加工精度不够(圆度超差、表面粗糙度太大),轴承外圈装入后受力不均匀,局部应力集中产生裂纹。还有一种是"跑圈"导致的——外圈在座孔内转动,摩擦热使外圈膨胀,膨胀受到座孔约束产生环向拉应力,最终开裂。
  座圈裂纹的轴承绝对不能继续使用,裂纹会迅速扩展导致轴承碎裂,碎片进入泵腔可能造成叶轮和导叶的严重损坏。更换时要检查轴和座孔的尺寸公差和形位公差,确保配合精度在设计范围内。

七、保持架碎裂与金属粘附:润滑和装配的综合问题
  保持架的作用是均匀分隔滚动体、引导滚动体在正确轨迹上运动。保持架本身不承受大的载荷,但它对润滑条件非常敏感。润滑不足时保持架和滚动体引导面之间产生干摩擦,保持架材料(通常是钢板冲压或黄铜车制)磨损变薄,最终断裂碎裂。滚动体破碎后碎片卡入保持架兜孔,也会导致保持架受力撕裂。
  保持架金属粘附在滚动体表面是一种特殊的故障形态。原因是保持架和滚动体之间发生了严重的粘着磨损——两个金属表面在高压和高温下发生冷焊(微观层面的金属粘连),然后被撕裂,保持架材料被"撕"下来粘到了滚动体上。这通常发生在润滑完全失效、轴承处于干摩擦状态的情况下。一旦发生金属粘附,滚动体表面被粘上的金属瘤会刮伤滚道,加速整个轴承的毁灭性损坏。
  预防保持架故障的核心就是保证润滑。润滑脂的填充量、牌号、加注周期都要按轴承厂家的规定执行,不能凭感觉"多加点保险"。对于高速轴承(比如2极电机转速接近3000r/min),保持架的设计和材料选择更关键,更换时要选用原厂指定规格而不能随意替代。

八、座圈滚道严重磨损:异物入侵和润滑污染的信号
  座圈滚道严重磨损和前面说的疲劳剥落不同——疲劳剥落是点状或片状的表层剥落,而磨损是大面积的、均匀的或者不规则的材料流失,滚道表面变得粗糙、失去光泽。磨损的主要原因是异物进入轴承内部:灰尘、砂粒、金属碎屑通过密封圈或防尘盖进入滚道,在滚动体的碾压下像研磨膏一样把滚道表面一点点磨掉。
  润滑不足或润滑油牌号不对也会加速磨损。比如用了粘度太低的润滑油,油膜厚度不足以隔开金属表面,产生磨粒磨损。密封失效是异物进入的通道——轴承两侧的橡胶密封圈老化开裂后,外部污染物长驱直入,轴承内部很快就被污染。
  拆检时发现滚道严重磨损,除了更换轴承外,必须彻底清洗轴承座和相邻部件,更换所有密封件,新轴承安装时确保工作环境清洁。如果磨损是由于密封失效导致的,只换轴承不换密封圈等于白做,下一个轴承很快就会重蹈覆辙。
  以上这些故障模式在实际中往往不是单一出现的,而是组合发生——润滑不足先导致温度高和轻微磨损,磨损产生金属颗粒污染润滑脂,颗粒加速滚道剥落和保持架损坏,最终轴承卡死烧毁。所以判断故障原因时要从"最先发生的是什么"这个角度去追溯,而不是只看到最后的结果。找到根因才能避免换了新的又坏、坏了又换的恶性循环。

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