下罗拉轴承的早期失效分析

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在现代纺织机械中，下罗拉轴承为非标准滚针轴承，具有质量轻、摩擦阻力孝启动快、润滑相对简单、便于失效更换等较多优点，作为承受载荷的支承件在纺织行业被广泛运用。LZ16.5下罗拉轴承设计要求额定寿命20 000 h，但在实际使用时，经常会出现提前失效，甚至正常运行 10 000 h都不到就出现失效导致细纱机故障。因此有必要对失效的轴承进行试验分析，研究早期失效的机制，并改进以提高生产效率。

作者从设计强度是否足够、加工材料是否存在问题、使用中有无做好润滑工作3点出发，采用表征分析、尺寸测量、金相组织观察 、硬度分析、油脂水分测试和红外光谱分析等方法，通过物理和化学检测指标，对下罗拉轴承进行失效机制分析，找出引起轴承失效的原因。实践证明，这种方法能够准确地确定下罗拉轴承失效的主要原因。

1 轴承概况下罗拉轴承为非标准滚针轴承，采用 GCrl5制造该轴承内、外圈和滚针，采用尼龙制造保持架，属于轻型轴承，质量0.07 kg，最轩本承载能力6 kN，在运转时，单侧受力 2 940 N，表面速度达 70 m/s，转速约4 000 r/rain。在轴承厂进行疲劳实验时，额定寿命为20 000 h，该轴承 LZ16.5PO设计尺寸和精度等级见表 1。

表 1 LZ16.5的基本尺寸 mm2 外观检测取-组共4个失效轴承进行分析。外观检测发现：其外圈和保持架上均粘着黑色润滑脂，其中3个失效轴承的润滑脂中还附着大量纱线，另-个轴承经清洗后，发现内圈表面有红褐色和黑色斑点，位于轴承内圈中间位置 (见图1)，说明该轴承已经锈蚀。4个轴承的内圈端面上均有明显的凹坑、条痕和麻点。

根据轴承的失效原理推断：锈蚀是由于水汽等侵入，并发生化学或电化学腐蚀造成的；压坑是在外力的作用下，由于硬质物体 (如运转中产生的金属颗粒)侵人工作表面产生的；条痕属于划伤，是硬质物体侵入工作表面后产生相对运动造成的；麻点是表面塑性变形并产生疲劳剥落造成的。显然 ，轴承在运转过程中发生过磨粒磨损、锈蚀和表面局部塑性变形等损伤，保持架上的黑色干涸 的润滑脂及其 中的纱线，说明有杂质、异物等进入，引起摩擦阻力增大，极可能伴随产生高温，使润滑油膜 被击 穿，在表面产生高温氧化或者高温 回火 、二次淬火等。针 对 这 - 现 象，需要对 表面 硬度、金相组织等进行测试。

3 化学成分图 1 失效轴承外观检测红褐色斑点采用光电直读谱分析仪，对失效轴承的内、外圈材质进行了化学成分分析。从表 2可以看出：轴承内、外圈材料为高碳铬轴承钢，内圈的碳元素明显偏低，其他元素含量基本符合 GB/T 18254-2000《高碳铬轴承钢》标准对 GCr15的要求。

收稿 日期 ：2012-01-06作者简介：罗平尔 (1978-)，工程硕士，讲师，研究方向为机械设计与制造。E-mml：i600015###163.tom。

第4期 罗平尔 等：下罗拉轴承的早期失效分析 ·157·并与克鲁伯 ISOFLEX TOPAS L32润滑脂和未失效的润滑脂进行了对比分析，所得结果如图4所示。

l-失效轴承油脂样品 使用过的克鲁伯 ISOFLEXTOPASL32润滑脂3-克鲁伯ISOFLEX TOPAS L32 N润滑脂4 000.0 2 800 1 800 1 200 600波数/era图4 油脂红外光谱测试分析由图4可知：失效润滑脂在3 600～3 500 cm 左右出现的宽的吸收峰和 1 700 cm。。左右出现的尖锐强谱带，是由碳氧双键 C-O伸缩振动造成的，随着运转时间的延长，吸收峰在不断地加剧和提高，说明高温下，润滑脂正在不断地氧化分解。研究表明：油脂在 1 700～1 740 cm 左右出现了明显的碳氧双键CO伸缩振动吸收，其对波峰的吸收与油脂的劣化程度成正比，是油脂化学劣变的-项重要参数。从这项参数结合失效轴承油脂样品对光谱的吸收明显减少进行分析，说明油脂在运转中，可能由于纱线等的进入导致高温，羟基硬脂酸锂基脂、碳氢脂肪油的氢原子被夺取了，出现了氧化分解，伴随出现含 C-O的基团或si、s等有机低分子分解产物，致使润滑性能显著恶化。通过图谱分析可知：轴承中的润滑脂已被破坏，油脂失效了。红外光谱分析虽然是-种重要的分析手段，还可以借助其他的-些分析手段，如铁谱分析、x射线衍射、能谱分析等进行进-步的细致分析 。

(2)添加剂及污染的鉴别及图谱分析。由图 4可知 ：添加剂在润滑油中所 占的比例非常低 ，-般只有 5%。通过图4的图谱分析，发现在 3 650、1 230、1 160、860 cm 有特征吸收峰 ，这是 由于添加了抗氧剂 BHT，而且，在失效的轴承润滑脂中还继续存在着。其他诸如防锈剂、硫化油的波峰，并不是非常明显，对轴承的失效影响不大，故不再讨论。在3 800 cm 有水的OH伸缩吸收峰，说明存在高浓度的水，即脂已经受到了水污染，故而引起轴承的生锈。

失效轴承材料为GCrl5轴承钢，其化学成分基本属于正常范围，但其内圈的含碳量略低，从硬度检测结果来看，滚针的硬度高于内、外圈，说明内、外圈容易磨损和脱落，这点从外观检测结果：4个轴承的内圈端面上均有明显的凹坑、条痕和麻点得以验证 ；外圈固定，内圈转动，外圈硬度低于内圈硬度，这种匹配度与常规设计略有偏差。

从红外光谱分析可知：由于纱线的导人造成油脂出现氧化分解 ，这是由于轴承密封不好，异物进入 ，滚动体与内外圈的摩擦力矩增大，摩擦产生大量的热，被挤压部位形成高温区，由于润滑油的存在，因此表面高温部位被重新淬火，形成了淬火马氏体。同样由于局部高温的作用 ，使紧靠表面的次表层又接受了-次回火 ，回火温度高于滚针原来热处理的回火温度，致使次表层硬度下降，极易剥落，剥落后形成凹坑，挤压后形成条痕。从硬度检测结果：失效轴承的内、外圈及滚针 的硬度值 比新轴承的高约 HRC1～2得到验证。

另外从红外光谱分析可知 ：内圈表面有红褐色和黑色斑点是由于在 3 800 cm 有水的 OH伸缩吸收峰，说明存在高浓度的水，即脂已经受到了水污染，故而引起轴承生锈。

8 结论及建议由综合分析不难得出如下结论和建议 ：(1)由于密封不好，异物进入使轴承 内表面产生较大的压应力，产生凹坑、条痕，导致细纱机上下罗拉滚动轴承早期失效。 (2)由于密封不好，使油脂受到了水污染，故而引起轴承生锈，导致内圈表面有红褐色和黑色斑点。 (3)在轴承配对设计中，外圈固定则要求外圈比内圈和滚针的硬度偏高或-致，因此新旧轴承滚针的硬度匹配度与设计原则略有偏差〃议将外圈的设计硬度提高 HRC2。(4)增加密封装置，建议采用橡胶密封圈密封，并采用双唇密封，设计时让唇口以过盈配合与轴承内圈贴合，从而达到防尘密封的 目的，避免因密封不 良引起早期失效。