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滚针轴承失效的最常见原因及轴承润滑的重要性

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  滚针轴承是一种重要的机械部件,它控制着机器的性能。如果其中一个轴承发生故障,不仅机器,装配线也会停止运转,由此产生的成本可能会非常高。因此,每个轴承制造商都应尽一切努力确保每个轴承的最高质量,并代表用户最仔细地使用和维护。
  在接触面之间使用润滑剂以保持零件连续运动。滚针轴承润滑的主要目的是避免或减少滚动接触面与滑动接触面之间的金属间摩擦。这不是滚针轴承润滑的唯一功能。补充功能有:轴承散热、去除滚动接触表面的固体磨损颗粒和污染物、防腐、提高轴承密封的密封效果。
  润滑对轴承寿命至关重要。在重型应用中,如轧机、熔炉、烘箱或高温风机,滚针轴承可能暴露在高于正常温度的环境中。对于这些应用,适当选择润滑剂和润滑方法非常重要。在工业应用中,有两种润滑剂适合高温使用:润滑脂和机油。在特殊情况下,用固体干润滑剂润滑轴承。
  90%的滚针轴承使用润滑脂润滑剂。润滑脂的用量取决于许多因素,这些因素与壳体的尺寸和几何参数、空间限制、轴承工作速度和所用润滑脂的类型有关。一般情况下,滚针轴承及其轴承座的填充量应为其总容量的30%至60%。如果工作速度和温度升高,则应使用少量润滑脂。如果润滑脂量过多,温度升高,可能导致润滑脂软化,并可能出现局部泄漏。随着时间的推移,润滑脂失去其特性,必须以适当的间隔重新供应新鲜润滑脂。再润滑间隔取决于轴承类型、尺寸参数、轴承工作速度和温度。
  在工业应用中,如果相邻的机器部件也有油供应,或者如果产生的热量必须由润滑剂消散,则使用油润滑。如果涉及高转速和/或高负荷,或轴承暴露在高温下,则必须进行散热。在这种情况下,重新润滑间隔取决于轴承的工作条件(温度、速度、负载等)、油量和所用油的类型。如果在工作温度约为50°C时使用油浴润滑方法,则重新润滑间隔应为一年。在70至100°C的工作条件下,应每三个月更换一次机油。无论如何,重要的是定期检查润滑系统和劣化情况,以确定更换机油。
  另一种轴承润滑是固体润滑或干润滑。这种方法用于工业应用,其中滚针轴承承受重负荷,缓慢的相对运动和高工作温度。固体润滑非常有效,运行时间相对较长。最常用的固体润滑剂是石墨和二硫化钼。这些固体润滑剂以粉末松散、滑漆或糊状物的形式应用于滚道表面。石墨和二硫化钼润滑剂可用于高达450°C的高温操作。
  在实践中,轴承的损坏或失效往往是多个机构同时工作的结果。故障可能是由于装配或维护不当,或轴承或其相邻零件制造不当造成的。
  在某些情况下,故障是由于为了经济利益而作出的设计妥协或不可预见的运行条件造成的。它是设计、制造、装配、操作和维护的复杂组合,往往难以确定故障的主要原因。为了可靠地确定轴承故障的原因,需要考虑每个特性。由于不止一个过程可能会对这些表面造成类似的影响,对外观的简单描述通常不足以确定故障的原因。
  如果轴承发生大面积损坏或灾难性故障,则很可能丢失证据,从而无法确定故障的主要原因。在所有情况下,了解总成的实际操作条件和维修历史是最重要的。通常,轴承故障的原因可以分为五组和不同的子组。
  近几十年来摩擦学研究的发展导致了描述失效机理的新知识的显著增加。该研究领域的数据表明,不当润滑是轴承故障最常见的原因,约占故障的80%。当然,这些百分比可能因应用而不同,具体取决于操作条件和维护实践。
  选择合适的轴承润滑油是基于选择润滑油还是润滑脂,以及确定所需添加剂种类的决定。这个决定取决于一些因素,如运行负荷、速度和温度。
  润滑是决定轴承使用寿命的关键因素。轴承行业的一些研究表明,不正确的润滑可以导致大约80%的轴承故障。故障可能是由于润滑时间过长而没有更新、润滑不当和润滑污染所致。
  滚针轴承润滑时间过长而不更新和润滑不当是轴承过早失效的主要原因(每种情况约为20%),在大多数情况下,这些都是可以预防的。不合适的润滑剂是指不含合适的添加剂、粘度不合适、或不适合在这种应用或温度范围内使用的润滑剂。
  磨损可能是润滑不足造成的。表面变暗的程度取决于粗糙度和磨料颗粒的性质。随着材料从运行表面和保持架上磨损,这些颗粒的数量逐渐增加。最后,磨损成为加速过程,导致轴承失效。
外圈滚道上的研磨磨损
  润滑油粘度不当是导致轴承失效的主要原因之一。对于润滑油来说,粘度是最重要的特性之一,决定着润滑油的润滑效率。
  根据ISO 281:2007(E),润滑剂的有效性主要取决于滚动接触表面之间的表面分离程度。如果要形成足够的润滑剂分离膜,当应用达到其工作温度时,润滑剂必须具有给定的最小粘度。润滑油分离的条件用粘度比k来描述,它是实际运动粘度v与参考运动粘度:
  为了在滚动接触面之间形成足够的润滑膜,润滑剂在工作温度下必须保持一定的最小粘度。通过增加工作粘度,可以延长轴承寿命。参考运动粘度1可根据轴承转速和中径Dpw,通过图4中的图表估算,或通过方程式(2)和(3)计算得出:
  k的计算基于矿物油和加工质量良好的轴承滚道表面。图表和方程式(2)和(3)也可近似用于合成油,如合成碳氢化合物(SHC),其中较大的粘度指数(粘度随温度的变化较小)由较大的矿物油压力粘度系数补偿,如果两种油在40°C下具有相同的粘度,则在不同的工作温度下形成的油膜大致相同。图4中的图表和方程式(2)和(3)同样适用于润滑脂的基础油粘度。在润滑脂润滑的情况下,由于润滑脂的放气能力差,导致润滑不良和可能的寿命缩短,触点可能在严重缺油的情况下工作。
  油的运动粘度取决于轴承的工作温度。表示油的运动粘度-工作温度比较图,用于选择具有适合应用的粘度特性的润滑油。
  流速越快,粘度越低,反之亦然。如果粘度过低,则不会形成油膜,并会损坏轴承接触面。反之,当粘度过高时,粘性阻力也会很大,摩擦引起的温度也会很高。在任何一种情况下,轴承部件表面的粗糙度(微观加工高点)可能会相互接触,最初会导致结霜或涂抹情况,然后在接触点处粘附。轴承故障将不可避免。
  水、化学品和颗粒物的污染对滚针轴承尤其有害,占过早故障的25%。
  当润滑剂被磨损的固体颗粒污染时,当这些颗粒过度滚动时,轴承滚道上会产生永久性的微裂纹。这些微裂纹的出现会产生局部应力,从而降低滚针轴承的寿命。
润滑膜中固体颗粒导致的寿命降低取决于:
1.颗粒的类型、尺寸、硬度和数量;
2.润滑膜厚度;
3.轴承尺寸。
  在粘度比k<1和污染因子eC的情况下,可以使用k=1的值来计算污染因子eC。对于k>4的值,应使用k=4。增加k值的动机是,当使用有效的极压添加剂(EP添加剂)时,可以预期接触表面的良好平滑效果。如果污染严重(污染系数eC<0.2),应在实际润滑油污染下证明EP添加剂的效率。EP添加剂的效率应在实际应用或适当的轴承试验中得到证明。
  污染因子eC是粘度比k和中径Dpw的函数:
  当用于滚针轴承部件的钢与水分(如水或酸)接触时,会发生表面氧化。随后形成腐蚀坑,最终导致表面剥落。在滚动元件和轴承环之间的接触区域可以观察到一种特殊形式的湿气腐蚀,其中润滑剂中的水含量或退化的润滑剂与相邻轴承元件的表面发生反应。
  如果采用适当的设计和适当的密封和润滑系统维护,轴承污染问题很容易避免。
v由于大轴轨道的发展,与未对准和轴倾斜相关的不充分的维护实践会影响与污染相关的故障。对轴承故障进行分析的检查员的一个主要倾向是在损坏的机构似乎受到污染时,突然得出存在密封问题的结论。经过详细检查,很可能真正的问题是由于部件之间的过度不对中,从而造成二次密封问题。解决密封问题并不能解决部件之间的不对中问题;事实上,更换的密封件可能具有更高的密封性能,但其公差不对中会更低。
  许多轴承在使用寿命短的情况下,由于润滑油量不足或没有润滑而导致故障。其中,最常见的原因是简单的疏忽、不正确的润滑间隔和失效的润滑系统。为了正确使用,必须对轴承进行监控,以确保润滑间隔不会太频繁,从而导致润滑过度,也不会太频繁,从而导致润滑不足。
  由于润滑不足,导向法兰面和滚柱端部可能会出现油污。在全补足轴承(无保持架)中,根据润滑和旋转条件,滚动元件之间的接触也可能发生擦伤。
  当滚针轴承润滑过度或向壳体中添加过多机油时,会发生过度润滑。过多的润滑脂或油量可能导致滚动部件之间的内部摩擦,从而产生过多的温度,从而造成轴承的应力和变形。
  增加滚针轴承中的润滑油和润滑脂的数量不是一个好的解决方案,因为这种做法可能会导致滚动元件之间的搅动作用,结果总是会导致温度升高。高粘度的油或高稠度的润滑脂也会使温度升高。
  通常,由原设备制造商选择的轴承是正确的应用选择。当然,也有一些例外,而且在应用中总是有可能使用错误的轴承。在调查所有其他故障源后,应考虑这种可能性。如果工作过程中有任何变化,可能需要使用一个新轴承,但并非所有时候这都是一个好的解决方案。
  另一个常见的错误是使用更大或更强的轴承,认为这种安排将增加径向承载能力。更大或更强的轴承无法解决真正的根本问题。相反,这种新的布局可能会产生额外的问题,例如,所选轴承的转速可能低于标称转速,并且可能无法在信任度相对较高的环境中正常工作。在某些情况下,需要对轴承进行预加载,以促进滚动运动并防止滚子打滑。将原来的轴承更换为新的轴承实际上可能会导致故障,如果加载不当,故障会更快。作为一般规则,对于工业应用,必须使用原始设备制造商选择的相同类型的轴承来更换轴承。
  轴承选择不当约占所有过早轴承故障的10%。
  安装不当约占所有过早轴承故障的5%。安装不当可能导致轴承故障,原因是负载不平衡、错位或负载分布不当。偏差为0.01/10 mm的变化足以引起轴承振动和温度的大幅上升。这些突然的变化可能会在它们运行的滚珠或滚柱槽中产生严重磨损。这些问题可以被检测为球在外滚道上的非平行运行标记,以及在内滚道上的超宽球或滚道。
  当轴承安装在轴或壳体上时,安装不当也会导致轴承过热或不均匀发热而导致故障。当内环膨胀需要加热时,温度不得超过125°C。此外,如果采用感应加热器安装技术,在安装前必须对轴承消磁。在磁化的情况下,滚柱轴承可能会很快失效,因为它吸引了黑色金属颗粒。