SCR摩根軋機軸承損傷原因探究及處理

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司,江西 貴溪 335424)

滾動軸承是重要的機械基礎(chǔ)件，對主機的運轉(zhuǎn)精度和工作效率起著至關(guān)重要的作用[1]。多年來，因軋制質(zhì)量好，輥隙易調(diào)整，軋輥互換性好，換輥快捷等[2]優(yōu)點，SCR摩根軋機在國內(nèi)、外得到廣泛應(yīng)用，而其關(guān)鍵零部件滾動軸承的工作性能和使用壽命，對整條軋機生產(chǎn)線舉足輕重。現(xiàn)對軸承損傷原因進行探究、分析，并提出改進措施。

1 工況特點及要求

摩根軋機工作結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。摩根軋機軸承用于支承轉(zhuǎn)動的軋輥，以保持軋輥在機架中處于正確的位置，并承受由軋輥傳遞來的軋制力。軸承同時承受徑向載荷和軸向載荷，工作在中速、重載、高溫、振動、沖擊、摩擦和介質(zhì)腐蝕等惡劣環(huán)境中，其溫度極不穩(wěn)定，且易受到濁液、雜質(zhì)等侵蝕。這就要求軸承要有高可靠性、長壽命、耐沖擊及磨損、良好的潤滑、密封性能和冷卻條件。摩根軋機軸承需背對背成對安裝使用，以避免引起附加軸向力，且可在兩個方向?qū)⑤S或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。

圖1 摩根軋機工作結(jié)構(gòu)示意圖

2 損傷分析及應(yīng)對措施

2.1 疲勞剝落

疲勞壽命是軸承質(zhì)量的綜合反映[3]。接觸疲勞是軸承的主要失效形式，其特征是軸承出現(xiàn)麻點或脫落。初級損傷通常發(fā)生在溝道和鋼球上，最終會惡化為剝落形式的二級損傷。通常，該損傷可分為3種。

2.1.1 軸承內(nèi)部剝落

軸承內(nèi)部剝落最為常見，常發(fā)生于內(nèi)、外溝道和鋼球表面，特征是呈箭頭狀剝落。通常由軸承內(nèi)部的碎片、壓痕、刻痕、蝕刻及硬雜質(zhì)顆粒等引起，起源于極高的局部應(yīng)力處，導(dǎo)致軸承過早疲勞損傷，使振動和噪聲加劇。對此，應(yīng)進一步探究、完善軸承周圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如：為兼顧高速性及密封性，選擇高性能密封設(shè)計，既保證高速旋轉(zhuǎn)時的低摩擦、低發(fā)熱，又能有效防止外部異物、水分的侵入，保證軸承在潔凈環(huán)境下正常運轉(zhuǎn)；還應(yīng)合理選擇軸承接觸角并增設(shè)軸承故障監(jiān)測點。

2.1.2 幾何應(yīng)力集中引起的剝落

幾何應(yīng)力集中引起的剝落發(fā)生于軸承內(nèi)圈表面上，特征是局部嚴(yán)重疲勞剝落和破裂，由軸承座、軸的偏心或承受重載荷而引起。軸彎曲或邊緣載荷會引起軸承局部區(qū)域的應(yīng)力過大，對此，應(yīng)精確加工軸承座、擋肩或重新研究使用條件。

2.1.3 非金屬夾雜物剝落

非金屬夾雜物剝落主要發(fā)生于軸承溝道表面以下，呈局部橢圓形剝落。軸承經(jīng)歷了數(shù)萬次載荷周期后，在軸承鋼內(nèi)部含有非金屬夾雜物的次表面局部區(qū)域易產(chǎn)生疲勞剝落源，所萌生的微裂紋擴展至溝道表面形成剝落損傷。隨著軸承鋼潔凈度的不斷提高，該類損傷極為少見。對于摩根軋機軸承，即使有輕微剝落等損傷，也會發(fā)出異常聲。因此，可采用測音器對運轉(zhuǎn)中軸承滾動的音質(zhì)及聲音大小進行檢測，加以預(yù)防。

2.2 燒傷

燒傷發(fā)生于鋼球與保持架或內(nèi)、外溝道之間。鋼球、溝道及保持架在旋轉(zhuǎn)中急劇發(fā)熱，直至變色、軟化、熔敷和破損。其特征是燒傷表面變粗糙且有金屬灼燒色。雖然軸承燒傷有溫升先兆，但何時發(fā)生卻難以控制。產(chǎn)生該損傷的主因有以下幾個方面。

2.2.1 潤滑不良

潤滑不良是造成軸承過早損傷的主因之一?，F(xiàn)場統(tǒng)計資料表明：約40%的軸承損傷與潤滑不良因素有關(guān)。潤滑油變質(zhì)、缺油及油牌號不對，皆會造成軸承燒傷。對此，應(yīng)仔細(xì)檢查軋機潤滑油供油系統(tǒng)，加大對用油的監(jiān)控力度，選擇適宜的油牌號和黏度；對關(guān)鍵潤滑點，必須定期巡檢和加油潤滑，以免泵、閥門、管路或噴油嘴等出現(xiàn)故障。

2.2.2 軸承損壞

保持架或鋼球出現(xiàn)碎裂等會導(dǎo)致軸承燒傷，遇此情況，應(yīng)立即停機，及時更換軸承或進行維修。

2.2.3 配合不當(dāng)

軸承與軸或軸承座間配合不當(dāng)也會造成軸承燒傷。配合過松，易使軸承與軸和軸承座之間松動而發(fā)生相互轉(zhuǎn)動；配合太緊，易使軸承變形并產(chǎn)生較大應(yīng)力，這些均會造成軸承燒傷。對于軸承與軸配合，過松時，可在軸上涂金屬漆；過緊時，應(yīng)重新磨削軸。對于軸承與軸承座配合，過松時，應(yīng)把軸承座鑲緊；過緊時，則應(yīng)重新加工軸承座。機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，安裝軸承的部位允許有一定的溫度，用手感觸機構(gòu)外殼時，以不燙手為正常；反之，則軸承溫度過高，易產(chǎn)生燒傷，應(yīng)檢查原因并采取改進措施。

2.3 異物磨損

2.3.1 研磨損傷

研磨損傷在異物磨損中最常見，主要發(fā)生于鋼球和溝道上，會造成軸承軸向游隙或內(nèi)部間隙增大，精度和壽命降低，且影響機器的其他零件。磨削和機加工過程產(chǎn)生的以及齒輪帶來的金屬微粒、碳化物或沙粒進入軸承內(nèi)部，皆會磨損鋼球或溝道。

過濾器失效及軸承座初次清洗不干凈，將導(dǎo)致磨粒積聚；密封圈因嚴(yán)重磨損或失效，易使異物侵入軸承，這些皆會使軸承產(chǎn)生研磨損傷。對此，應(yīng)改善密封裝置，及時清洗過濾裝置及軸承座。

2.3.2 麻點擦傷

麻點擦傷發(fā)生于鋼球和溝道上，主要表現(xiàn)為：零件表面有分散或密集分布的有一定深度的黑色針狀凹坑[3]。麻點擦傷由大顆粒灰塵、軸承座清潔不凈而殘留的金屬碎片等硬質(zhì)顆粒在軸承內(nèi)滾動而形成，應(yīng)從控制材料缺陷、腐蝕、潤滑和密封等方面考慮，認(rèn)真加以預(yù)防。

2.3.3 碎屑擦傷(壓傷)

碎屑擦傷發(fā)生于軸承工作表面上，特征是：形狀和大小不一，有一定的深度，壓痕(坑)邊緣較光滑且輕微凸起。內(nèi)部碎屑污染通常是由于密封圈、離合器、制動器、齒輪、花鍵、接頭及軸承座等清潔不當(dāng)或部件發(fā)生損傷或剝落造成的；外部碎屑污染一般是由灰塵、環(huán)境顆粒和沙粒所致。硬質(zhì)顆粒隨著潤滑油進入軸承，會引起軸承內(nèi)表面擦傷(壓傷)。因此，應(yīng)充分過濾潤滑油。

2.3.4 槽痕

槽痕發(fā)生于滾動零件上。一旦清潔不當(dāng)，殘留的金屬碎片和其他大顆粒污染物等楔入軟質(zhì)保持架材料，極易導(dǎo)致槽痕，影響滾動接觸幾何形狀，降低軸承的使用壽命。

2.4 軸承內(nèi)、外圈裂紋或溝道損傷

軸承內(nèi)、外圈裂紋或溝道損傷發(fā)生于軸承內(nèi)、外圈或溝道上，通常是未遵循廠家推薦的軸承配合方式，且未結(jié)合現(xiàn)場實際造成的。裝在旋轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)圈應(yīng)采用過盈配合，外圈則采取過渡配合；為防止軸承熱膨脹，有時外圈甚至采用松配合，這主要取決于具體應(yīng)用狀況。軸徑過大、圓度超差，或安裝在拱起的金屬刻痕或金屬雜質(zhì)上，易導(dǎo)致軸承內(nèi)、外圈破裂。軸承座運行中破裂，若仍繼續(xù)使用的話，則易導(dǎo)致軸承外圈斷裂。

2.5 保持架破損

保持架破損主要發(fā)生于保持架的兜孔、梁或鉚釘處，主要表現(xiàn)為：保持架構(gòu)件變形、磨損和疲勞斷裂。保持架通常由低碳鋼、青銅或黃銅等材料制成，裝拆不慎、使用工具不當(dāng)或程序錯誤等均易導(dǎo)致保持架破損。保持架常受到軋機乳液、異丙醇、燒堿等的侵蝕，以及摩擦力、張力、離心力和慣性力等作用，而使軸承過早出現(xiàn)性能問題。其誘因太過復(fù)雜，應(yīng)聯(lián)系軸承制造商共同分析。

2.6 銹蝕

銹蝕是軸承最嚴(yán)重的損傷形式之一，發(fā)生于整個軸承零件上，主要表現(xiàn)為軸承全面銹蝕和腐蝕。水、蒸汽和腐蝕性物質(zhì)(漆、煤氣等)侵入；潤滑劑不合適；軸承座內(nèi)溫度降低而冷凝積聚的水；密封圈損傷、破損或不合適使得濕氣和水侵入軸承；軸承拆卸、檢查時清洗和干燥不當(dāng)?shù)染鶗斐射P蝕。為此，應(yīng)改善密封裝置，更換新潤滑劑，停轉(zhuǎn)時采取防銹措施，軸承清洗干燥入庫前涂油防腐，新、舊軸承皆用保護紙包好干燥放置。

2.7 裝拆傷痕

裝拆傷痕發(fā)生于軸承表面上。操作不當(dāng)或裝拆損傷易使球軸承產(chǎn)生刻痕和壓痕?？毯酆蛪汉凼惯吘壨蛊?，會產(chǎn)生過高的噪聲、振動及應(yīng)力集中。對此，操作和裝拆軸承時，應(yīng)格外小心，避免鋼球、溝道表面和邊緣受損，如：使用硬化的壓入工具，導(dǎo)致軸承的外圈表面或保持架被碰出缺口或撞裂；使用錯誤的安裝工具，使保持架出現(xiàn)破損；安裝過程中，使用硬化沖頭，造成凹痕；軸承座加工不精確，使軸承產(chǎn)生金屬刮痕和擦傷。裝拆時，為避免產(chǎn)生機械磕碰傷，應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行，使用恰當(dāng)?shù)墓ぞ?，保證安裝時相互之間的定心。

2.8 軸承卡傷、嚴(yán)重脫皮或大片剝落

軸承卡傷、嚴(yán)重脫皮或大片剝落發(fā)生于鋼球、保持架或溝道上。其損傷形式與潤滑不足引起的損傷形式在外觀上相仿。兩種誘因常易混淆，需追根溯源，徹底查清。過量預(yù)載荷，產(chǎn)生過熱，在滾動面上產(chǎn)生微小燒傷，累積而形成表面損傷(即卡傷)；重載荷導(dǎo)致次表面層過早疲勞剝落，過載易使鋼球表面出現(xiàn)開裂及過早的嚴(yán)重疲勞，導(dǎo)致鋼球上的金屬大片剝落，也會使溝道嚴(yán)重脫皮和剝落；軸承安裝不正，軸彎曲，也會產(chǎn)生溝道剝落現(xiàn)象等。對此，必須及時檢查載荷的大小，檢查預(yù)緊是否適當(dāng)，改善潤滑油和潤滑方法，檢查軸、軸承座的精度。

2.9 真、偽布氏壓痕

2.9.1 布氏壓痕

布氏壓痕發(fā)生于溝道面和其他轉(zhuǎn)動面。金屬小粉末等異物侵入時，在溝道面或其他轉(zhuǎn)動面上產(chǎn)生凹痕；裝拆操作不當(dāng)，軸承受到大的沖擊，或運行中沖擊載荷過高或靜態(tài)載荷過大，溝道面會產(chǎn)生間距與滾動體間隔相等的壓痕。

軸承內(nèi)圈與軸采用緊配合安裝時，作用于外圈的力將產(chǎn)生額外的軸向載荷使鋼球與溝道間產(chǎn)生沖擊載荷，瞬間極高的沖擊載荷會導(dǎo)致套圈產(chǎn)生布氏壓痕，有時甚至使鋼球或溝道破裂。對此，應(yīng)采取過濾潤滑油，改善密封裝置，改善組裝及使用方法等應(yīng)對措施。

2.9.2 偽布氏壓痕

偽布氏壓痕發(fā)生于鋼球和溝道上，是類似布氏壓痕的一種假象，其實是磨損。軸承在微振期間，鋼球和滾道間會因振動和搖動而產(chǎn)生偽布氏壓痕。例如：火車、貨車、海運等長途運輸途中的劇烈振動，儲存過程的相對位移，軸承停轉(zhuǎn)時的振動和擺動，小振幅的擺動運動，潤滑不良均足以導(dǎo)致軸承產(chǎn)生該損傷。因此，運輸過程中，軸和軸承箱應(yīng)加以固定并將軸承成對包裝，還需對軸承進行預(yù)壓以減輕振動并使用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒?/p>

通過檢查壓痕或磨損的區(qū)域，容易區(qū)分真、偽布氏壓痕。布氏壓痕中原始的表層仍會保留，而偽布氏壓痕中原始的表層會被磨去。

2.10 電蝕

電蝕發(fā)生于軸承表面上，其特征是：放大鏡下觀察呈現(xiàn)斑點、凹坑、密集的小坑。電蝕坑一般呈火山噴口狀，進一步發(fā)展則成為波板狀。其主因有：短路、不正確的設(shè)備接地、焊接、接線錯誤、絕緣不夠或不當(dāng)、靜電泄漏及電動機轉(zhuǎn)子線圈松動等。通常設(shè)定電路時，應(yīng)防止電流與軸承接觸，或加強對軸承絕緣或接地保護等。

2.11 蠕變

蠕變發(fā)生于軸承配合面上。蠕變部位呈現(xiàn)鏡面狀光亮、暗面或卡傷磨損，與零件原表面有明顯區(qū)別。蠕變實際上是指套圈的滑動現(xiàn)象，配合面過盈量不足、間隙配合或緊定套緊固不夠的情況下，由于滑動而使載荷點向周圍方向移動，產(chǎn)生套圈相對軸或外殼位移的現(xiàn)象。對此，必須檢查過盈量，實施止轉(zhuǎn)措施，適當(dāng)緊固緊定套，研究軸和軸承座的精度及粘接配合面。

3 結(jié)束語

影響SCR摩根軋機滾動軸承使用壽命的因素很多，正確的操作、日常點檢、維修以及適時調(diào)整都十分關(guān)鍵。為保證下一周期系統(tǒng)正常運行，需要有針對性地對軋機滾動軸承損傷原因進行分析、探討與技術(shù)研究，并加強重點維護保養(yǎng)、定期檢修、及時監(jiān)控與適時更新。