識別滾動軸承的失效模式，并查明造成損傷的原因是避免重復損傷、提高設備可靠性的第一步。
作為現代工業機械設備中最常見的部件之一，軸承以最低的摩擦將旋轉部件（軸）和固定部件（軸承座）組合在一起。有了軸承，汽車、飛機、發電機、輸送機、印刷機等各種旋轉設備得以平穩運行。
對于經常和工業設備打交道的人來說，應該更好地了解軸承的工作方式以及在運行中過早失效的原因。
為此，國際標準化組織（ISO）發布的ISO 15243標準對滾動軸承的不同失效模式進行了分類，并對每種失效模式的特征、外觀變化及其可能產生的原因進行了描述。該標準的最新版本于2017年發布。
除了了解失效模式的特征和外觀，了解導致失效的原因也很重要。認識了這些，有助于采取所建議的糾正措施來避免失效的再次發生。當然，如果軸承一直運行到失效（RTF）并發生卡死，則可能無法識別失效模式及其原因。
本文總結了滾動軸承的ISO失效模式及其原因。在此之前，首先介紹一些基礎信息。
軸承基礎知識
滾動軸承是由高硬度軸承鋼制成的高精密機器部件，現在越來越多的滾動軸承采用陶瓷滾動體。軸承由內圈和外圈、滾珠或滾子及保持架組成，圖1顯示了滾動軸承的常用部件。有些軸承還帶有密封或防塵蓋，這種密封式軸承出廠時已預填潤滑脂。潤滑油或潤滑脂對于分隔滾動體和滾道所需要建立的潤滑膜厚度至關重要。必須為設備選擇合適的軸承，并正確安裝，確保軸承潤滑良好且無污染。在尋找損傷跡象時，正確理解軸承內部幾何形狀以及軸承的工作原理非常重要。
圖1：軸承術語 - 深溝球軸承。
將從設備上拆卸下來的受損軸承的滾道載荷痕跡與運行良好的軸承進行比較，有助于了解軸承損傷的原因。防范假冒軸承也很重要，因為假冒軸承的使用壽命通常要比知名軸承制造商制造的軸承短很多。
失效原因
導致軸承無法正常運行并失效的原因是什么？
了解失效模式本身很重要，但了解導致失效的原因也許更重要。
對于這個問題，不同的人有不同的答案。為了服務客戶和開展研究，SKF進行了許多軸承檢測和損傷分析調查。調查結果記錄在SKF軸承分析報告軟件（BART）中。這種基于云的軟件會跟蹤所運行的軸承被拆卸的原因和造成軸承失效的原因，以及一些其他數據。基于這些數據，SKF便可以解答這個問題：為什么軸承會停止運行？
數據表明，大多數軸承因運行過程中振動和噪聲過大而被拆卸下來。當對設備進行維護或溫度過高時，軸承也會被拆卸（圖2）。
圖2：軸承被拆卸的主要原因（源自SKF軸承分析報告軟件）。
潤滑不良和污染是造成軸承損傷最常見的原因（圖3）。與潤滑相關的原因可能是潤滑不足、使用了錯誤的潤滑劑、潤滑劑含有水分或其他液體、潤滑劑性能劣化等。與污染相關的原因可能在是裝配或維護期間顆粒污染侵入、機械部件（齒輪等）磨損造成的顆粒污染、密封失效、過濾不充分等。其他原因包括軸承使用（應用場合）錯誤，或軸承安裝（配合）和搬運不當。
圖3：軸承損傷的常見原因（源自SKF軸承分析報告軟件）。
軸承運行期間的ISO 15243失效模式分類
ISO 15243: 2017 [參考文獻1] 對安裝在設備中的軸承在運行期間發生的失效模式進行了分類，也就是說不包括部分缺損等制造型缺陷。ISO將失效模式分為六個大類：滾動接觸疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、以及裂紋和斷裂（圖4）。每一大類都包含子類別，以便對失效模式進行更具體的分類。
圖4：ISO 15243:2017 失效模式分類。
分類的編號（例如 5.1.2）基于ISO 15243第5章。
《軸承損傷和失效分析》手冊 [參考文獻2] 可用于識別軸承失效模式和原因。
關于六大類失效模式的描述如下：
1 滾動接觸疲勞（ISO 5.1）
滾動接觸疲勞分為兩個子類：次表面起源型疲勞和表面起源型疲勞。
次表面起源型疲勞（ISO 5.1.2）（圖5）是由滾動接觸表面的循環載荷引起的，隨著時間的推移會導致材料結構發生變化，從而產生微裂紋。微裂紋通常在表面下軸承鋼中的夾雜物處萌生，隨后擴展至表面，發生剝落。這種疲勞受軸承質量、施加的載荷、潤滑和清潔度的影響。這類似于軸承額定壽命L10mh。如果軸承因瞬時過載或其他削弱 材料性能的運行狀態而承受高應力，則次表面疲勞可能加速擴展。在這些情況下，疲勞壽命很短（只有L10mh的5%到10%）。
表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）（圖6）是起源于滾動表面的疲勞，通常由潤滑不良或污染導致的表面損傷引起。潤滑油膜厚度不足和固體污染物過度碾壓會引起金屬與金屬接觸，從而造成表面微凸體相互剪切。之后相繼出現微裂紋和微剝落，最后導致表面起源型疲勞。
圖5：次表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖6：表面起源型疲勞（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
2 磨損（ISO 5.2）
第二類是磨損。ISO將磨損分為兩個子類：磨粒磨損和粘著磨損。
磨粒磨損（ISO 5.2.2）（圖 7）是指在顆粒污染物等磨粒的作用下，表面材料逐漸移失。潤滑不充分時，也會發生磨粒磨損。其特征通常是表面外觀變暗。磨粒磨損是一種退化過程，最終會破壞軸承滾動表面的微觀幾何形狀。磨粒會迅速磨損內外圈滾道、滾動體以及保持架兜孔。污染物侵入潤滑劑和軸承，以及滾動接觸中的潤滑劑不足都有可能引起磨粒磨損。
圖7：脂潤滑軸承中由于潤滑劑不足導致的磨粒磨損（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
粘著磨損（ISO 5.2.3）（圖8）是指當軸承內的兩個部件相互滑動時，材料從一個表面轉移到另一個表面，并伴隨著摩擦發熱的現象。這可能導致材料回火或二次淬火。當軸承承載過輕以及徑向軸承的滾動體在進入承載區時受到強烈的加速作用時，會出現粘著磨損，表現為涂抹（滑傷、粘結）。角接觸球軸承在高速、承載過輕和游隙過大的運行條件下也可能發生粘著磨損。
圖8：粘著磨損（滑傷）（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
3 腐蝕（ISO 5.3）
第三類是腐蝕，分為三個子類：銹蝕、蠕動腐蝕和偽布什壓痕。
銹蝕（ISO 5.3.2）（圖9）是濕氣進入軸承的常見問題。高硬度軸承材料的耐腐蝕性低，當軸承處于靜止狀態時，濕氣會在對應滾動體間距的位置形成銹蝕，表面氧化后會在后續運行中產生次表面起源型疲勞。濕氣極大地降低了潤滑劑在運行的軸承中形成一定厚度油膜的能力。
蠕動腐蝕（ISO 5.3.3.2）（圖10）發生在配合面之間的界面產生微小運動時，例如軸承內圈和軸之間以及軸承外圈和軸承座之間。這可能是由于軸承與軸或與軸承座的配合錯誤，還取決于所施加的載荷。例如，內圈旋轉和載荷恒定的軸承要求其內圈與軸具有一定的最小過盈配合，以避免蠕動腐蝕。同樣，內圈旋轉和內圈上施加旋轉載荷的軸承要求軸承外圈與軸承座具有一定的過盈配合，以避免蠕動腐蝕。蠕動腐蝕表現為界面上的黑紅色氧化。
偽布什壓痕（ISO 5.3.3.3）（圖11）發生在承受小幅振擺或振動的滾動體和滾道之間的接觸區。滾動體間距的位置上形成凹陷，導致表面的原始拋光面脫落，并且還會在表面上產生類似于蠕動腐蝕的黑紅色氧化。磨損量取決于外加載荷的強度、振擺和振動的強度以及潤滑條件。
圖9：銹蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖10：蠕動腐蝕（ 紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖11：偽布什壓痕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
4 電蝕（ISO 5.4）
電蝕分為兩類：過電壓電蝕和漏電流電蝕。
過電壓電蝕（ISO 5.4.2）（圖12）發生于電流通過滾動體從軸承的一個套圈傳遞到另一套圈時。在接觸表面上，該過程類似于電弧焊（小接觸表面上的高電流密度）。材料被加熱到從回火到熔化的溫度范圍，這會導致出現尺寸大小不一的變色區域，該處的材料經過回火、二次淬火或被熔化，由于軸承的旋轉作用，在材料熔化并因此被剝離的地方形成環形坑，凸起的材料會被磨掉。在焊接設備接地不當情況下對機器進行焊接修補時，設備上產生的電火花可能會導致過電壓電蝕。
漏電流電蝕（ISO 5.4.3）（圖13）發生在低強度電流流過軸承時。損傷通常呈現彼此靠近的環形淺坑，并且隨著時間的推移會出現灰色搓板紋。滾動體可能呈現灰色、暗淡的外觀，并且潤滑劑也會變色。損傷的程度取決于電流強度、持續時間、軸承載荷、轉速和潤滑劑。當軸未正確接地或者電機由變頻驅動器（VFD）控制時，漏電流電蝕在有雜散電流的電機中很常見。
圖12：過電壓電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖13：漏電流電蝕（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
防止電蝕型損傷的解決方案是使用帶有電絕緣涂層（SKF INSOCOAT）的軸承或帶有陶瓷滾動體的混合軸承。
5 塑性變形（ISO 5.5）
ISO 將塑性變形分為兩類：過載變形和顆粒壓痕。
過載變形（ISO 5.5.2）（圖14）是由靜態過載引起的機械損傷。造成靜態過載的原因包括搬運不當（軸承從高處掉落）、安裝不當（錘擊軸承）、設備運行時承受沖擊載荷等。表現為滾道壓痕或對應于滾動體間距位置的凹陷，保持架、密封和防塵蓋的損傷等。
顆粒壓痕（ISO 5.5.3）（圖15）出現在固體顆粒污染物或碎屑在軸承滾動接觸區過度碾壓時，從而導致滾道和滾動體產生壓痕（變形）。損傷的范圍受顆粒的大小、類型和硬度的影響。壓痕處被持續碾壓后會導致表面起源型疲勞（ISO 5.1.3）。
圖14：過載變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖15：顆粒壓痕變形（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
6 裂紋和斷裂（ISO 5.6）
最后一個ISO失效類別是裂紋和斷裂，分為三個子類：過載斷裂、疲勞斷裂和熱裂。
過載斷裂（ISO 5.6.2）（圖16）發生在應力超過材料的抗拉強度時。過載斷裂的常見原因是過盈配合過緊，或者圓錐孔軸承在錐形軸頸或安裝套上的推進距離過大，會產生過高的環向應力。
疲勞斷裂（ISO 5.6.3）（圖17）發生在循環彎曲條件下，應力超過材料的疲勞強度時。反復彎曲會導致裂紋萌生，并擴展到套圈或保持架上。如果軸承承受重載，并且軸承座的支撐剛度不夠大時，會使外圈承受高循環應力，軸承中便可能出現疲勞斷裂。
熱裂（ISO 5.6.4）（圖18）發生在兩個表面相互滑動，并產生摩擦熱時。如果滑動很大，表面局部會二次淬火，再加上很高的殘余拉應力的擴展會導致裂紋，裂紋通常垂直于滑動方向。例如，靜止的軸承座與旋轉的軸承套圈接觸，就會發生熱裂。
圖16：過載斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖17：疲勞斷裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
圖18：熱裂（紅色箭頭表示在圖中可以觀察到軸承損傷的位置）。
有關軸承失效模式和原因的更詳盡描述，請參見參考文獻2。
值得注意的是，受損軸承內的潤滑劑（潤滑油或潤滑脂）也可以為軸承失效研究提供有價值的信息。需要對舊潤滑劑采樣，再與新樣品進行對比。對潤滑劑的分析應考慮顆粒和水分污染的含量、粘度變化、潤滑脂稠度變化等因素。
檢查軸承密封或防塵蓋以及其他部件（例如安裝套）也可能獲得有用信息。
預測性維護（PdM）或基于狀態的維護（CBM）技術，例如振動分析、熱成像、油液分析等，可用于在軸承發生嚴重損傷以及可能對安裝軸承的設備損壞之前進行的故障檢測。這樣可以更好地識別失效模式。在發生大面積損傷之前將大型軸承（內徑>200毫米）拆卸，就有可能對其進行修復。通過修復使軸承“煥然一新”，從而降低維護成本和對環境的影響（圖19）。
圖19：修復軸承和新的滾子軸承對環境影響的比較。
最常見的失效模式
SKF的分析數據1確定了五種最常見的ISO失效模式，即磨粒磨損 (26%)、表面起源型疲勞 (16%)、銹蝕 (14%)、粘著磨損 (7%) 和漏電流電蝕 (7%)（圖20）。這些失效模式約占軸承研究中確定的所有失效模式的70%。雖然在大多數軸承中都可以看到蠕動腐蝕（即使是輕微的），但不構成主要的失效模式。其他 ISO失效模式在數據中也有所體現，但并不多見。
圖20：最常見的ISO失效模式*
SKF軸承分析報告軟件（BART）
SKF工程師使用的SKF軸承分析報告軟件現可供廣大客戶使用。SKF為客戶提供有關軸承知識、軸承檢測技術和SKF軸承分析報告軟件使用方法的基本培訓。客戶與SKF應用工程師或專家密切合作以完成檢測報告，軸承分析報告軟件生成的檢測報告經由SKF專家審核。通過這種檢測，可以判定軸承是否應該更換、能否再次使用、能否進行修復或是必須報廢。它還可用于記錄對新軸承投入使用前的檢查，這對于已存放很長時間的軸承非常有用。
在必要時，SKF應用工程師可以對軸承進行全面的損傷分析，為提高可靠性提供建議。SKF工程師可借助人工智能[參考文獻3] 來提高軸承損傷分析水平。人工智能使用計算機視覺系統，通過數碼照片來評估軸承損傷情況。該系統采用人工智能形式的神經網絡算法進行圖像識別，并利用SKF檔案中數千張失效軸承的圖片進行學習。
總結
綜上所述，ISO 15243有助于對在設備運行中的滾動軸承的失效模式進行分類，并識別失效原因。通過了解常見的軸承失效模式及其原因，便可以采取糾正措施以避免再次發生失效。此舉可大幅降低出現意外和重大故障的風險，并有望提高設備的可靠性和利用率。由于維護需要而拆卸的軸承，可以進行能否重新使用或進行修復的檢查。
SKF正在收集軸承失效模式及其原因的數據，以及其他相關數據，以更好地了解軸承運行狀況。SKF使用的軸承分析報告軟件也可供客戶生成軸承檢測和損傷分析報告。
參考文獻
[1] International Standard ISO 15243:2017, “Rolling bearings damage and failures – terms, characteristics and causes”
[2] SKF brochure 14219, “Bearing damage and failure analysis”
[3] SKF Evolution article, “The future of bearing failure analysis is here” (2022)
（來源：演進Evolution）
