失效分析步骤

高铁及轨道交通轴承失效分析方法

洛阳轴研科技股份有限公司

概述

高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，在安全、快捷、经济、环保等方面都具有比较明显的优势。进入新世纪以来，中国铁路决定将高铁及轨道交通等客运高速作为实现现代化的一个主要方向。依照自主创新，中国高铁从无到有，经过十多年的高速铁路建设，我国高速铁路运营总里程将突破1.3万公里，同时我国轨道交通技术装备逐步提高并实现了国产化，但作为基础精密件的轴承，我国目前主要依靠进口。高速铁路客车轴承的高可靠性性及长寿命要求，一致制约着我国高铁轴承的研发。近年来，出于对研发、运行安全以及经济等多方面的考虑做了大量的高铁及轨道交通轴承的失效分析。通过失效分析，找出故障产生的原因，并采取有效措施进行预防和控制，防止突发性事故的出现，把故障造成的损失降低到最低，从而提高产品使用的安全可靠性，充分发挥其价值，这是一项十分重要的工作。

1．失效分析的概念

轴承在运转一定时间后，由于制造、安装、使用、维护等方面的原因使其丧失（或局部丧失）规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。

失效有以下几种形式：

（1）完全不能工作。如零件材料的疲劳、断裂等；

（2）仍然可以继续工作，但已不能得到预期令人满意的性能。如轴承运转时的工作温度上升、振动和噪声增加等；

（3）已经不能保证可靠或安全的继续使用，必须拆卸进行修理。

按照一定的方法分析失效的性质和发生原因、研究失效的处理方法和预防措施的技术及管理活动被人们称之为失效分析。

“失效”与“废品”具有不同的含义，“废品”是不符合技术规范、标准和图纸要求的而又不能返修利用的产品。“失效”的产品不一定是“废品”，而“废品”也谈不上失效。轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。分析工作主要是针对早期失效的轴承，找出其失效的原因，提出改进措施，以提高轴承运转的寿命和可靠性。

2．失效分析的目的和意义

（1）失效分析可以从个别的偶然发生的失效事件中找出失效的起因，预防和减少产品同类失效现象的重复发生，从而起到减少经济损失和提高产品的制造质量和使用质量的目的。

（2）失效是由于各种因素导致产品质量发生偏差的反映。通过失效分析可以找出导致产品质量发生偏差的原因。

（3）失效分析可以为产品改进、技术改造、管理者决策等提供信息、方向、依据、途径和方法。

（4）失效分析可以划清责任。

（5）失效分析是机械产品维修工作的基础，它可以决定产品维修的可能性、技术和方法，从而达到提高维修工作质量的效果。

轴承的失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环节，是一门跨学科的技术领域，它既有综合性，又有适用性。所谓综合性表现在它涉及面广，包扩产品的结构设计、机械制造工艺、材料的选用与冶金技术，以及摩擦学、腐蚀学、工程力学、断裂力学、金属物理、表面物理等广泛的学科领域和技术门类。失效分析技术必需依赖于这些相关学科的发展而向前发展；而这些相关学科的发展又都与失效分析工作密切相关。所谓实用性表现在轴承的失效分析工作必须从生产实际出发并紧密地为生产服务，具有很强的应用背景。所以说轴承的失效分析工作是与轴承产品质量及其生产发展密切相关的重要工作。它的工作特点要求从事该项工作的技术人员知识面广、经验丰富和技术先进。

3.滚动轴承的失效模式

滚动轴承在使用过程中，由于制造因素和使用中各因素的影响，其承载能力、旋转精度等性能会发生变化，当其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏。影响滚动轴承失效的因素很多，如设计、材料、制造、安装条件、环境条件、维护保养等。从大多数滚动轴承的失效分析表明，轴承失效大部分是由于使用或维护不当引起的，如选型不合理、轴承安装、润滑不良、密封失效、支承部位设计和制造缺陷、操作失误等。

滚动轴承常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。GB/T24611-2009/ISO15243：2004《滚动轴承损伤和失效术

语、特征及原因》对滚动轴承在使用中发生失效的特征、外观变化及可能的原因进行了定义、描述和分类。标准所述的滚动轴承失效是严格按照其失效的主要原因进行划分的，但也未必都能够很准确地将原因、特征或失效机理和失效模式区分开来，大量相关的文献也都证实了这一点。随着摩擦学等相关学科研究和发展，对失效机理和失效模式方面的描述和划分也必将会更合理、更科学。

该标准将失效模式分为六个大类和不同的小类，详见图1。

4.滚动轴承失效分析的思路和一般程序

4.1失效分析思路

轴承失效分析的步骤大体为：

（1)失效实物和背景资料的收集

（2)轴承有关数据的收集

（3)对失效零件进行初步检查

（4)测定失效轴承的一些有关参数

（5)无损探伤检查

（6)机械性能分析

（7)宏观检查和分析

（8)微观分析

（9)成分分析及其他分析

（10)酸洗检查

（11）信息的分析处理、拟定结论、写出失效分析报告

4.2失效分析的一般程序

（1）失效实物和背景资料的收集

在进行失效分析时，首先应收集轴承完整、准确的使用数据。因为这些数据对于全面了解失效件乃至主机的使用情况，周围环境的影响，是否产生附加载荷，以及转速、温升和润滑等方面可能存在的问题是必不可少的。

（2）轴承数据分析

失效分析人员应掌握设计人员提供的有关参数，把设计的与实际观察到的情况进行对比。

（3）对失效部件进行初步检查

1）外观检查的重要性

失效轴承（包括其全部碎片）在进行任何清洗前，都必须进行彻底的外观检查。在零件上发现的某种脏物和碎屑常常能为判断失效原因，或确定导致失效的先后顺序提供有力的证据。因此，必须对它们作出详细的记录。在进行外观检查时，要注意细微的颜色和运转轨迹的形状及其改变，并注意观察断口的表面及裂纹的扩展轨迹。全部重要特征都应记录并尽可能用数码相机进行拍照。

例如深沟球轴承有代表性的运行轨迹见图1所示。