颗粒污染如何导致轴承失效

2023-08-23: 来源: 让云

你不要问我为什么将颗粒污染列为杀手2号，而不是头号。在润滑管理中，一般都是将颗粒污染是首要污染，是引起摩擦副失效的第一大因素。我个人不是特别认同，在我统计的大量直接的失效或者造成严重后果的轴承失效中，水污染是占住首要位置的。当然这并不是说颗粒污染对轴承的损伤有限。今天就罗列罗列颗粒污染对轴承的损害。

我们都可以理解减少和消除颗粒侵入的重要性。由于颗粒侵入对设备可靠性有负面影响，因此识别颗粒影响、探知颗粒进入设备的途径，知道采取哪些措施减少或消除颗粒侵入，就具有非常重要的意义。

颗粒侵入会导致接触疲劳、点蚀、凹坑、剥落、微动腐蚀。表面疲劳通常是由硬或软颗粒引起的凹痕引起的。颗粒上的重复高负载会导致表面疲劳并最终形成凹坑。凹坑慢慢导致更大的凹坑，最终发展为剥落。

一、颗粒来源/产生

颗粒的产生主要来源有四类

1、系统残留

系统残留污染包括制造碎屑，例如毛刺、加工切屑、焊渣、磨料、钻屑、锉屑和灰尘，这些颗粒在新设备或者新备件的时候最容易产生。还包括在打开机器设备进行例行维修和预防性维护时产生的维修碎片。

2、外部侵入

外部颗粒侵入是颗粒在正常操作条件下（从外到内）进入机器和润滑剂。这些主要是工艺颗粒（纸浆、煤粉、矿尘、水泥、粘土、化学品等）、大气污染物（机器附近的环境）或来自内燃机的燃烧碎片（烟灰、受污染的燃料等）。

3、内部产生

内部颗粒产生是机器设备自己制造的粒子。可能通过腐蚀、机械磨损、剥落等在摩擦表面上发生。另外润滑油还具有分解和形成颗粒（油泥、氧化物、碳化等）的能力。另外设备一些组件的降解，如油漆涂层，塑料软管等。

4、颗粒的再次释放

系统逃逸主要是指已经被过滤器捕获的颗粒因为过滤压差，或者流量的突变被再次溃散释放出来。

二、颗粒污染引起轴承失效

在弹性流体动压 (EHD) 润滑状态下，由于非共形接触处的挤压效应，污染物颗粒难以进入接触面。

然而，润滑压力增加会增加润滑剂的粘度，这是润滑剂的压粘效应。在典型的滚动轴承接触中，当压力升高 300 MPa时，粘度会增加一千倍。这个压力对于赫兹接触是完全可能达到的。更高的粘度使润滑剂具有了更大的捕获和保持接触区中污染物颗粒的能力。

为了确保滚动轴承赫兹接触区内形成 EHD 润滑油膜，油膜厚度必须约为接触部件的组合表面粗糙度的三倍，以避免粗糙造成的混合和边界润滑。

滚动轴承采用精细研磨和表面抛光制造，因此 EHD 油膜厚度很容易满足粗糙度的要求。但如果是额外的颗粒进入轴承，即使是很小的颗粒，也有可能远大于EHD油膜的厚度，那么就会破坏EHD油膜，造成碎屑压痕，颗粒磨损和表面疲劳。

图1：滚动轴承碎屑压痕

图2：滚动轴承颗粒磨损

图3：滚动轴承由于微小颗粒导致的典型凹痕（比例为 15 μm）

图 3 是看上去比较光滑的轴承表面显微照片，表面上虽有运行磨损的痕迹，但没有划伤磨损的迹象。然而，由于存在于EHD 薄膜中的污染物，表面已产生许多缺陷。A，B ， C 是分散的污染物压痕。D，E ， F 是在凹痕处开始的微剥落。它们是疲劳剥落点，轴承的损害将会从这里起始发展。

三、颗粒污染引起轴承润滑失效

上面在提轴承失效的时候，并未考虑润滑剂退化对轴承的影响，我们都知道润滑剂的性能对轴承的寿命有着至关重要的作用，颗粒的直接影响主要是在油膜强度上直接造成磨损从而引发疲劳，但是颗粒间接的对润滑剂性能的削弱我们也必须同等考虑。

1、添加剂氧化

金属和水的存在会显著加速润滑剂氧化。金属充当催化剂，为氧化反应提供有利的途径。在大多数情况下，金属表面直接参与添加的氧化。尤其是细小的金属碎屑更是理想的促氧化剂催化剂，因为它们具有大的有效表面积。上表是为确定金属催化剂和水对润滑油氧化的影响而进行的测试的数据。根据 ASTM D943 氧化测试程序。最后一列的润滑油酸值显示氧化的程度。

结果表明，与基准相比（测试1），铁/水的氧化程度在 400 小时增加了大约 48 倍，铜/水的氧化程度在100 小时内增大了65 倍。

2、添加剂消耗

添加剂（如缓蚀剂、抗磨剂和极压剂）作用的首要步骤是它们吸附在金属部件表面上以形成保护层。颗粒污染物的存在，尤其是金属碎片，为吸附提供了一个替代的、有效的表面，并导致添加剂过早耗尽。

3、润滑剂化学反应

颗粒污染物和水会促进涉及基础油和添加剂的化学反应，从而产生腐蚀性酸、漆膜和油泥。这些化学反应副产物对流体的粘度和其他特性产生不利影响。