引言

轴承作为机械传动系统的核心部件，其性能直接影响设备的运行效率、寿命和安全性。在各类机械工程考试、职业资格认证及企业内部培训中，轴承相关知识都是重点考核内容。本指南旨在为读者提供从基础理论到故障排查的系统性学习框架，结合实际案例和常见问题，帮助考生和工程师全面掌握轴承知识，从容应对各类考试和实际工作挑战。

第一部分：轴承基础理论

1.1 轴承的定义与分类

轴承是用于支撑旋转轴或往复运动部件的机械元件，主要功能是减少摩擦、传递载荷并保证运动精度。根据运动形式和受力方向，轴承可分为以下几类：

滚动轴承：通过滚动体（球、滚子等）传递载荷，摩擦系数小，效率高。常见类型包括：

  • 深沟球轴承：主要承受径向载荷，也可承受一定轴向载荷。例如，6204轴承（内径20mm，外径47mm，宽度12mm）广泛应用于电机、风机等通用机械。
  • 圆锥滚子轴承：能同时承受径向和轴向载荷，常用于汽车轮毂、机床主轴。例如，30205轴承（内径25mm，外径52mm，宽度16mm）。
  • 调心滚子轴承：具有自动调心功能，适用于轴易弯曲或安装误差大的场合。例如，22208轴承（内径40mm，外径80mm，宽度23mm）。

滑动轴承：通过油膜或固体润滑剂减少摩擦，适用于高速、重载或需要高刚度的场合。例如，汽轮机主轴常采用滑动轴承。

特殊轴承：如直线轴承、关节轴承、磁悬浮轴承等，用于特定工况。

1.2 轴承的结构与材料

典型滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成：

  • 内圈：与轴配合，通常过盈配合。
  • 外圈：与轴承座配合。
  • 滚动体：承载核心，材料多为高碳铬轴承钢（如GCr15），热处理后硬度达HRC58-62。
  • 保持架：引导滚动体均匀分布，材料有钢、黄铜、工程塑料等。

材料选择：根据工况，轴承材料需具备高硬度、耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性。例如，高温工况（>200℃）可选用高温轴承钢（如M50）或陶瓷材料（如Si3N4）。

1.3 轴承的选型与计算

选型需综合考虑载荷、转速、精度、润滑和安装条件。关键计算包括：

额定动载荷C：轴承在额定寿命100万转时能承受的载荷。计算公式： [ P = X \cdot F_r + Y \cdot F_a ] 其中，(P)为当量动载荷，(F_r)为径向载荷，(F_a)为轴向载荷，(X)、(Y)为系数（查轴承手册）。

额定寿命L10：90%轴承达到或超过的寿命（单位：百万转）： [ L_{10} = \left( \frac{C}{P} \right)^p ] 对于球轴承，(p=3)；对于滚子轴承，(p=10⁄3)。

实例：某电机轴承受径向载荷(F_r=5000N)，轴向载荷(Fa=1000N)，选用6205轴承（C=14000N）。查表得(X=0.56)，(Y=1.5)，则： [ P = 0.56 \times 5000 + 1.5 \times 1000 = 2800 + 1500 = 4300N ] [ L{10} = \left( \frac{14000}{4300} \right)^3 \approx 28.5 \text{百万转} ] 若电机转速1500rpm，则寿命约为： [ \frac{28.5 \times 10^6}{1500 \times 60} \approx 3167 \text{小时} ]

1.4 润滑与密封

润滑：减少摩擦、散热、防锈。润滑剂选择：

  • 油脂润滑：适用于中低速、温度<120℃的场合。常用锂基脂（如2号锂基脂）。
  • 油润滑：适用于高速、高温或重载。常用ISO VG46矿物油。

密封：防止污染物进入和润滑剂泄漏。常见密封类型：

  • 接触式密封：如橡胶密封圈（RS），适用于低速。
  • 非接触式密封：如迷宫密封，适用于高速。

实例：某风机轴承（转速3000rpm，温度80℃）选用6208轴承，采用脂润滑（2号锂基脂）和迷宫密封，确保长期可靠运行。

第二部分：轴承安装与维护

2.1 安装方法

冷装：适用于小尺寸轴承，使用压力机或套筒均匀压入。严禁直接敲击轴承。

热装：适用于过盈配合大的轴承。将轴承加热至80-120℃（油浴或感应加热），然后快速装入轴。例如，安装30212轴承（内径60mm）时，加热至100℃，内圈膨胀约0.05mm，便于安装。

安装工具：使用专用工具（如液压螺母、感应加热器）避免损伤轴承。

2.2 配合与游隙

配合：内圈与轴通常采用过盈配合（如k6），外圈与轴承座采用过渡配合（如H7）。过盈量需根据载荷和转速计算，避免过紧导致内圈破裂或过松导致蠕动。

游隙：轴承内部间隙，影响运行精度和寿命。游隙分为径向游隙和轴向游隙。安装后需调整游隙，例如圆锥滚子轴承通过调整隔圈厚度控制游隙。

实例：某机床主轴安装30210轴承，内圈与轴采用k6配合（过盈0.015-0.030mm），外圈与轴承座采用H7配合（间隙0-0.025mm），通过调整隔圈使径向游隙为0.01-0.02mm。

2.3 日常维护

定期检查：包括振动、温度、噪音和润滑状态。使用振动分析仪（如SKF振动分析仪）检测轴承状态。

润滑管理：定期补充或更换润滑剂。脂润滑轴承每6-12个月补充一次，油润滑轴承每3-6个月换油。

清洁与防锈：保持轴承清洁，避免水分和灰尘侵入。存储时涂防锈油。

第三部分：故障排查与诊断

3.1 常见故障模式

疲劳剥落：滚动体或滚道表面出现点蚀或剥落，原因包括过载、润滑不良或安装不当。例如，某风机轴承因润滑脂干涸导致滚道剥落。

磨损：由于污染物或润滑不足引起。例如，矿山机械轴承因粉尘侵入导致磨损。

塑性变形：过载或冲击载荷导致永久变形。例如，破碎机轴承因瞬间冲击载荷产生压痕。

腐蚀：水分或化学介质侵蚀。例如，化工泵轴承因介质泄漏导致锈蚀。

保持架损坏：高速或振动下保持架断裂。例如，电机轴承因不平衡振动导致保持架断裂。

3.2 诊断方法

振动分析：通过频谱分析识别故障特征频率。轴承故障频率公式：

  • 外圈故障频率：(f_o = \frac{n}{2} \cdot (1 - \frac{d}{D} \cos \alpha))
  • 内圈故障频率：(f_i = \frac{n}{2} \cdot (1 + \frac{d}{D} \cos \alpha))
  • 滚动体故障频率：(f_b = \frac{n}{2} \cdot \frac{D}{d} \cdot (1 - (\frac{d}{D} \cos \alpha)^2)) 其中，(n)为转速（rpm），(d)为滚动体直径，(D)为节径，(\alpha)为接触角。

实例：某轴承（d=10mm，D=50mm，α=15°，n=1800rpm）的外圈故障频率： [ f_o = \frac{1800}{2} \cdot (1 - \frac{10}{50} \cos 15°) \approx 900 \cdot (1 - 0.2 \times 0.9659) \approx 900 \cdot 0.8068 \approx 726 \text{Hz} ] 若振动频谱在726Hz处出现峰值，表明外圈故障。

温度监测：正常轴承温度应低于80℃（脂润滑）或100℃（油润滑）。温度异常升高可能表明润滑不良或过载。

噪音检测：使用听诊器或声学传感器识别异常噪音。例如，连续的“咔嗒”声可能表示滚动体剥落。

3.3 故障排查流程

  1. 初步检查：观察外观、检查润滑、测量温度。
  2. 振动分析：采集频谱数据，识别故障频率。
  3. 拆解检查：拆卸轴承，检查磨损、剥落、腐蚀等。
  4. 根本原因分析：结合工况，分析故障原因（如过载、安装错误、润滑失效）。
  5. 纠正措施：更换轴承、改进润滑、调整安装或修改设计。

实例：某水泵轴承故障排查：

  • 初步检查：温度75℃，振动值超标（ISO 10816标准）。
  • 振动分析：频谱显示1200Hz峰值，对应内圈故障频率。
  • 拆解检查：内圈滚道严重剥落，保持架断裂。
  • 根本原因：轴弯曲导致不对中，引起额外载荷。
  • 纠正措施：更换轴承，校正轴，采用调心滚子轴承（如22208）提高容错性。

第四部分：常见问题与应对策略

4.1 考试常见问题

问题1：如何选择轴承类型？ 答案：根据载荷方向（径向/轴向）、转速、精度要求和安装空间选择。例如，高速轻载选深沟球轴承，重载冲击选圆锥滚子轴承。

问题2：计算额定寿命时，如何确定当量动载荷？ 答案：查轴承手册得系数X、Y，代入公式(P = X \cdot F_r + Y \cdot F_a)。注意区分球轴承和滚子轴承的指数p。

问题3：安装轴承时，如何避免损伤？ 答案：使用专用工具，避免直接敲击；热装时控制温度（<120℃）；确保配合面清洁。

4.2 实际工作常见问题

问题1：轴承运行中温度过高怎么办？ 应对策略：

  1. 检查润滑：补充或更换润滑剂，确保油位正常。
  2. 检查负载：是否超载或不对中。
  3. 检查冷却：改善通风或增加冷却系统。
  4. 检查轴承状态：如有剥落或磨损，立即更换。

问题2：轴承振动异常如何处理？ 应对策略：

  1. 采集振动数据，分析频谱。
  2. 检查安装：轴和轴承座是否对中，配合是否合适。
  3. 检查平衡：转子是否平衡。
  4. 检查轴承本身：如有故障，更换轴承。

问题3：润滑脂泄漏怎么办？ 应对策略：

  1. 检查密封：更换损坏的密封圈。
  2. 检查润滑脂类型：是否适合工况（如高温下选用高温脂）。
  3. 检查填充量：过多或过少都会导致泄漏，通常填充轴承空间1/3-1/2。
  4. 检查安装：轴承座是否密封良好。

4.3 案例分析

案例1：某风机轴承频繁故障

  • 现象：每3个月更换一次轴承，振动值超标。
  • 分析：振动频谱显示外圈故障频率，但外圈无剥落。进一步检查发现轴弯曲0.1mm，导致不对中。
  • 解决方案：校正轴，采用调心球轴承（如1205），并加强润滑（每2个月补充一次脂）。
  • 结果：轴承寿命延长至12个月以上。

案例2：某机床主轴轴承精度下降

  • 现象：加工零件圆度误差增大。
  • 分析：检查轴承游隙，发现径向游隙过大（0.05mm），超出设计值（0.01-0.02mm）。
  • 解决方案：重新调整隔圈，使游隙恢复至0.015mm。
  • 结果：加工精度恢复，振动值降低。

第五部分：进阶知识与最新技术

5.1 智能轴承与状态监测

现代轴承集成传感器（如温度、振动传感器），实现在线监测。例如，SKF的智能轴承可实时传输数据，通过云平台分析，预测故障。

实例：某风电场使用智能轴承监测系统，提前3个月预警齿轮箱轴承故障，避免重大损失。

5.2 新材料与新工艺

陶瓷轴承：Si3N4陶瓷球轴承，耐高温（>300℃）、耐腐蚀、绝缘，适用于高速主轴和化工设备。

表面改性技术：如DLC（类金刚石）涂层，提高耐磨性和抗腐蚀性。

5.3 行业标准与规范

  • ISO 281：滚动轴承寿命计算标准。
  • ISO 10816：机械振动评估标准。
  • GB/T 307：中国滚动轴承标准。

结语

轴承知识体系庞大，但通过系统学习基础理论、掌握安装维护技巧、熟悉故障排查方法，并结合实际案例，可以有效应对考试和工作中的挑战。持续关注新技术和行业标准，将帮助您在机械工程领域保持竞争力。希望本指南能为您的学习和工作提供有力支持。