滾動軸承是旋轉機械中不可或缺的關鍵組件，在技術持續精進下，其設計與製造能力已達到成熟的水準。儘管如此，避免軸承故障仍然是一項重要的技術挑戰，特別是潤滑不良問題，引發運轉中機械產生異常，進而影響性能與壽命。為了確保軸承的可靠度，可經由基本額定壽命等方面進行評估，滿足其在各種應用條件下能達到預期的運轉時間。此外，頻譜分析作為一種預警機制，可以在軸承故障惡化之前，協助使用者早期辨識和解決潛在的問題。這不僅降低了設備故障的可能性，也為確保生產流程的高效運作和穩定性提供保障。
前言
滾動軸承的故障與失效
現代工業化軸承發展已超過一百年以上歷史，其設計和製造技術已經非常的成熟，但在使用上仍然會遭遇各種異常的情況，稱為軸承的故障或失效。軸承故障是指軸承仍可維持支承與轉動的功能，但發生例如異音、振動過高及溫升過高等現象。失效是指軸承已發生疲勞破壞(Fatigue)，無法提供支撐與轉動的功能，亦稱為軸承壽命終了。當軸承發生故障時，若不進行適當處置，亦會導致軸承過早失效。導致軸承過早失效因素包括：
(1) 安裝不當：未意識到需要正確的安裝工具所引起的，例如以鐵鎚敲擊軸承。要進行正確和有效的安裝與拆卸，不同的安裝需要使用機械、液壓或加熱方法，避免發生衝擊負荷導致故障。
(2) 污染：當沙塵、鐵屑或其他外部雜質進入軸承時，它們會在滾動體和溝道面之間造磨損(Wear)。這些外部污染物經常是由於密封不良或在維修過程中的污染所導致。
(3) 電蝕：這通常發生在大型電機或其他帶有電驅動的設備中，如果沒有適當的接地或隔離措施。軸承可能會受到電流的通過，導致微小的焊接和熔化。
(4) 熱膨脹：當機械設備發熱時，材料會發生膨脹。如果軸承的溫度上升太高，可能會導致內部間隙減少，進而增加磨損。
(5) 振動和不平衡：設備的不正確對齊或不平衡可能會導致軸承受到過高的振動，會加速磨損。
(6) 腐蝕：在某些惡劣的環境中，如高濕度或化學氣氛，軸承可能會受到腐蝕。這會降低材料的強度並進而導致提早失效。
以上是軸承常見的故障類別，當軸承發生磨損時進而導致潤滑不良的現象發生時，會導致高達90%軸承因故障而提早失效。筆者在從事軸承推廣工作這十多年來，經常面對客戶以下的問題：
”軸承廠有提供選型計算報告，確保使用壽命無虞，但為仍發生提早失效?”
“軸承發生異音故障退回給軸承廠調查，報告卻顯示軸承正常，那問題在哪?”
其實只要對軸承有正確的認知，就能降低軸承發生故障及提早失效的風險，經由(1)使用前選用：軸承的理論壽命評估、(2)使用中監控：使用頻譜分析進行診斷、(3)事後故障調查：經由經驗學習(Lessons Learned)持續迭代與提升，避免再發，確保軸承的使用壽命。
軸承的理論壽命評估
基本額定壽命與基本動額定負荷
當軸承安裝正確，運轉過程中潤滑良好(彈液動壓潤滑)，負荷往復循環，最終達到材料的疲勞極限導致軸承最終損壞，稱之為疲勞壽命。當軸承達到壽命終了時，內部滾動面一小部分像魚鱗一樣脫落下來，這種現象稱為疲勞剝離(Flaking)，如圖1所示。
軸承的壽命與負荷及轉速有關，是可經由基本額定壽命(Basic Rating Life)公式進行評估。基本額定壽命是指一批相同的軸承以同一條件進行運轉時，其中10％的軸承(信賴度為90％)會發生疲勞剝離的總迴轉數。若以固定轉速運轉時，則以總運轉小時表示。那要如何計算軸承理論壽命呢？首先提到基本動額定負荷(Basic Dynamic Load Rating)。基本動額定負荷定義為當軸承運轉達到1,000,000轉時所能承受的最大負荷，之間關係如式(1)所示：
(1)
其中：
L10h為基本額定壽命(小時)
n為軸承轉速(rpm)
C為基本動額定負荷(N)
P為等效負荷(N)
從式(1)中了解基本動額定負荷是影響壽命之主要關鍵，與軸承內部之滾動體尺寸及滾動體數量呈現正相關。若在相同的負荷條件下，動額定負荷越大之軸承，其運轉使用時間就越長；或是在相同的轉速下，動額定負荷越大之軸承，就能承受更大的外在負荷。但仍需考量其它需求，例如轉速及機構空間等限制。
在一般工作條件應用中，使用者可以透過查詢各軸承品牌型錄找出對應規格之基本動額定負荷(C值)，並將等效負荷以及轉速等條件帶入公式(1)計算，即可得到軸承的壽命。若對於計算結果有疑慮或是不熟悉評估方式，亦可以由專業團隊協助並提供計算報告，或是以計算分析軟體進行分析(如圖2所示)，確保使用上需求。
軸承運轉間隙對壽命的影響
影響軸承實際使用壽命因素眾多，運轉間隙是主要關鍵之一。軸承內部初始的狀態為正間隙，在經過干涉組配以及運轉過程中機件發熱，其間隙會逐漸縮小並達到熱平衡狀態，軸承最佳運轉間隙為微負間隙到0間隙之間，在此區間軸承壽命甚至會超過基本額定壽命達10%(如圖3所示)。過小的運轉間隙會導致軸承無法維持良好的潤滑狀態，導致軸承發生故障進而早期失效。軸承依據工作條件可提供C2、CM、CN、C3、C4等間隙規格，例如馬達廠基於對振動及噪音要求，軸承規格上設立了一個”CM”間隙等級，主要原因是CM等級比CN軸承間隙範圍更為嚴格，在組配後的餘隙會接近0，達到馬達低振動與低噪音目標。
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