滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展.docx
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1、编号:时间:2021年x月x日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第7页 共7页滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展 2007.11.29 来源:现代零部件 作者:李兴林 关键词:轴承,机械零部件 滚动轴承是广泛应用的重要机械基础件,其质量的好坏直接影响到主机性能的优劣,而轴承的寿命则是轴承质量的综合反映,在中国轴承行业“十一五”发展规划中,重点要求开展提高滚动轴承寿命和可靠性工程技术攻关。 低载荷、高转速的传统轴承寿命试验方法周期长、费用高且试验结果的可靠性差,而强化试验则在保持接触疲劳失效机理一致的前提下,大大地缩短试验时间,降低了试验成本,从而加快了产品的开发周期和改进步伐,因
2、此轴承寿命强化试验受到越来越多的关注、研究和应用。轴承快速寿命试验包含了比轴承寿命强化试验更为广泛的内涵,它不仅在寿命试验方面,而且在寿命试验的设计,寿命数据的处理、分析,寿命的预测评估,轴承失效的快速诊断、分析、处理等系统技术方面具有更新更广的内容。 轴承寿命理论的现状及发展 早在1939年,Weibull提出滚动轴承的疲劳寿命服从某一概率分布,这就是后来以其名字命名的Weibull分布,认为疲劳裂纹产生于滚动表面下最大剪切应力处,扩展到表面,产生疲劳剥落,Weibull给出了生存概率S与表面下最大剪切应力、应力循环次数N和受应力体积V的关系:(1) 瑞典科学家Palmgren经过数十年的数
3、据积累,于1947年和Lundberg一起提出了滚动轴承的载荷容量理论,又经过五年的试验研究,该理论才得以完善。该理论认为接触表面下平行于滚动方向的最大交变剪切应力决定着疲劳裂纹的发生,考虑到材料冶炼质量对寿命的影响,同时指出:应力循环次数越多、受力体积越大,则材料的疲劳破坏概率就越大,提出了统计处理接触疲劳问题的指数方程:(2) 式中 S轴承使用寿命 0最大动态剪切应力振幅 z0最大动态剪切应力所在的深度 c、e、h待定指数,由轴承试验数据确定 V受应力体积 N应力循环次数,以万次计 经过推导和大量轴承试验数据分析,获得Lundberg-Palmgren额定寿命计算公式: (3) 式中 L1
4、0 基本额定寿命,百万转 Cr 基本额定动载荷,N P 当量动载荷,N 寿命指数,球轴承取 3,滚子轴承取10/3 该公式1962年已由ISO列为推荐标准,并于1977年修正为正式的国际标准ISO 281/11977。 L-P模型能很好地解释滚动轴承失效机理和预测寿命,但是随着技术的发展,特别是炼钢技术的极大提高,使得轴承的实际寿命比计算寿命大很多,人们经过研究发现轴承经过长时间的运转后,也可以从表面产生裂纹,然后向深处扩展。20世纪70年代初,Chiu P和Tallian T E提出了考虑表面的裂纹生成方式的接触疲劳工程模型,该模型可以解释一些L-P模型难以解释的问题,例如表面粗糙度、弹流油
5、膜厚度、切向摩擦牵引力以及润滑介质存在污染物等情况对接触疲劳的影响。20世纪80年代,Ioannides E和Harris T A在引进了材料疲劳极限应力和考虑应力体积内各点应力及其深度的情况下,给出了I-H模型,该模型比L-P模型考虑的更加细致和接近实际情况。但Zaretsky E V认为该模型高估了轴承的寿命。Zaretsky E V提出的基于Weibull模型基础上的修正模型、Cheng W Q和Cheng H S提出的用疲劳裂纹产生的时间来表示轴承寿命的C-C模型、Tallian T E提出的T模型、Yu W K和Harris T A提出的Y-H模型都从不同的角度提出了对寿命的预测方法
6、。 20世纪80年代,瑞典SKF轴承公司的研究人员在L-P理论的基础上得出了通用的轴承寿命计算模型,而L-P模型仅是该理论模型的一种特殊情况。该新寿命理论数学模型在1984年ASME/ASCE联合润滑会议上发表。该理论可用下式表示: (4) 式中 u为材料疲劳极限应力 疲劳裂纹产生的诱发应力,可为最大交变剪切应力,最大静态剪应力,最大八面剪切应力 VR受应力体积区域 Z为应力所在的平均深度 N应力循环次数,以百万次计 S(N)轴承使用概率 A常数 c、e、h待定指数,由轴承试验数据确定 该理论引入了局部应力和材料疲劳极限的概念,计算的出发点是局部应力,更加符合疲劳强度的设计思路,按照该理论,计
7、算额定寿命简化式可表示为:(5) 其中aSKF为寿命调整系数,它包括了润滑、污染、疲劳极限和轴承当量动载荷之间的复杂关系,它的值由污染系数c、轴承疲劳极限载荷Pu、当量动载荷P和粘度系数K之间的函数关系给出。c系数则考虑了润滑剂的污染及其对轴承寿命的影响。目前这一理论仅在SKF内部使用。 在国际标准ISO 281:1990中也给出了修订的额定寿命计算式: Lna=a1axyzL10 (6) 该修订公式中的修正系数axyz考虑到材料、润滑、环境、杂质颗粒、套圈中内应力、安装和轴承载荷等因素对轴承寿命的影响。目前该修正式已被我国正式引用并作为我国滚动轴承行业产品寿命的推荐性文件。 科学准确地预测轴
8、承疲劳寿命一直是机械工程学者关心又难以解决的难题,三参数Weibull分布和修正的Palmgren-Miner疲劳损伤累积法将是滚动轴承应用中亟待研究的课题,同时建立关于轴承疲劳机理研究、失效因素分析、材料冶炼加工工艺、试验数据分析等的数据库也是任重道远。 轴承寿命快速试验机的现状及发展 20世纪早期,我国轴承行业一直沿用前苏联的ZS型轴承寿命试验机进行轴承寿命试验,这种试验机的性能已明显落后于试验发展需要。从美国引进的F&M 5新型滚动轴承疲劳寿命试验机除了价格昂贵外,还采用气动高压动力源和60Hz的电频率,不太适合中国的国情。因此在20世纪的90年代,在吸取国外先进试验机的基础上,杭州轴承
9、试验研究中心研制了新一代自动控制滚动轴承疲劳寿命强化试验机B10-60R及其改进的ABLT系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机,大大地推进了中国轴承行业轴承寿命试验系统技术的进步。 1. ZS型和F&M 5型滚动轴承疲劳寿命试验机主要性能参数 ZS型滚动轴承疲劳寿命试验机的主要性能参数见表1 ZS型和F&M 5型滚动轴承疲劳寿命试验机的性能比较见表2。 2. ABLT-1(B10-60R)型滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数 与ZS型和F&M 5型滚动轴承疲劳寿命试验机相比,ABLT-1(B1060R)型试验机主要作了如下改进: (1)在 F&M 5型试验机的基础上,设计一套在径向和轴向都装有薄
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