滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、歡迎共閱滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展?jié)L動軸承是廣泛應(yīng)用的重要機械基礎(chǔ)件，其質(zhì)量的好壞直接影響到主機性能的優(yōu)劣，而軸承的壽命則是軸承質(zhì)量的綜合反映，在中國軸承行業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃中，重點要求開展提高滾動軸承壽命和可靠性工程技術(shù)攻關(guān)。低載荷、高轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)軸承壽命試驗方法周期長、費用高且試驗結(jié)果的可靠性差，而強化試驗則在保持接觸疲勞失效機理一致的前提下，大大地縮短試驗時間，降低了試驗成本，從而加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期和改進步伐，因此軸承壽命強化試驗受到越來越多的關(guān)注、研究和應(yīng)用。軸承快速壽命試驗包含了比軸承壽命強化試驗更為廣泛的內(nèi)涵，它不僅在壽命試驗方面，而且在壽命試驗的設(shè)計，壽命數(shù)

2、據(jù)的處理、分析，壽命的預測評估，軸承失效的快速診斷、分析、處理等系統(tǒng)技術(shù)方面具有更新更廣的內(nèi)容。軸承壽命理論的現(xiàn)狀及發(fā)展早在1939年，Weibull提出滾動軸承的疲勞壽命服從某一概率分布，這就是后來以其名字命名的Weibull分布，認為疲勞裂紋產(chǎn)生于滾動表面下最大剪切應(yīng)力處，擴展到表面，產(chǎn)生疲勞剝落，Weibull給出了生存概率S與表面下最大剪切應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和受應(yīng)力體積V的關(guān)系：(1)瑞典科學家Palmgren經(jīng)過數(shù)十年的數(shù)據(jù)積累，于1947年和Lundberg一起提出了滾動軸承的載荷容量理論，又經(jīng)過五年的試驗研究，該理論才得以完善。該理論認為接觸表面下平行于滾動方向的最大交變剪切應(yīng)力

3、決定著疲勞裂紋的發(fā)生，考慮到材料冶煉質(zhì)量對壽命的影響，同時指出：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越多、受力體積越大，則材料的疲勞破壞概率就越大，提出了統(tǒng)計處理接觸疲勞問題的指數(shù)方程：(2)式中S軸承使用壽命T0最大動態(tài)剪切應(yīng)力振幅Z0最大動態(tài)剪切應(yīng)力所在的深度c、e、h待定指數(shù)，由軸承試驗數(shù)據(jù)確定V受應(yīng)力體積N應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以萬次計經(jīng)過推導和大量軸承試驗數(shù)據(jù)分析，獲得Lundberg-Palmgren額定壽命計算公式：式中L10基本額定壽命，百萬轉(zhuǎn)Cr基本額定動載荷，NP當量動載荷，Ne壽命指數(shù)，球軸承取3,滾子軸承取10/3該公式1962年已由ISO列為推薦標準，并于1977年修正為正式的國際標準ISO281/

4、11977。L-P模型能很好地解釋滾動軸承失效機理和預測壽命，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是煉鋼技術(shù)的極大提高，使得軸承的實際壽命比計算壽命大很多，人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)軸承經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)后，也可以從表面產(chǎn)生裂紋，然后向深處擴展。20世紀70年代初，ChiuP和TallianTE提出了考慮表面的裂紋生成方式的接觸疲勞工程模型，該模型可以解釋一些L-P模型難以解釋的問題，例如表面粗糙度、彈流油膜厚度、切向摩擦牽引力以及潤滑介質(zhì)存在污染物等情況對接觸疲勞的影響。20世紀80年代，IoannidesE和HarrisTA在引進了材料疲勞極限應(yīng)力和考慮應(yīng)力體積內(nèi)各點應(yīng)力及其深度的情況下，給出了I-H模型，該模型

5、比L-P模型考慮的更加細致和接近實際情況。但ZaretskyEV認為該模型高估了軸承的壽命。ZaretskyEV提出的基于Weibull模型基礎(chǔ)上的修正模型、ChengWQ和ChengHS提出的用疲勞裂紋產(chǎn)生的時間來表示軸承壽命的C-C模型、TallianTE提出的T模型、歡迎共閱YuWK和HarrisTA提出的Y-H模型都從不同的角度提出了對壽命的預測方法。20世紀80年代，瑞典SKF軸承公司的研究人員在L-P理論的基礎(chǔ)上得出了通用的軸承壽命計算模型，而L-P模型僅是該理論模型的一種特殊情況。該新壽命理論數(shù)學模型在1984年ASME/ASCE聯(lián)合潤滑會議上發(fā)表。該理論可用下式表示：式中(7U

6、為材料疲勞極限應(yīng)力(T疲勞裂紋產(chǎn)生的誘發(fā)應(yīng)力，可為最大交變剪切應(yīng)力，最大靜態(tài)剪應(yīng)力，最大八面剪切應(yīng)力VR受應(yīng)力體積區(qū)域Z為應(yīng)力所在的平均深度N應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以百萬次計S(N)軸承使用概率A常數(shù)c、e、h待定指數(shù)，由軸承試驗數(shù)據(jù)確定該理論引入了局部應(yīng)力和材料疲勞極限的概念，計算的出發(fā)點是局部應(yīng)力，更加符合疲勞強度的設(shè)計思路，按照該理論，計算額定壽命簡化式可表示為：(5)其中aSKF為壽命調(diào)整系數(shù)，它包括了潤滑、污染、疲勞極限和軸承當量動載荷之間的復雜關(guān)系，它的值由污染系數(shù)“c、軸承疲勞極限載荷Pu、當量動載荷P和粘度系數(shù)K之間的函數(shù)關(guān)系給出。qc系數(shù)則考慮了潤滑劑的污染及其對軸承壽命的影響。目前

7、這一理論僅在SKF內(nèi)部使用。在國際標準ISO281:1990中也給出了修訂的額定壽命計算式：Lna=a1axyzL10(6)該修訂公式中的修正系數(shù)axyz考慮到材料、潤滑、環(huán)境、雜質(zhì)顆粒、套圈中內(nèi)應(yīng)力、安裝和軸承載荷等因素對軸承壽命的影響。目前該修正式已被我國正式引用并作為我國滾動軸承行業(yè)產(chǎn)品壽命的推薦性文件?？茖W準確地預測軸承疲勞壽命一直是機械工程學者關(guān)心又難以解決的難題，三參數(shù)Weibull分布和修正的Palmgren-Miner疲勞損傷累積法將是滾動軸承應(yīng)用中亟待研究的課題，同時建立關(guān)于軸承疲勞機理研究、失效因素分析、材料冶煉加工工藝、試驗數(shù)據(jù)分析等的數(shù)據(jù)庫也是任重道遠。軸承壽命快速試驗

8、機的現(xiàn)狀及發(fā)展20世紀早期，我國軸承行業(yè)一直沿用前蘇聯(lián)的ZS型軸承壽命試驗機進行軸承壽命試驗，這種試驗機的性能已明顯落后于試驗發(fā)展需要。從美國引進的F&M5新型滾動軸承疲勞壽命試驗機除了價格昂貴外，還采用氣動高壓動力源和60Hz的電頻率，不太適合中國的國情。因此在20世紀的90年代，在吸取國外先進試驗機的基礎(chǔ)上，杭州軸承試驗研究中心研制了新一代自動控制滾動軸承疲勞壽命強化試驗機B10-60R及其改進的ABLT系列滾動軸承疲勞壽命強化試驗機，大大地推進了中國軸承行業(yè)軸承壽命試驗系統(tǒng)技術(shù)的進步。1 .ZS型和F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗機主要性能參數(shù)ZS型滾動軸承疲勞壽命試驗機的

9、主要性能參數(shù)見表1ZS型和F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗機的性能比較見表2。2 .ABLT-1(B10-60R)型滾動軸承疲勞壽命強化試驗機主要性能參數(shù)與ZS型和F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗機相比，ABLT-1(B10-60R)型試驗機主要作了如下改進：(1)在F&M5型試驗機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套在徑向和軸向都裝有薄膜油缸的試驗頭座組合件，加載油缸傳遞推力時有調(diào)整件和補償件，保證了精度。設(shè)置手動輔助返回動作機構(gòu)，以利試驗頭的順利裝拆等。(2)傳動軸由兩套深溝球軸承懸臂支撐，傳動軸一端固定，一端游動，用彈簧消隙，電動機座部件支撐倒懸，結(jié)構(gòu)緊湊，增加減振措施，增強了穩(wěn)定性。

10、(3)加載系統(tǒng)采用薄膜式液壓缸，占用空間小、成本低，同時液壓缸進出油口安裝電磁換向閥，歡迎共閱便于自動控制。(4)溫度記錄裝置和振動信號處理裝置等附屬裝置掛于機架上。該型號試驗機的主要性能參數(shù)如表3所示。3 .ABLT系列滾動軸承疲勞壽命強化試驗機主要性能參數(shù)在消化吸收和改進各種軸承壽命試驗機的基礎(chǔ)上，我國自行設(shè)計研制的ABLT(AcceleratedBearingLifeTeste。系列滾動軸承疲勞壽命強化試驗機，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型軸承壽命試驗技術(shù)和方法，通過個性化設(shè)計，能滿足大多數(shù)滾動軸承疲勞壽命強化試驗的需要。其主要性能參數(shù)如表4所示。20世紀90年代以前，我國的軸承行業(yè)一直沿用

11、前蘇聯(lián)的ZS型試驗機和試驗規(guī)范進行軸承的壽命試驗，該試驗技術(shù)試驗精度低、加載系統(tǒng)不穩(wěn)定、沒有自動控制系統(tǒng)，遠遠不能滿足大量試驗工作的需要。ABLT-1壽命強化試驗機試驗技術(shù)一定程度地采用了自動化控制技術(shù)，具有操作方便、精度大大提高、使用可靠、減少了勞動強度。ABLT系列疲勞壽命強化試驗機吸收了以前試驗技術(shù)的優(yōu)點，進一步加強和完善了自動化控制水平。目前這一軸承壽命強化試驗系統(tǒng)技術(shù)已被瓦房店軸承集團有限公司檢測試驗中心、寧波摩士軸承研究院、重慶長江軸承工業(yè)有限公司、中國石化潤滑油公司天津分公司、杭州誠信汽車軸承有限公司等國內(nèi)外眾多用戶廣泛認可并應(yīng)用。在ABLT系列試驗機的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)A2BL

12、T+F2AST(AutomaticAcceleratedBearingLifeTester&FastFailureAnalysisSystemTechnology壽命強化試驗機和進一步研究開發(fā)包括快速失效診斷技術(shù)、快速失效分析技術(shù)、快速失效處理技術(shù)等三大方面技術(shù)，將是我們軸承行業(yè)試驗機研發(fā)的下一個重要的課題。軸承快速壽命試驗技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展由于影響軸承壽命的因素太多、太復雜，而軸承疲勞壽命理論仍需進一步完善，因此進行壽命試驗成為評定軸承壽命的主要手段。相對于SKF、INA/FAG、Timken/Torrington、NSK等國外公司，我國軸承壽命試驗起步較晚，對失效機理等基礎(chǔ)理論研究不足

13、，目前尚處于大量積累試驗數(shù)據(jù)的階段。但是經(jīng)過十幾年的努力和發(fā)展，我國的軸承壽命試驗技術(shù)已經(jīng)得到了較大的發(fā)展并有很大的發(fā)展前樂0早在20世紀40年代，美國就對產(chǎn)品的設(shè)計開始采用單因素環(huán)境模擬的研制試驗與鑒定試驗，用來檢驗設(shè)計的質(zhì)量和可靠性。20世紀70年代，則開始采用綜合環(huán)境模擬可靠性試驗、任務(wù)剖面試驗和驗收模擬試驗。在此后的很長時間內(nèi)這些試驗方法成為保障產(chǎn)品可靠性的主要手段。但由于環(huán)境模擬耦合作用的復雜性、高成本以及試驗結(jié)果的滯后性，使得該類模擬試驗技術(shù)喪失了一定的優(yōu)勢。與模擬試驗的思路相反，環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗則是用人為的施加環(huán)境應(yīng)力的方法，加速激出并消除產(chǎn)品潛在缺陷來達到提高可靠性的目的。從早

14、期的高溫、溫度循環(huán)、溫度沖擊等激發(fā)試驗的形式，發(fā)展為現(xiàn)在公認的高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機振動，試驗所施加的應(yīng)力不必模擬真實環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好。隨著該試驗技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有人試圖用標準的形式來加速這一技術(shù)的發(fā)展，但這種思路容易將試驗方法重新拉回到模擬試驗的軌道上去，況且不同的缺陷類型和不同失效機理必須使用不同的應(yīng)力篩選方案來進行，因此這種以標準試驗方法來規(guī)范試驗的方法是不可取的。目前軸承行業(yè)廣泛采用的可靠性強化試驗技術(shù)是依據(jù)故障物理學，把故障或失效當作研究的主要對象，通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障達到提高可靠性的目的。實踐證明，該方法效果顯著，并且與常規(guī)試驗技術(shù)具有等效性和可比性。前蘇聯(lián)、

15、瑞典的SKF、日本的NSK、NTN、英國的RHP(現(xiàn)為日本NSK-RHP)、奧地利的STEYR(現(xiàn)為SKF-STEYR)、美國的SKF和F&M公司均采用加大試驗載荷來達到快速試驗的目的。日本和歐美等國家的深溝球軸承強化試驗中所采用的試驗載荷已經(jīng)接近或超過額定載荷的一半，如表5所示。模擬試驗技術(shù)近年來得到廣泛的重視，但是模擬試驗成本較高、周期太長和模擬耦合的復雜性，使得模擬試驗呈積木式、模塊化方向發(fā)展。激發(fā)試驗技術(shù)雖然國外有一定的研究，但是國內(nèi)軸承行業(yè)目前還很少做過該類試驗，同時這種試驗方法目前都是在設(shè)計沒有缺陷的前提下，針對生產(chǎn)過程的缺陷，對于設(shè)計缺陷還不能很好的排除。試驗技術(shù)的智能化

16、和個性化將是軸承壽命試驗技術(shù)將來的發(fā)展方向，根據(jù)特定的試驗條件，設(shè)定轉(zhuǎn)速譜和載荷譜等以滿足試驗的要求，同時應(yīng)用人工智能和專家系統(tǒng)等知識庫技術(shù)來進行智能化處歡迎共閱理。2005年10月，第一作者曾赴歐洲考察三周，在德國慕尼黑技術(shù)大學等培訓學習汽車模擬試驗技術(shù)，并實地考察了INA/FAG軸承公司、KLUBER潤滑脂公司及其測試中心的模擬試驗現(xiàn)場情況，對此有了更深刻的感悟。軸承壽命試驗數(shù)據(jù)處理及發(fā)展由于軸承壽命非常離散，一批同結(jié)構(gòu)、同材料、同熱處理、同加工方法的軸承在相同的工況下，其最高壽命和最低壽命相差幾十倍甚至更多，因此對疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)需要用數(shù)理統(tǒng)計方法進行處理。近似服從滾動軸承疲勞壽命的理論

17、分布有韋布爾(W.Weibull)分布以及對數(shù)正態(tài)分布(壽命值取對數(shù)后符合正態(tài)分布)等，但由于韋布爾分布更加接近于壽命試驗結(jié)果，而且數(shù)據(jù)處理比較方便，所以目前論述軸承壽命的分布時，絕大多數(shù)用二參數(shù)的韋布爾分布，其分布函數(shù)為：式中F(L)在規(guī)定的試驗條彳下，軸承運轉(zhuǎn)到L小時而破壞的概率b韋布爾分布斜率，描述軸承壽命的離散性和穩(wěn)定性v韋布爾分布的特征壽命，即當F(L)=0.632時對應(yīng)的軸承壽命小時數(shù)L軸承出現(xiàn)疲勞破壞時運轉(zhuǎn)小時數(shù)。早期國內(nèi)主要依據(jù)JB/T7049-1993標準中提出的數(shù)據(jù)處理方法，利用最佳線性不變估計、最大似然估計法或Weibull圖法，估計出軸承壽命的韋布爾參數(shù)b和V,從而求出

18、試驗壽命和可靠性等參數(shù)。這種方法較為準確，適合于完全試驗、定數(shù)截尾試驗、分組淘汰等試驗的數(shù)據(jù)處理，但是使用該方法需要一定數(shù)量的試驗數(shù)據(jù)，否則不能準確地估計出真實的軸承壽命。JB/T7049-1993現(xiàn)修訂為JB/T50013-2000OJB/T50093-1997推薦了另外一種數(shù)據(jù)處理思路，即先假設(shè)韋布爾斜率，設(shè)置了質(zhì)量系數(shù)、檢驗水平、接受門限、拒絕門限等參數(shù)，從而減少了很多以前煩瑣的數(shù)據(jù)處理，較適用于定時截尾的試驗方法，可以減少試驗失效套數(shù)，減少試驗時間，節(jié)約試驗費用，但是使用范圍有一定的局限性，且與別的數(shù)據(jù)處理方法的處理結(jié)果有一定的差距。第一作者用JB/T50093-1997規(guī)定的方法、圖估計法、最佳線性無偏估計法、最佳線性不變估計法、最大似然估計法以及最小二乘法等六種方法對幾組試驗數(shù)據(jù)進行處