滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术的现状及发展

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1、杭州轴承试验研究中心有限公司李兴林殷建军 瓦房店轴承集团有限公司 谢盈忠 宁波摩士轴承研究院刘和义张玉环 重庆长江轴承工业有限公司赵兴新 中国石化润滑油公司天津分公司昊宝杰 杭州诚信汽车轴承有限公司 陈炳顺 动轴承 疲劳寿命及可靠性强化试验技术 现状及发展 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

2、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 。 应力 、 应力循环次数和受应力 体积 的关系 生 万。 、二产 轴承寿命理论的现状及 发展 早在年 , 提出滚 动轴承的疲劳寿命服从某一概率分 布 , 这就是后来

3、以其名字命名的 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 , 给 出了生存概率与表面下最大剪切 瑞典科学家经过数 十年的数据积 累 , 于年和 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 姜 一 二 洲以 用 加二理界部俘 言 “ 言 一 式中 万 轴承使用

4、寿命 。 最大动态剪切应力振 幅 。 最大动态剪切应力所 在的深度 认 、 待定指数 , 由轴 承试验数据确定 一 受应力体积 一应力循环次数 , 以百 万次计 经过推导和大量轴承试验数据 分析 , 获得 一 额定 寿命计算公式 触疲劳的影响 。 世纪年代 , 和在引进了材 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 一 模型 , 该模型比 一 模型考虑 的更加细致和接近实际情况 。 但 认为该模型高估了轴 承的寿命 。 提出的基 于模型基础上的修正模型 、 和 。 提出的用疲 劳裂纹产生的时间来表示轴承寿命 的 一 模型 、 提出的模 型 、 和提出的丫 模型都从

5、不同的角度提出了对寿命 的预测方法 。 世纪年代 , 瑞典轴承 公司的研究人员在 一 理论的基础 上得出了通用的轴承寿命计算模 型 , 而 一 模型仅是该理论模型的 一种特殊情况 。 该新寿命理论数学 模型在年联合润 滑会议上发表 。 该理论可用下式表 不 局部应力 , 更加符合疲劳强度的设 计思路 , 按照该理论 , 计算额定寿 命简化式可表示为 乙。 。 一号 式中乌 。 基本额定寿命 , 百万转 基本额定动载荷 , 尸 当量动载荷 , 寿命指数 , 球轴承取 , 滚子轴承取 该公式年已邮列为推 荐标准 , 并于年修正为正式的 国际标准 一 。 一 模型能很好地解释滚动轴 承失效机理和预测

6、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 。 世纪年代初 , 和 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 一 模型难以解 释的问题 , 例如表面粗糙度 、 弹流 油膜厚度 、 切向摩擦牵引力以及 润滑介质存在污染物等情况对接 一 。笠落 桌 与 式中 。 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 玖 受应力体积区域 一 为应力所

7、在的平均深 度 一 应力循环次数 , 以百万 次计 轴承使用概率 常数 “ 、 “ 、 一 一待定指数 , 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 其中 刁 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 刀 。、 轴承疲劳极 限载荷尸 、 当量动载荷尸和粘度系 数尤之间的函数关系给出 。 。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 内部使用 。 在国际标准中也 给出了修订的额定寿命计算式 。 、 。 该修订公式中的修正系数 “ 考虑到材料 、 润滑

8、、 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 , 三参数分布和修 正的 一 疲劳损伤累积 法将是滚动轴承应用中函待研究的 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 。 韧 一一 编 轴承寿命快速试验机的 现状及发展 世纪早期 , 我国轴承行业 一直沿用前苏联的型轴承寿命 试验机进行轴承寿命试验 , 这种试 验机的性能

9、已明显落后于试验发展 和饭,代琢韶件 二冲刹娜 么 冲冲以心口 需要 。 从美国弓进的 “ 新型 滚动轴承疲劳寿命试验机除了价格 一 昂影卜 还采用气动高压动力源和 一 的电频率 , 不太适合中国的国 情 。 因此在世纪的年代 , 在吸 一 取国外先进试验机的基础上 , 杭州 一 轴承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 一 机“” 一 “及其改进的“ 系列 一 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 。 一 型和 ” 型滚动 轴承疲劳寿命试验机主要性能 参数 型滚动轴承疲劳寿命试验 机的主要性能参数见表 , 型和 “ 型滚

10、动轴承疲劳寿命试验 机的性能比较见表 。 一 型 滚动轴承疲劳寿命强化试验机 主要性能参数 与型和 “ 型滚动轴 承疲劳寿命试验机相比 , 一 型试验机主要作了 如下改进 在 产 型试验机的 基础上 , 设计一套在径向和轴向都 装有薄膜油缸的试验头座组合件 , 加载油缸传递推力时有调整件和补 偿件 , 保证了精度 。 设置手动辅助 返回动作机构 , 以利试验头的顺利 装拆等 。 传动轴由两套深沟球轴 承悬臂支撑 , 传动轴一端固定 , 一 端游动 , 用弹簧消隙 , 电动机座部 件支撑倒悬 , 结构紧凑 , 增加减振 措施 , 增强了稳定性 。 加载系统采用薄膜式液 压缸 , 占用空间小 、

11、成本低 , 同时 液压缸进出油口安装电磁换向阀 , 便于自动控制 。 温度记录装置和振动信号 处理装置等附属装置挂于机架上 。 该型号试验机的主要性能参 数如表 所示 。 系列滚动轴承疲劳 寿命强化试验机主要性能参数 在消化吸收和改进各种轴承寿 命试验机的基础上 , 我国自行设计 研制的叮 系列滚动轴承疲劳寿 命强化试验机 , 具有完全自主知识 产权的新型轴承寿命试验技术和方 法 , 通过个性化设计 , 能满足大多 数滚动轴承疲劳寿命强化试验的需 要 。 其主要性能参数如表 所示 。 表,型滚动轴承疲劳寿命试验机的主要性能参数 试试验机型号号一 一资刃刃 一 试试验轴承了内径径 巧一 一 印

12、一 外外外径径 一一一 活活塞面积儿 , , 径向向 轴轴轴向向 巧巧 工工作温度 加一 , 不得超过 试试验轴承转速加而 一 , , 一 犯犯刃一洲 一 每每套试验轴承最大载荷荷径向向 , 轴轴轴向向 润润滑方式式循环润滑滑 驱驱动电动机机功率瓜 转转转速而 一, , 表型和 型滚动轴承疲劳寿命试验机的性能比较 五五 赢巡鳄 是是 型型 介 型型 牛牛牛牛牛 试试验头头单个试验头 , 单机尺寸小小两套试验头 , 开启式 式 试试验轴承装拆拆封闭式 , 不便装拆拆采用开启式 , 观察方便 , 便于装拆拆 加加载性能能手动带温度补偿和蓄能油缸缸珐码和减压阀 , 连续补偿 , 精度高但占用空间大且

13、成本高高 润润滑性能能封闭式强制循环润滑 , 油温不可控 , , 浇灌式润滑 , 油路通畅 , 油温可控 , 提高了精度度 二滓剃娜 冲神袱用心决刃心口用 和优 理代界即件 表 一 型滚动轴承疲劳寿命强化试验机的主要性能参数 试试验机型号号 一 试试验轴承加内径径 一 外外外径径 一 活活塞面积 , , 径向向 轴轴轴向向 工工作温度 通常 一 , 不得超过 ,亦可加热至 或冷却控制 制 每每次试验轴承套数数 套或套套 试试验轴承转速 而 一, , 旧一 试试验轴承最大载荷压径向向 轴轴轴向向 加加载方式式自动稳压加载祛码 一液压阀 液液压放大倍数数径向向 轴轴轴向向 检检测方式式试验轴承外圈

14、温度自动显示 、 报警 、 停机机 疲疲疲劳剥落 自动报警 、 停机机 试试试验时间自动累计显示示 试试试验结果单片机自动打印印 润润滑方式式循环润滑滑 驱驱动电动机 功率瓜 转转转速而 一 表系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数 盘盘望缪缪 门】丁 球球球轴承和滚子轴承承球轴承承球轴承和滚子轴承承 尤其是汽车轮毅轴承 试试验轴承内径 叻 一 功叻 一 叻叻 一 功功 一功 试试验轴承数量 套套 试试验轴承转速速 一 刃 一 洲 一 洲 叉 一 洲】 而 一 可调可调可调可调 最最大径向载荷瓜 最最大轴向载荷 电电电主轴电动机机 源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源

15、源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源源 油油油泵电动机机 功功功率消耗约约约约 环环境温度 总总质量瓜约约 创卫 约约 整整机尺寸 洲砚洲洲 口们 世纪年代以前 , 我国的轴承行业一直沿用前苏联的型试验机和试验规范进行轴承的寿命试验 , 该试验技 术试验精度低 、 加载系统不稳定 、 没有自动控制系统 , 远远不能满足大量试验工作的需要 。 寿命强化试验机 试验技术一定程度地采用了自动化控制技术 , 具有操作方便 、 精度大大提高 、 使用可靠 、 减少了劳动强度 。 系 列疲劳寿命强化试验机吸收了以前试验技术的优点 , 进一步加强和完善了自动化控制水平 。 目前这一轴承寿命强化 试验

16、系统技术已被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中 自 、 宁波摩士轴承研究院 、 重庆长江轴承工业有限公司 、 中 国石化润滑油公司天津分公司 、 杭州诚信汽车轴承有限公司等国内外众多用户广泛认可并应用 。 和仗班公即件 二滓和娜 汕 冲以用 以口 口用 在系列试验机的基础 上 , 进一步开发 , 寿命强化试验 机和进一步研究开发包括快速失效 诊断技术 、 快速失效分析技术 、 快 速失效处理技术等三大方面技术 , 将是我们轴承行业试验机研发的下 一个重要的课题 。 轴承快速寿命试验技术 现状及发展 由于影响轴承寿命的因素太 多 、 太复杂 , 而轴承疲劳寿命理论 仍需进一步完善 , 因此进行寿命试 验成为评定轴承寿命的主要手段 。 相对于 、 、 等国外公司 , 我 国轴承寿命试验起步较晚 , 对失效 机理等基础理论研究不足 , 目前尚 处于大量积累试验数据的阶段 。 但