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1、滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展来源:现代零部件 作者:李兴林 关键词:轴承,机械零部件李兴林：新江大学工学博 土，上海交通大学工学博士后， 现任中国轴承工业协会技术委员 会副主任抚M轴承试验研究中 心有限公司企业博士后科研工作 站项目主任I教援级高级工程 帀.浙江大学博士后麻系教授， 河南科技大学兼职教授等。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
2、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，W
3、eibull给出了生存概率S与表面下最大剪切应力t、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T 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
4、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-Palmgre n额定寿命计算公式：(3)式中 L10基本额定寿命，百万转Cr基本额定动载荷，NP 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 281/1 1977。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 Talli
5、anTE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
6、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。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：式中 ou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
7、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nc、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nc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
8、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&M5新型滚动轴承疲劳寿 命试验机除了价格昂贵
9、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1ZS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
10、比，ABLT-1 (B10-60R)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。(2) 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。(3) 加载系统采用薄膜式液压缸，占用空间小、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。(4) 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3所示。3
11、. ABLT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 ABLT (Accelerated Bearing Life Tester)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4所示。20世纪90年代以前，我国的轴承行业一直沿用前苏联的ZS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。ABLT-1寿命强化试验机试验技术一定程度地采用
12、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。ABLT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 寿命强化试验系统技术已被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、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。在 ABLT 系列试验机的基础上，进一步开发 A2BLT+F2AST（Automatic Accelerated Bearing Life Tes ter & Fas t Failure Analysis Sys tem T
13、echnology） 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SKF、INA/FAG、Timken/Torrington、NSK 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。但是经过十几年的努力和发展，我国的轴承寿命试验技术已经得到 了较大的发展并有很大的发展前景。早在20世
14、纪40年代，美国就对产品的设计开始采用单因素环境模拟的研制试验与鉴定试验， 用来检验设计的质量和可靠性。20世纪70年代，则开始采用综合环境模拟可靠性试验、任 务剖面试验和验收模拟试验。在此后的很长时间内这些试验方法成为保障产品可靠性的主要 手段。但由于环境模拟耦合作用的复杂性、高成本以及试验结果的滞后性，使得该类模拟试 验技术丧失了一定的优势。与模拟试验的思路相反，环境应力激发试验则是用人为的施加环境应力的方法，加速激 出并清除产品潜在缺陷来达到提高可靠性的目的。从早期的高温、温度循环、温度冲击等激 发试验的形式，发展为现在公认的高温变率的温度循环和宽带随机振动，试验所施加的应力 不必模拟真
15、实环境，只要激发的效率越高越好。随着该试验技术的蓬勃发展，有人试图用标 准的形式来加速这一技术的发展，但这种思路容易将试验方法重新拉回到模拟试验的轨道上 去，况且不同的缺陷类型和不同失效机理必须使用不同的应力筛选方案来进行，因此这种以 标准试验方法来规范试验的方法是不可取的。目前轴承行业广泛采用的可靠性强化试验技术是依据故障物理学，把故障或失效当作研 究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。实践证明，该方法效果 显着，并且与常规试验技术具有等效性和可比性。前苏联、瑞典的SKF、日本的NSK、NTN、 英国的RHP（现为日本NSK-RHP）、奥地利的STEYR（现为SKF-S
16、TEYR）、美国的SKF和F&M公 司均采用加大试验载荷来达到快速试验的目的。日本和欧美等国家的深沟球轴承强化试验中 所采用的试验载荷已经接近或超过额定载荷的一半，如表5所示。模拟试验技术近年来得到广泛的重视，但是模拟试验成本较高、周期太长和模拟耦合的 复杂性，使得模拟试验呈积木式、模块化方向发展。激发试验技术虽然国外有一定的研究， 但是国内轴承行业目前还很少做过该类试验，同时这种试验方法目前都是在设计没有缺陷的 前提下，针对生产过程的缺陷，对于设计缺陷还不能很好的排除。试验技术的智能化和个性化将是轴承寿命试验技术将来的发展方向，根据特定的试验条 件，设定转速谱和载荷谱等以满足试验的要求，同时应用人工智能和专家系统等知识库技术 来进行智
