滑動(dòng)軸承材料研究、故障形式及其壽命預(yù)測(cè)

1、滑動(dòng)軸承材料研究、故障形式及其壽命預(yù)測(cè) 2011/11/4演講內(nèi)容由于滑動(dòng)軸承的工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，要求更多的滑動(dòng)軸承在高溫、高負(fù)荷、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中工作，這就對(duì)材料提出了更高的要求。研究軸承的故障形式對(duì)于弄清軸承的失效以及對(duì)其故障診斷具有現(xiàn)實(shí)意義。壽命預(yù)測(cè)對(duì)于軸承的大修與更換具有參考價(jià)值。這里介紹三種種常見(jiàn)的滑動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)的方法。 一、滑動(dòng)軸承材料研究理想的滑動(dòng)軸承材料應(yīng)該具有的性能：(1)減摩性:材料要具有較低摩擦阻力的性質(zhì),與軸頸材料和潤(rùn)滑劑有關(guān)。(2)耐磨性:材料抵抗磨損的能力,與材料的顯微組織、屈服強(qiáng)度和硬度有關(guān)。(3)抗咬合性:軸承工作時(shí)防止軸承和軸頸表面互相咬粘或防止軸承和軸頸燒

2、傷的能力,與材料的顯微組織、剪切強(qiáng)度、親油性和表面氧化等有關(guān),而且還與匹配軸的材質(zhì)有關(guān)。(4)可嵌入性:材料嵌入外來(lái)異物或污物,避免表面劃傷或磨損的能力,也即材料在硬顆粒作用下產(chǎn)生局部塑性變形的能力,與材料的顯微組織、屈服強(qiáng)度、硬度、合金層和鍍層的厚度有關(guān)。 (5)跑合性:依靠表層的彈塑性變形來(lái)補(bǔ)償滑動(dòng)表面初始配合不良的性能,具有低彈性模數(shù)和好的可塑性的軟金屬有良好的跑合性,在跑合過(guò)程中降低摩擦力、溫度和磨損量。(6)承載能力:材料在低的摩擦因數(shù)和適度磨損時(shí),能承受最大載荷的能力,與材料的化學(xué)成分、潤(rùn)滑油粘度、軸的狀況和軸承工作溫度有關(guān)。(7)抗疲勞性:指材料在變載荷條件下,抵抗疲勞破壞的能力

3、,軸承發(fā)生疲勞破壞時(shí),裂紋正好是從接近材料表面受最大剪應(yīng)力處開(kāi)始,在多層滑動(dòng)軸承材料中,這種裂紋垂直于表面的方向往里蔓延,一直到達(dá)背材的結(jié)合處,然后沿背材擴(kuò)展并相互連接而剝落,與材料的化學(xué)成分、軸承的表面缺陷、工作溫度、裝配和潤(rùn)滑狀況有關(guān)。(8)親油性:指材料易被潤(rùn)滑油濕潤(rùn)和在工作表面上形成邊界膜的能力,主要與材料的成分和潤(rùn)滑油的性質(zhì)有關(guān)。(9)耐蝕性:指材料抵抗腐蝕的能力,主要與材料中的化學(xué)成分、環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)的種類有關(guān)。 實(shí)際上沒(méi)有一種材料能同時(shí)滿足這些性能要求。因此,軸承材料必須根據(jù)其使用條件進(jìn)行合理的選擇。盡管可采用的工程材料范圍很廣,但針對(duì)滑動(dòng)軸承對(duì)材料所提的要求,現(xiàn)代軸承材料主要

4、有以下幾種:巴氏合金、銅合金、鋁合金、多孔質(zhì)金屬材料、非金屬材料,如塑料、碳、橡膠和陶瓷等。1.軸承合金（巴氏合金） 1839年JBabbitt發(fā)明了一種適合蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)使用的白色軟質(zhì)軸承合金,稱為巴氏合金,由于其具有優(yōu)良的滑動(dòng)軸承特性,廣泛應(yīng)用于從小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)到大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及各種工程機(jī)械領(lǐng)域中,時(shí)至今日,它仍不失為一種較好的滑動(dòng)軸承材料。起初巴氏合金主要是一種以錫銻為主的合金,后經(jīng)多年發(fā)展,為了節(jié)約昂貴的錫,逐漸采用鉛基取代錫基。無(wú)論是錫基還是鉛基,都是軟質(zhì)低熔點(diǎn)的材料,所以其具有優(yōu)良的減摩性、抗咬合性、可嵌入性以及跑合性,然而其承載能力以及耐熱、耐疲勞性能較差隨著機(jī)械設(shè)備向更高性能方向

5、發(fā)展,巴氏合金還是逐漸失去了其在滑動(dòng)軸承材料中的主導(dǎo)地位,特別是20世紀(jì)70年代以后,采用巴氏合金材料制作的軸承在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用量急劇減少,盡管如此,巴氏合金在低載、高速條件下仍有廣泛的應(yīng)用。2、銅合金軸承材料 伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷提高,要求滑動(dòng)軸承具有更高的承載能力和高的抗疲勞性能,因而銅合金材料逐漸取代巴氏合金而成為滑動(dòng)軸承的主導(dǎo)材料。銅合金材料是目前使用最多的一種軸承材料,其具有熱傳導(dǎo)性好、承載能力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、耐熱性好，減摩性與耐磨性好等特點(diǎn)。其中鉛青銅、錫青銅和鋁青銅是最主要的銅合金軸承材料。錫青銅的減摩性與耐磨性最好，但嵌入性差，適用于重載及中速場(chǎng)合。鉛青銅

6、抗粘附能力強(qiáng)，適用于高速、重載軸承。鋁青銅強(qiáng)度硬度高，適用于低速，重載軸承。3、鋁合金材料 鋁合金軸承材料的研究開(kāi)發(fā)與使用起始于第一次世界大戰(zhàn)期間的德國(guó),主要運(yùn)用于一些軍事裝備上。后來(lái)英美日等國(guó)相繼開(kāi)展了鋁合金軸承材料的研究。鋁合金有相當(dāng)好的耐腐蝕性和較高的疲勞強(qiáng)度，摩擦性能也較好。這些優(yōu)點(diǎn)使得其在部分領(lǐng)域取代了較貴的軸承合金和青銅。 4、多孔質(zhì)金屬材料 這是用金屬粉末壓制、燒結(jié)而成的軸承材料又叫含油軸承。用粉末冶金法制作的軸承，具有多孔組織，可存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，可用于加油不方便的場(chǎng)合。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸瓦溫度升高，由于油的膨脹系數(shù)比金屬大， 油自動(dòng)進(jìn)入摩擦表面起到潤(rùn)滑作用。含油軸承加一次油，可使用較長(zhǎng)時(shí)間。

7、5、無(wú)油潤(rùn)滑軸承材料 利用固體潤(rùn)滑劑實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的軸承稱為無(wú)油軸承。作為固體潤(rùn)滑劑有軟質(zhì)金屬(Au、Ag、In、Sn、Pb)、氧化物(PbO、PbO4)、氟化物(BaF2、CaF2)、硫化物(MoS2、WS2),以及石墨、氟化石墨、各種樹(shù)脂材料等,但使用較多是石墨、MoS2和聚四氟乙烯(PT-FE)樹(shù)脂材料。二、滑動(dòng)軸承故障形式滑動(dòng)軸承的主要故障形式及形成原因：1)正常磨損。當(dāng)軸承的磨損量累積到超過(guò)許用磨損值時(shí),就認(rèn)為軸承失效。其主要原因是超速、超載運(yùn)行,或在潤(rùn)滑油中含有雜質(zhì)。2)擦傷。主要是由于軸承在啟動(dòng)或停止時(shí),由于軸承的油膜壓力不夠、潤(rùn)滑油太少或者潤(rùn)滑油中混有雜質(zhì),導(dǎo)致軸承與軸頸表面發(fā)生直

8、接接觸而產(chǎn)生擦傷。3)膠合。軸承在超負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)下,局部的溫度過(guò)高、載荷過(guò)大或者缺少潤(rùn)滑油以及軸承座的振動(dòng),使軸承與軸配合各表面直接接觸而局部熔合在一起。4)燒瓦現(xiàn)象。在高溫、高速、高載荷的運(yùn)行情況下,軸頸與軸瓦材料發(fā)生熱膨脹,軸承間隙消失,金屬之間直接接觸,使得潤(rùn)滑油燃燒。在高溫下,軸瓦和軸頸表面的合金發(fā)生局部熔化。嚴(yán)重時(shí),軸瓦與軸一起旋轉(zhuǎn)或者咬死。由于軸承長(zhǎng)時(shí)間在無(wú)潤(rùn)滑油條件下工作,使軸瓦溫度急速上升。5)疲勞破壞。在交變載荷的作用下,軸承表面產(chǎn)生往復(fù)作用的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪切應(yīng)力,從而在軸承表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋,在不斷的運(yùn)行狀態(tài)下,最后形成疲勞破壞6)腐蝕破壞。由于潤(rùn)滑油被氧化或者被污染

9、,使軸承的工作環(huán)境防腐蝕不良,軸承的工作表面有寄生電流通過(guò),導(dǎo)致軸承表面起毛及出現(xiàn)隨機(jī)分布的不規(guī)則凹坑。另外還有氣蝕失效和油膜振蕩造成的軸承失效。三、滑動(dòng)軸承的壽命預(yù)測(cè)一、平均值法 平均值法是一種簡(jiǎn)單的算法,對(duì)參加試驗(yàn)的多個(gè)相同滑動(dòng)軸承,按試驗(yàn)前、后對(duì)運(yùn)動(dòng)副零件尺寸的精密測(cè)量結(jié)果,算出平均的磨損量,與滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副允許的最大配合間隙進(jìn)行比較,得出運(yùn)動(dòng)副的使用壽命或更換期限,表示為:式中max滑動(dòng)軸承允許的最大配合間隙(mm) 0試驗(yàn)前初始配合間隙的平均值(mm) 試驗(yàn)后平均磨損量(mm/103h) T滑動(dòng)軸承的壽命或更換期限(103h)max0uuTu二、可靠性計(jì)算法 可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算方法認(rèn)為,作為滑動(dòng)軸承的支承孔、軸瓦和軸頸的尺寸由于加工誤差,都是服從一定分布的隨機(jī)變量,在使用過(guò)程中,軸承和軸頸的磨損量也是服從一定分布的隨機(jī)變量,不是定值。在預(yù)測(cè)滑動(dòng)軸承的壽命時(shí),應(yīng)考慮上述變量的分布進(jìn)行計(jì)算,這樣比較符合實(shí)際情況的。三、模糊可靠性計(jì)算法 從失效的形式來(lái)講,滑動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)副的磨損失效是一種耗損性失效,是一個(gè)由量變到質(zhì)變的