滾動軸承疲勞壽命及可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(qiáng)化試驗(yàn)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(jī)械基礎(chǔ)件，其質(zhì)量的好壞直接影響到主機(jī)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(diǎn)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(yàn)方法周期長、費(fèi)用高且試驗(yàn)結(jié)果的可靠性差，而強(qiáng)化試驗(yàn)則在保持接觸疲勞失效機(jī)理一致的前提下，大大地縮短試驗(yàn)時間，降低了試驗(yàn)成本，從而加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期和改進(jìn)步伐，因此軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)受到越來越多的關(guān)注、研究和應(yīng)用。軸承快速壽命試驗(yàn)包含了比軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)更為廣泛的內(nèi)涵，它不僅在壽命試驗(yàn)方面，而且在壽命試驗(yàn)的設(shè)計，壽命數(shù)

2、據(jù)的處理、分析，壽命的預(yù)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(rèn)為疲勞裂紋產(chǎn)生于滾動表面下最大剪切應(yīng)力處，擴(kuò)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(xué)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(yàn)研究，該理論才得以完善。該理論認(rèn)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(yàn)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(dǎo)和大量軸承試驗(yàn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，并于1977年修正為正式的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO281/

4、11977。L-P模型能很好地解釋滾動軸承失效機(jī)理和預(yù)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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)后，也可以從表面產(chǎn)生裂紋，然后向深處擴(kuò)展。20世紀(jì)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(jì)80年代，IoannidesE和HarrisTA在引進(jìn)了材料疲勞極限應(yīng)力和考慮應(yīng)力體積內(nèi)各點(diǎn)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(xì)致和接近實(shí)際情況。但ZaretskyEV認(rèn)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(yù)測方法。20世紀(jì)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(xué)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(yàn)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(diǎn)是局部應(yīng)力，更加符合疲勞強(qiáng)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(dāng)量動載荷之間的復(fù)雜關(guān)系，它的值由污染系數(shù)“c、軸承疲勞極限載荷Pu、當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測軸承疲勞壽命一直是機(jī)械工程學(xué)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(jī)理研究、失效因素分析、材料冶煉加工工藝、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等的數(shù)據(jù)庫也是任重道遠(yuǎn)。軸承壽命快速試驗(yàn)

8、機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展20世紀(jì)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(yàn)機(jī)進(jìn)行軸承壽命試驗(yàn)，這種試驗(yàn)機(jī)的性能已明顯落后于試驗(yàn)發(fā)展需要。從美國引進(jìn)的F&M5新型滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)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(jì)的90年代，在吸取國外先進(jìn)試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，杭州軸承試驗(yàn)研究中心研制了新一代自動控制滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)B10-60R及其改進(jìn)的ABLT系列滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，大大地推進(jìn)了中國軸承行業(yè)軸承壽命試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步。1 .ZS型和F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)ZS型滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的性能比較見表2。2 .ABLT-1(B10-60R)型滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)與ZS型和F&M5型滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)相比，ABLT-1(B10-60R)型試驗(yàn)機(jī)主要作了如下改進(jìn)：(1)在F&M5型試驗(yàn)機(jī)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(yàn)頭座組合件，加載油缸傳遞推力時有調(diào)整件和補(bǔ)償件，保證了精度。設(shè)置手動輔助返回動作機(jī)構(gòu)，以利試驗(yàn)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(jī)座部件支撐倒懸，結(jié)構(gòu)緊湊，增加減振措施，增強(qiáng)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(jìn)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(jī)架上。該型號試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)在消化吸收和改進(jìn)各種軸承壽命試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型軸承壽命試驗(yàn)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(qiáng)化試驗(yàn)的需要。其主要性能參數(shù)如表4所示。20世紀(jì)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(yàn)機(jī)和試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行軸承的壽命試驗(yàn)，該試驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)精度低、加載系統(tǒng)不穩(wěn)定、沒有自動控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大量試驗(yàn)工作的需要。ABLT-1壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)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(qiáng)度。ABLT系列疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)吸收了以前試驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)和完善了自動化控制水平。目前這一軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)已被瓦房店軸承集團(tuán)有限公司檢測試驗(yàn)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(rèn)可并應(yīng)用。在ABLT系列試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)A2BL

12、T+F2AST(AutomaticAcceleratedBearingLifeTester&FastFailureAnalysisSystemTechnology壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)和進(jìn)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(yàn)機(jī)研發(fā)的下一個重要的課題。軸承快速壽命試驗(yàn)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(fù)雜，而軸承疲勞壽命理論仍需進(jìn)一步完善，因此進(jìn)行壽命試驗(yàn)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(yàn)起步較晚，對失效機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究不足

13、，目前尚處于大量積累試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn)與鑒定試驗(yàn)，用來檢驗(yàn)設(shè)計的質(zhì)量和可靠性。20世紀(jì)70年代，則開始采用綜合環(huán)境模擬可靠性試驗(yàn)、任務(wù)剖面試驗(yàn)和驗(yàn)收模擬試驗(yàn)。在此后的很長時間內(nèi)這些試驗(yàn)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(fù)雜性、高成本以及試驗(yàn)結(jié)果的滯后性，使得該類模擬試驗(yàn)技術(shù)喪失了一定的優(yōu)勢。與模擬試驗(yàn)的思路相反，環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)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(dá)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(yàn)的形式，發(fā)展為現(xiàn)在公認(rèn)的高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機(jī)振動，試驗(yàn)所施加的應(yīng)力不必模擬真實(shí)環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好。隨著該試驗(yàn)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有人試圖用標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法重新拉回到模擬試驗(yàn)的軌道上去，況且不同的缺陷類型和不同失效機(jī)理必須使用不同的應(yīng)力篩選方案來進(jìn)行，因此這種以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來規(guī)范試驗(yàn)的方法是不可取的。目前軸承行業(yè)廣泛采用的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)是依據(jù)故障物理學(xué)，把故障或失效當(dāng)作研究的主要對象，通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障達(dá)到提高可靠性的目的。實(shí)踐證明，該方法效果顯著，并且與常規(guī)試驗(yàn)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(yàn)載荷來達(dá)到快速試驗(yàn)的目的。日本和歐美等國家的深溝球軸承強(qiáng)化試驗(yàn)中所采用的試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)近年來得到廣泛的重視，但是模擬試驗(yàn)成本較高、周期太長和模擬耦合的復(fù)雜性，使得模擬試驗(yàn)呈積木式、模塊化方向發(fā)展。激發(fā)試驗(yàn)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(yàn)，同時這種試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)的智能化

16、和個性化將是軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)將來的發(fā)展方向，根據(jù)特定的試驗(yàn)條件，設(shè)定轉(zhuǎn)速譜和載荷譜等以滿足試驗(yàn)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(jìn)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(xué)等培訓(xùn)學(xué)習(xí)汽車模擬試驗(yàn)技術(shù)，并實(shí)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(yàn)現(xiàn)場情況，對此有了更深刻的感悟。軸承壽命試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)需要用數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)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(yàn)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(yàn)條彳下，軸承運(yùn)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(dāng)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(yùn)轉(zhuǎn)小時數(shù)。早期國內(nèi)主要依據(jù)JB/T7049-1993標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)壽命和可靠性等參數(shù)。這種方法較為準(zhǔn)確，適合于完全試驗(yàn)、定數(shù)截尾試驗(yàn)、分組淘汰等試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，但是使用該方法需要一定數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，否則不能準(zhǔn)確地估計出真實(shí)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(yàn)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(yàn)方法，可以減少試驗(yàn)失效套數(shù)，減少試驗(yàn)時間，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處