滾動(dòng)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 |
滾動(dòng)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(guó)軸承行業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃中,重點(diǎn)要求開(kāi)展提高滾動(dòng)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(zhǎng)、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(shí)間,降低了試驗(yàn)成本,從而加快了產(chǎn)品的開(kāi)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(lái)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(jì),壽命數(shù)據(jù)的處理、分析,壽命的預(yù)測(cè)評(píng)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(dòng)軸承的疲勞壽命服從某一概率分布,這就是后來(lái)以其名字命名的Weibull分布,認(rèn)為疲勞裂紋產(chǎn)生于滾動(dòng)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τ、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(guò)數(shù)十年的數(shù)據(jù)積累,于1947年和Lundberg一起提出了滾動(dòng)軸承的載荷容量理論,又經(jīng)過(guò)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(dòng)方向的最大交變剪切應(yīng)力決定著疲勞裂紋的發(fā)生,考慮到材料冶煉質(zhì)量對(duì)壽命的影響,同時(shí)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(jì)處理接觸疲勞問(wèn)題的指數(shù)方程: (2) 式中 S——軸承使用壽命 經(jīng)過(guò)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(jì)算公式: (3) 式中 L10 ——基本額定壽命,百萬(wàn)轉(zhuǎn) 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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281/1-1977。 L-P模型能很好地解釋滾動(dòng)軸承失效機(jī)理和預(yù)測(cè)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(jì)算壽命大很多,人們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)軸承經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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,Chiu P和Tallian T E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(wèn)題,例如表面粗糙度、彈流油膜厚度、切向摩擦牽引力以及潤(rùn)滑介質(zhì)存在污染物等情況對(duì)接觸疲勞的影響。20世紀(jì)80年代,Ioannides E和Harris T A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,該模型比L-P模型考慮的更加細(xì)致和接近實(shí)際情況。但Zaretsky E V認(rèn)為該模型高估了軸承的壽命。Zaretsky E V提出的基于Weibull模型基礎(chǔ)上的修正模型、Cheng W Q和Cheng H S提出的用疲勞裂紋產(chǎn)生的時(shí)間來(lái)表示軸承壽命的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模型都從不同的角度提出了對(duì)壽命的預(yù)測(cè)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(jì)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(rùn)滑會(huì)議上發(fā)表。該理論可用下式表示: (4) 式中 σu——為材料疲勞極限應(yīng)力 該理論引入了局部應(yīng)力和材料疲勞極限的概念,計(jì)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(jì)思路,按照該理論,計(jì)算額定壽命簡(jiǎn)化式可表示為: (5) 其中aSKF為壽命調(diào)整系數(shù),它包括了潤(rùn)滑、污染、疲勞極限和軸承當(dāng)量動(dòng)載荷之間的復(fù)雜關(guān)系,它的值由污染系數(shù)ηc、軸承疲勞極限載荷Pu、當(dāng)量動(dòng)載荷P和粘度系數(shù)K之間的函數(shù)關(guān)系給出。ηc系數(shù)則考慮了潤(rùn)滑劑的污染及其對(duì)軸承壽命的影響。目前這一理論僅在SKF內(nèi)部使用。 在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281:1990中也給出了修訂的額定壽命計(jì)算式: (6)
科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(dòng)軸承應(yīng)用中亟待研究的課題,同時(shí)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(kù)也是任重道遠(yuǎn)。 軸承壽命快速試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展 20世紀(jì)早期,我國(guó)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(guó)引進(jìn)的F&M 5″新型滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)除了價(jià)格昂貴外,還采用氣動(dòng)高壓動(dòng)力源和60Hz的電頻率,不太適合中國(guó)的國(guó)情。因此在20世紀(jì)的90年代,在吸取國(guó)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(dòng)控制滾動(dòng)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(dòng)軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī),大大地推進(jìn)了中國(guó)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&M 5″型滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù) ZS型滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1 ZS型和F&M 5″型滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的性能比較見(jiàn)表2。 2. ABLT-1(B10-60R)型滾動(dòng)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&M 5″型滾動(dòng)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&M 5″型試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)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(shí)有調(diào)整件和補(bǔ)償件,保證了精度。設(shè)置手動(dòng)輔助返回動(dòng)作機(jī)構(gòu),以利試驗(yàn)頭的順利裝拆等。 (2)傳動(dòng)軸由兩套深溝球軸承懸臂支撐,傳動(dòng)軸一端固定,一端游動(dòng),用彈簧消隙,電動(dòng)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。 (3)加載系統(tǒng)采用薄膜式液壓缸,占用空間小、成本低,同時(shí)液壓缸進(jìn)出油口安裝電磁換向閥,便于自動(dòng)控制。 (4)溫度記錄裝置和振動(dòng)信號(hào)處理裝置等附屬裝置掛于機(jī)架上。 該型號(hào)試驗(yàn)機(jī)的主要性能參數(shù)如表3所示。 3. ABLT系列滾動(dòng)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(guó)自行設(shè)計(jì)研制的ABLT(Accelerated Bearing Life Tester)系列滾動(dòng)軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī),具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)和方法,通過(guò)個(gè)性化設(shè)計(jì),能滿足大多數(shù)滾動(dòng)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(guó)的軸承行業(yè)一直沿用前蘇聯(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(méi)有自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)試驗(yàn)中心、寧波摩士軸承研究院、重慶長(zhǎng)江軸承工業(yè)有限公司 、中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司天津分公司 、杭州誠(chéng)信汽車軸承有限公司等國(guó)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(kāi)發(fā)A2BLT+F2AST(Automatic Accelerated Bearing Life Tester & Fast Failure Analysis System Technology)壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)和進(jìn)一步研究開(kāi)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(gè)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(píng)定軸承壽命的主要手段。相對(duì)于SKF、INA/FAG、Timken/Torrington、NSK等國(guó)外公司,我國(guó)軸承壽命試驗(yàn)起步較晚,對(duì)失效機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究不足,目前尚處于大量積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)的階段。但是經(jīng)過(guò)十幾年的努力和發(fā)展,我國(guó)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)展前景。 早在20世紀(jì)40年代,美國(guó)就對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)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(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和可靠性。20世紀(jì)70年代,則開(kāi)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(zhǎng)時(shí)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(shì)。 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,加速激出并清除產(chǎn)品潛在缺陷來(lái)達(dá)到提高可靠性的目的。從早期的高溫、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(dòng),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(lái)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(lái)進(jìn)行,因此這種以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來(lái)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(duì)象,通過(guò)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)、瑞典的SKF、日本的NSK、NTN、英國(guó)的RHP(現(xiàn)為日本NSK-RHP)、奧地利的STEYR(現(xiàn)為SKF-STEYR)、美國(guó)的SKF和F&M公司均采用加大試驗(yàn)載荷來(lái)達(dá)到快速試驗(yàn)的目的。日本和歐美等國(guó)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(guò)額定載荷的一半,如表5所示。 模擬試驗(yàn)技術(shù)近年來(lái)得到廣泛的重視,但是模擬試驗(yàn)成本較高、周期太長(zhǎng)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(guó)外有一定的研究,但是國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)目前還很少做過(guò)該類試驗(yàn),同時(shí)這種試驗(yàn)方法目前都是在設(shè)計(jì)沒(méi)有缺陷的前提下,針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的缺陷,對(duì)于設(shè)計(jì)缺陷還不能很好的排除。 試驗(yàn)技術(shù)的智能化和個(gè)性化將是軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)將來(lái)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(shí)應(yīng)用人工智能和專家系統(tǒng)等知識(shí)庫(kù)技術(shù)來(lái)進(jìn)行智能化處理。2005年10月,第一作者曾赴歐洲考察三周,在德國(guó)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(rùn)滑脂公司及其測(cè)試中心的模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況,對(duì)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(duì)疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。近似服從滾動(dòng)軸承疲勞壽命的理論分布有韋布爾(W. Weibull)分布以及對(duì)數(shù)正態(tài)分布(壽命值取對(duì)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(shí),絕大多數(shù)用二參數(shù)的韋布爾分布,其分布函數(shù)為: (7) 式中 F(L)——在規(guī)定的試驗(yàn)條件下,軸承運(yùn)轉(zhuǎn)到L小時(shí)而破壞的概率 早期國(guó)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(jì)、最大似然估計(jì)法或Weibull圖法,估計(jì)出軸承壽命的韋布爾參數(shù)b和V,從而求出試驗(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(jì)出真實(shí)的軸承壽命。JB/T7049-1993現(xiàn)修訂為JB/T50013-2000。JB/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(shí)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(shí)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(jì)法、最佳線性無(wú)偏估計(jì)法、最佳線性不變估計(jì)法、最大似然估計(jì)法以及最小二乘法等六種方法對(duì)幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到b和v的估計(jì)值并加以比較,結(jié)果表明最小二乘法的偏差較大,其他幾種方法的估計(jì)結(jié)果差別不大,因此用以上幾種方法對(duì)軸承壽命進(jìn)行估算時(shí),關(guān)鍵還是收集數(shù)據(jù)的正確性。無(wú)失效數(shù)據(jù)的bayes分析法和無(wú)失效數(shù)據(jù)的配分布曲線法正在受到人們的關(guān)注和研究。杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司企業(yè)博士后科研工作站試圖與國(guó)內(nèi)外著名高等院校合作,以市場(chǎng)為導(dǎo)向,產(chǎn)學(xué)研合作共贏的合作模式,在滾動(dòng)軸承性能壽命的檢測(cè)試驗(yàn)、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)。隨著軸承壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的創(chuàng)新,必將促進(jìn)滾動(dòng)軸承快速壽命試驗(yàn)的發(fā)展。寧波三泰軸承有限公司 NINGBO SUNTHAI BEARING COMPANY |
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