滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展

滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展李兴林教授\博士后(E-mail:[e-mail])杭州轴承试验研究中心有限公司（联合国援助杭州轴承试验研究中心）机械工业轴承产品质量检测中心（杭州）ISO/IEC17025国际互认新昌轴承区域名牌创建活动2008年10月20日杭轴研简介杭州轴承试验研究中心是联合国援助中国轴承行业1980年创建的唯一的质检及研究机构，主要从事轴承动态性能和疲劳寿命等高新技术应用研究以及轴承相关产品开发、检测和试验等研究工作。拥有国际上比较先进的测试仪器和设备，技术力量雄厚，20多年来有多项科研成果在全国推广应用，已形成了较为完善的开发、制造、检测和服务体系。（续）2002年根据政府要求在中国质量检验机构中率先成功改制为科技民营股份制企业。2003年3月经中国实验室国家认可委员会(CNAL)和中国机械工业联合会(CMIF)评审，成为中国轴承行业首家通过ISO/IEC17025的科技民营国家级检测实验室，且具有独立法人资格，检测试验数据能国际互认。杭轴研简介HBRC理念HBRC：Highlevel/quality/technology高水准、高质量、高科技HBRC理念HBRC：Benefitthecustomerforever永远利益客户HBRC理念HBRC：Research,developmentandproductionthroughinnovation创新研究、开发及生产的综合能力HBRC理念HBRC：Concentrationonpeople崇尚以人为本的管理资历证书Ⅰ资历证书Ⅱ资历证书Ⅲ资历证书Ⅳ滚动轴承精度性能寿命可靠性滚动轴承寿命精度寿命磨损寿命振动寿命噪音寿命疲劳寿命滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展I.引言II.轴承寿命理论的现状及发展III.轴承寿命快速试验机的现状及发展IV.轴承快速寿命试验技术现状及发展V.轴承寿命试验数据处理及发展引言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。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展1.Weibull分布：1939年，Weibull提出的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，Weibull给出了生存概率S与表面下最大剪切应力τ、应力循环次数N和受应力体积V的关系：VNSec1ln2.载荷容量理论：1947年，Palmgren和Lundberg一起提出了滚动轴承的载荷容量理论。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：Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展hoeczVNS01ln3.L-P公式：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ISO281/1－1977。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展)(10PCLr4.SKF通用轴承寿命计算模型: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。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。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展RvhcuedVzANNS)(ln5.SKF通用轴承寿命计算简化式：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ηc、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。ηc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。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展)(110PCaaLSKFna6.ISO281:1990修订的额定寿命计算式：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。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展101LaaLxyzna7.其他：20世纪70年代初，ChiuP和TallianTE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，IoannidesE和HarrisTA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ZaretskyEV认为该模型高估了轴承的寿命。ZaretskyEV提出的基于Weibull模型基础上的修正模型、ChengWQ和ChengHS提出的用疲劳裂纹产生的时间来表示轴承寿命的C-C模型、TallianTE提出的T模型、YuWK和HarrisTA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。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。Ⅱ轴承寿命理论的现状及发展一般寿命计算公式理论基础；瑞典哥德堡查尔默斯技术大学G.论德伯格（GustafLundberg）教授和SKF的A.帕尔默哥莱（ArvidPalmgren）工程师于1947年提出的理论为基础，依据是1936年的Weibull的疲劳概率理论。1962年国际标准化组织ISO281标准的滚动轴承寿命的计算公式L10=[C/P]e式中；C—轴承额定动载荷；C=f（DW、Le、Z…）P—轴承当量动载荷；e—寿命计算系数；滚子轴承；e＝10/3、球轴承；e=3理念体现；轴承的载荷能力和轴承的实际载荷的大小是确定轴承寿命的唯一因素。轴承产品市场的导向；1)轴承内部承载能力的开发－轴承结构的优化设计；2)轴承结构改进偏向于滚动体的直径、长度和个数的增加；3)以调心滚子轴承为典型的结构与保持架的开发、设计与改进；影响与成效；大大提高轴承产品质量和轴承的载荷能力，优化轴承结构，完善轴承的优化设计；局限与不足；寿命评估仅局限于对轴承的自身，改革仅涉及轴承制造业内。轴承实际失效分析的启发1/3材料疲劳滚动轴承的失效材料的疲劳失效34％润滑失效36％污染失效14％安装失效16％1/3润滑失效1/3安装污染滚动轴承实际失效分析的启发好的轴承必须有良好的维护！轴承的失效并非完全是轴承的质量问题！雷诺滑动雷诺滑动交变应力与雷诺滑动静态时滚动体与滚道接触处的弹性变形动态时滚动前方的材料被拉伸动态时滚动后方的材料被压缩弹性恢复滞后产生摩擦滚动轴承工作表面并非“刚性体”，在滚动体与滚道接触处会发生弹性变形，局部材料会发生拉伸和压缩，材料承受拉伸与压缩的交变的应力作用的同时在滚动工作表面产生滑动摩擦。雷诺滑动材料表层疲劳理论材料表层疲劳理论的发展轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深材料表层的疲劳剥离机理材料表层下的非金属夹杂物非金属夹杂物边缘的应力集中，出现的“蝶形非金属夹杂物边缘的材料疲劳裂纹处出现裂纹由材料的表层向材料的表面扩展，最终导致材料的剥离。NSK材料表层疲劳蝶影材料表层的非金属夹杂物在循环交变应力作用下形成的“蝶形”NSK材料表面疲劳剥离机理1轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深材料表面的疲劳剥离机理1应力分布接触应力凹痕裂纹由表面向内发展，再由内向外形成剥离裂纹的起源在材料表面的应力集中点－表面形态缺陷引起的材料表面剥离－NSK材料表面疲劳剥离机理2轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深材料表面的疲劳剥离机理2－由润滑与污染引起的材料表面剥离－太大颗粒沉淀在底部，如沉淀在滚动表面，直接破坏表面形貌太小颗粒凝结和沉淀在滚动表面破坏润滑油膜的连续性正常颗粒悬浮在润滑油中，随润滑油流动大颗粒在滚动表面直接产生压痕压痕处应力集中，裂纹由表面生成，向材料的表层扩展，并与材料表层的薄弱处（偏析、非金属夹杂）相连小颗粒在滚动表面破坏润滑油膜的连续性NSK1.引言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。Ⅲ轴承寿命快速试验机的现状及发展Ⅲ轴承寿命快速试验机的现状及发展2.ZS型滚动轴承疲劳寿命试验机的主要性能参数：试验机型号ZS15—30ZS30—60ZS60—120试验轴承（mm）内径15～3030～6060～120外径35～6262～110110～215活塞面积（cm2）径向2570200轴向1525100工作温度（℃）20～70℃，不得超过90℃试验轴承转速（r/min）3200~160001000~5000775~3860试验轴承最大载荷（kN/套）径向7.3524.598轴向3.4314.768.6润滑方式循环润滑驱动电机功率（kW）2.82.8/2.14.5转速（r/min）28701420/295014403.ZS型和F&M5”型滚动轴承疲劳寿命试验机的性能比较：Ⅲ轴承寿命快速试验机的现状及发展比较项目ZS型F&M5”型试验头单个试验头，单机尺寸小两套试验头，开启式试验轴承装拆封闭式，不便装拆采用开启式，观察方便，便于装拆加载性能手动带温度补偿和蓄能油缸砝码和减压阀，连续补偿，精度高但占用空间大且成本高润滑性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4.ABLT系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数Ⅲ轴承寿命快速试验机的现状及发展试验机类型项目ABLT-1AABLT-2ABLT-3ABLT-4ABLT-5球轴承和滚子轴承（尤其是汽车轮毂轴承）球轴承球轴承和滚子轴承试验轴承内径/mmφ10~60φ60~120φ5~12φ120~180φ180~240试验轴承数量2~4套试验轴承转速r/min1000~10000(可调)500~5000(可调)5000~36000(可调)500~3000(可调)300~2500(可调)最大径向载荷/kN1002501.5400800最大轴向载荷/kN501250.4200300电源主轴电机3kW7.5kW1.5kW10kW15kW油泵电机0.37kW0.75kW40W1.5kW2kW功率消耗/kW约3.5约9约1.8约15约20环境温度10℃~40℃总质量/kg约1000约2000约500约3500约4500整机尺寸/mm1500×720×12001750×900×12001100×650×10002000×1000×15002200×1100×16005.试验机的发展：在持续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（AcceleratedBe