滾動軸承壽命與可靠性試驗方法

張 偉，湯 潔

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

滾動軸承質量主要包括成品及零件精度、原材料及熱處理質量、壽命可靠性等，而軸承的壽命可靠性是軸承綜合質量水平的體現，通過軸承的壽命可靠性試驗可以反映出軸承成品及零件等的整體質量水平。所以軸承的壽命可靠性是軸承的一個重要質量指標，如何進行軸承的壽命可靠性試驗，制定相應的試驗規范就顯得非常重要。

從20世紀60年代開始，我國軸承行業就開始進行軸承試驗，當時是考核軸承的設計，即產品定型試驗，試驗室隸屬于企業的設計部門。試驗只是單純的軸承壽命試驗，即以20套軸承為樣本做完全試驗，其壽命均應超過計算壽命。

1984年洛陽軸承研究所首次制定ZQ 12—84《滾動軸承疲勞壽命試驗規程》；后于1993年修訂為JB／T 7049—93《滾動軸承壽命、可靠性試驗規程》，后標準號改為JB／T 50013—1994；又于2000年修訂為JB／T 50013—2000《滾動軸承 壽命及可靠性試驗規程》。

20多年來，軸承壽命及可靠性試驗規程等相關標準對促進軸承壽命可靠性質量的提高以及國內、外用戶的產品驗收起到了重要的作用，提供了可靠的軸承壽命及可靠性試驗方法。

隨著軸承行業及用戶對軸承壽命可靠性質量的日益重視，以及軸承試驗設備的不斷更新及試驗技術的提高，迫切需要重新制定相關標準以適應發展的需要。GB／T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》標準就是滾動軸承壽命與可靠性試驗方法及其評定方法的新標準。

1 標準適用范圍

適用于一般用途的滾動軸承（其內徑在5～120 mm）在試驗設備上進行的常規壽命與可靠性試驗及其評定。

適用于對滾動軸承壽命與可靠性有要求的用戶（第2方）的驗收，也適用于軸承行業及第3方認證機構的驗證試驗和軸承生產企業（第1方）內部的試驗。強調適用于第3方認證機構的驗證試驗、用戶（第2方）的驗收。

2 試驗分類

2.1 按試驗目的分類

可分為軸承鑒定試驗、定期試驗、驗證試驗等。

鑒定試驗——軸承生產企業在軸承的結構形式、原材料及加工制造工藝變更時須進行鑒定試驗。一般采用試驗數據較多的試驗方法，即完全試驗或截尾試驗方法，這樣可得到明顯的試驗結果，并能從試驗結果中分析產品質量情況，有針對性地加以改進。其屬于軸承生產企業（第1方）內部的試驗。

定期試驗——大批量生產的軸承，生產企業為了定期向軸承的用戶提供穩定的、長期的質量水平所作的證明試驗。一般采用完全試驗或截尾試驗方法。其屬于提供給用戶（第2方）的驗收試驗。

驗證試驗——對軸承質量水平所進行的驗證性試驗。一般采用試驗數據較少的試驗方法，即截尾試驗或序貫試驗方法。既可節省大量的試驗經費，又可較快地得到試驗驗證結果，對軸承質量水平進行綜合評定。其屬于軸承用戶、行業及第3方認證機構對軸承質量水平所進行的驗證性試驗。

2.2 按試驗方法分類

可分為完全試驗方法、截尾試驗方法、序貫試驗方法等。

完全試驗——一組軸承樣品，在相同試驗條件下全部試驗至失效。

截尾試驗——一組軸承樣品，在相同試驗條件下部分試驗至失效。截尾試驗又可分為定時截尾試驗、定數截尾試驗和分組淘汰試驗。

定時（數）截尾試驗——一組軸承樣品，在相同試驗條件下試驗至規定的時間（失效套數）停止試驗。一般失效套數不應少于軸承樣品容量的2／3（最少應保證6套），以減少數據離散性，有利于數據處理。

分組淘汰試驗——一組軸承樣品，隨機分組，在相同試驗條件下試驗至每組出現一個失效樣品，通過對失效數據評定從而得出一組軸承樣品的數據。

序貫試驗——一組軸承樣品，在相同試驗條件下，逐次對失效樣品進行判定。一般失效數達到5套時即可停止試驗。

3 試驗準備

包括試驗設備、軸承的配合、潤滑、軸承樣品4部分。

3.1 試驗設備

試驗設備必須是經過檢定合格的軸承壽命試驗機，并應定期檢定以保證性能穩定。

同一批軸承樣品在同一試驗條件下試驗，應在結構性能相同的試驗設備上進行試驗，試驗數據一致性較好。

同一結構形式和外形尺寸的軸承樣品的對比試驗，也應在結構性能相同的試驗設備上進行試驗，其試驗結果可比性強。

3.2 與軸承配合的軸和外殼孔

一般常規試驗基本上都是內圈承受旋轉載荷，外圈承受局部載荷，軸承內圈與軸為過盈配合，與外殼體為間隙配合。若軸承承受徑向載荷較大時，在保證軸承工作游隙的前提下，可適當增加內圈與軸的配合過盈量，以防止運轉過程中內圈與軸之間產生相對滑動，使內徑磨損及試驗主軸產生磨軸；若軸承為輕系列或壁厚較薄，軸承承受載荷較小或試驗時間較短時，可適當減小內圈與軸的配合過盈量。與軸承配合的軸和外殼孔的公差帶按表1選取，其配合應符合GB／T 275—1993《滾動軸承與軸和外殼的配合》標準要求。

表1 與軸承配合的軸和外殼孔的公差帶

3.3 軸承的潤滑

3.3.1 循環油潤滑

用于循環潤滑的潤滑油一般采用符合石油化工行業標準SH／T 0017—1990（1998年確認）《軸承油》的L-FC抗氧化防銹型油，牌號為32。產品標記為：軸承油L-FC32（一級品）SH／T 0017。主要質量指標包括，黏度等級（按GB／T 3141）：32；運動黏度（40℃）：28.8～35.2 mm2／s；機械雜質：無；等等。

潤滑油一般應選擇質量穩定的供應商定點采購，同時每次新購油品均需提供檢驗合格報告。

試驗設備上的循環油路應安裝專門的濾油裝置，并定期清洗油箱、油管、濾油器等，定期過濾潤滑油，定期檢驗油的黏度及機械雜質，及時更換失效的潤滑油。

循環供油量與油壓力（不小于0.25 MPa）及油箱容積有關，要保證軸承的充分潤滑，以防止軸承因缺油而燒傷。軸承循環供油量可參考表2。

表2 軸承循環供油量

用戶指定潤滑油或油中加添加劑的試驗應將油箱及油管、濾油器等徹底清洗干凈，以防混油。

3.3.2 脂潤滑

原裝脂潤滑（密封軸承）或軸承外涂潤滑脂（一般外加密封裝置）時，一般要封閉油路，以防止影響潤滑效果。

3.4 軸承樣品

試驗軸承樣品應在經檢驗合格的成品中隨機抽取，檢驗應符合相關標準。試驗軸承樣本容量一般取8～20套，另備5～10套備用樣品。軸承樣品應有明確標識，保持清晰可辨及其唯一性。

4 試驗條件

4.1 確定軸承參數

根據軸承樣本及用戶提供的圖紙等技術資料確定試驗軸承額定動載荷C、極限轉速nL等參數。

4.2 軸承外圈溫度的限制

一般軸承樣品未經特殊處理，試驗時外圈溫度不應超過80℃（脂潤滑）和95℃（油潤滑）。試驗時測量的是軸承外徑的溫度，由于軸承內、外圈溫差，內圈溫度可能要高于外圈10～20℃，這樣不至于因高溫回火而使軸承和試驗主軸產生燒傷現象。

4.3 軸承轉速

試驗時軸承內圈轉速一般選取軸承極限轉速的20%～60%，一般以不超過極限轉速的60%為宜。考慮溫升情況，油潤滑時轉速可選高些，脂潤滑時轉速選低些，尺寸大時轉速選的偏低些；考慮載荷情況，載荷高轉速可選低些，載荷低轉速可選高些。試驗時還可參考軸承實際工況時的轉速選取試驗轉速。

4.4 軸承基本額定壽命

軸承額定動載荷和額定壽命的計算應符合GB／T 6391—2003《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命（ISO 281：1990，IDT）》的規定。基本額定壽命L10按下式選取：

根據試驗經驗及軸承樣品、試驗設備的參數，可先選定試驗轉速n、當量動載荷P，再得出基本額定壽命L10h；也可先選定基本額定壽命L10h、試驗轉速n，再得出當量動載荷P。

4.5 軸承載荷

（1）一般選當量動載荷P為基本額定動載荷C的20%～30%。當量動載荷小（即載荷?。绢~定壽命長；載荷太大，超過了軸承的彈性極限，接觸表面易產生塑性變形，改變加速試驗的原理，而且載荷太大試驗主軸的剛度和撓度受較大影響，易產生變形和斷軸。

僅承受徑向載荷Fr的試驗，若試驗軸系的剛度和撓度許可，P（即Fr）可適當取大一些。

對于軸向載荷Fa（包括純軸向載荷）較大的試驗，因對試驗主軸的剛度和撓度影響較小，P可適當取大一些。角接觸類軸承（角接觸球軸承、圓錐滾子軸承等）的純軸向載荷試驗是聯合載荷的一個特例。

（2）向心軸承，一般僅承受徑向載荷Fr時，當量動載荷P＝Fr。

（3）推力軸承，一般僅承受軸向載荷Fa時，當量動載荷P＝Fa。

（4）角接觸類軸承，承受聯合載荷時，應按下式進行載荷分配：

式中：X，Y值可在GB／T 6391—2003和相關軸承樣本中查得。

載荷分配還應滿足以下兩個條件：

式中：Mc為軸向載荷與徑向載荷之比；S為徑向載荷引起的軸承內部軸向分力，N；對于球軸承，α為接觸角；對于圓錐滾子軸承，α為外圈滾道素線與其軸線之間的夾角。

接觸角小，軸承承受載荷以徑向載荷為主；接觸角大，軸承承受載荷以軸向載荷為主。

（2）S＝ηFr。

式中：η為比例系數，其數值見表3。

表3 η值

為使用方便，以上兩條件可轉化為：

5 軸承的試驗程序

5.1 試驗主體組裝

試驗主體的設計、加工及組裝應符合相關試驗技術要求。

試驗主體主要由試驗主軸、載荷體、左右襯套、左右端蓋、隔離環、拆卸環、左右螺母、載荷軸承、軸向加載裝置、定位軸承等組成。

試驗主體的設計、加工及驗收應符合裝配圖樣的技術要求。試驗主體清洗組裝，軸承樣品清洗安裝。安裝受軸向載荷軸承時應注意受載方向，安裝后軸承應轉動靈活，且不應有阻滯現象。

5.2 試驗設備調試

試驗主體與試驗設備組裝后，檢查各系統應能正常工作。

試驗載荷誤差應控制在±2%范圍內。油壓加載的工作壓力表、校準用的精密壓力表均需定期檢定；加載力傳感器也需定期檢定。油壓加載一般采用1.6級工作壓力表（定期用壓力表校驗器校準），每次調試用精密壓力表（0.4級）校準，按校準值在工作壓力表上加壓。

試驗轉速誤差應控制在±2%范圍內。并用轉速表校準，轉速表應定期檢定。

因對試驗軸承的溫度控制是有要求的，故所用測溫儀器應經過檢定。

試驗油路要保持暢通，無泄漏，保證軸承的充分潤滑。

5.3 試驗

5.3.1 試驗設備的啟動

5.3.1.1 油潤滑

試驗設備啟動后，油潤滑試驗3 h內應將載荷緩慢加至試驗指定值。緩慢加載的目的是使軸承充分跑合，避免加載過快而導致軸承燒傷。

軸承僅承受徑向載荷時，先啟動油泵電動機，軸承充分潤滑后，再啟動主電動機，將徑向載荷加至試驗指定值，停機時，先卸載荷，停主電動機再停油泵電動機。

軸承承受軸向載荷或聯合載荷時，先啟動油泵電動機，加少量軸向載荷（指定值的1／3～1／2），使軸承在受到徑向載荷作用時不致分離，軸承充分潤滑后，再啟動主電動機，將軸向載荷加至試驗指定值，再將徑向載荷加至試驗指定值。停機時，按相反順序進行，先卸徑向載荷，卸軸向載荷，停主電動機再停油泵電動機。

5.3.1.2 脂潤滑

脂潤滑試驗先空載運轉0.5 h，然后3 h內逐步加載至指定值。

脂潤滑試驗時，因運轉初期軸承溫升較高，經過一段時間運轉跑合勻脂后達到平衡，所以開始時要慢慢加載，并要密切關注軸承的溫升。

5.3.2 試驗過程監測

一般試驗要連續運行，隨時監測、控制軸承的載荷、轉速、油壓、振動、噪聲、溫升等參數在要求的范圍內，并要準確地詳細記錄，發現異常情況隨時停機。

5.4 失效的判定

滾動軸承在工作過程中，失去使用效能，導致故障或不能正常工作的現象，稱為失效。其中，接觸疲勞失效是滾動軸承主要的失效形式。

一套失效軸承樣品的套圈或滾動體工作表面基體金屬出現疲勞剝落，剝落深度超過0.05 mm，球軸承零件剝落面積超過0.5 mm2，滾子軸承零件剝落面積超過1.0 mm2時判定該軸承疲勞失效。

其他失效形式有：軸承樣品零件散套、斷裂、卡死；密封圈變形；潤滑脂泄漏、干結等。

5.5 試驗結束

5.5.1 試驗軸承

試驗結束軸承清洗防銹，入庫保存一定期限，以備用戶查詢。用戶有要求時，還可對典型失效樣品進行失效分析。

5.5.2 試驗數據與記錄

試驗原始記錄應包含足夠的信息，記錄數據要準確且應和軸承一一對應，記錄中停機原因和停機時間要標注清楚。試驗中由于設備原因、人為原因、意外事故等造成的非軸承本身質量原因的失效，不計入正常失效數據中。

記錄試驗軸承樣品的原始數據即試驗通過的總時間時，一般應精確到3位有效數字。

6 結束語

滾動軸承的壽命與可靠性試驗是考核滾動軸承質量的重要工作，試驗的成功與否直接關系到生產企業、用戶、第3方認證機構對軸承的驗收及考核，所以應按照一定的程序進行試驗。GB／T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》就是應嚴格遵照的統一規范。