軸承滾子四線摩擦副滾動接觸疲勞壽命試驗臺架設計

張劍，劉蕾，陳曉陽

(上海大學 機械自動化系，上海 200072)

軸承滾子的接觸疲勞壽命是在標準工況條件下評價軸承材料性能和加工工藝優劣的主要手段之一。目前用來考核滾子滾動疲勞壽命的試驗機主要有推力盤試驗機[1]和三滾子試驗機[2-3]。推力盤是二線摩擦副接觸;三滾子試驗機是三線摩擦副接觸，但其受力點在幾何上不對稱，接觸線間的速度關系不恒定，所以試驗滾子與陪試滾子之間存在滾滑狀態，這會降低滾子的接觸疲勞壽命，導致測試結果的不確定性[4]。

現研制了四線摩擦副接觸式純滾動強化疲勞壽命試驗機，其克服了傳統試驗機的缺點，可用于各種材料的接觸疲勞壽命測試，為滾子的機械物理性能客觀評定、軸承滾子的優化設計提供可靠的試驗手段。

1 試驗機總體設計

通常要求滾動接觸疲勞壽命試驗機具有一些特殊的性能，以達到對滾動疲勞壽命較精確的測量。每次試驗時試驗機都要作長時間的運轉，這就要求試驗機在無人監控時，其試驗參數(如載荷、速度等)不會發生變化；由于試驗機系統的一些基本零部件及加載機構同樣存在破壞的問題，因此要求這些零部件及加載機構的壽命要比試驗樣品的壽命高出許多倍，以保證試驗能夠順利完成；此外，試驗機應易于保養，能夠長期可靠、高效地運行，以保證試驗結果的一致性。新型高效滾子四線摩擦副滾動接觸疲勞壽命試驗機結構簡圖如圖1所示，試驗機主要包括主動裝置、從動裝置和加載裝置3部分。

1—加速度傳感器；2—熱電偶溫度傳感器；3—加載輪；4—驅動輪；5—陪試滾子；6—試驗滾子；7—支承輪；8—接近開關；9—加載彈簧

2 試驗機的工作原理

滾動接觸疲勞壽命受到諸多因素(材料性能、加工工藝、尺寸精度、使用工況等)的影響。因此從研究滾動接觸疲勞強度入手，強化主要的試驗條件并弱化次要因素，以最大限度地減少這些因素的交叉耦合作用[5]，故單獨設計針對軸承單個滾子為研究對象的疲勞試驗臺架，可以排除內、外圈及保持架等因素的影響。

如圖2所示，采用4個相同的滾子作為陪試滾子，4個陪試滾子精確定位，以避免四線接觸受力不均。試驗滾子處于4個陪試滾子的幾何中心，載荷通過陪試滾子傳遞到試驗滾子上。試驗滾子與陪試滾子的4條接觸線上的接觸應力相等，解決了接觸線少、各接觸線受力不均的缺點。

1—加載桿；2—加載輪；3，9—驅動輪；4，5，7，8—陪試滾子；6—試驗滾子；10—支承輪

被試滾子素線上受力，與陪試滾子之間為滾動接觸，每轉1周受到4次循環載荷作用，且4條接觸線所受力與接觸應力相等。陪試滾子由驅動輪和支承輪支承。彈簧載荷被杠桿機構放大后通過加載輪作用于陪試滾子，間接地作用于被試滾子。電動機通過同步帶驅動2根驅動輪軸，帶動陪試滾子轉動，從而間接驅動被試滾子轉動。

加速度傳感器直接安裝在上殼體上，以測試振動值；而被試滾子與陪試滾子間拋出的潤滑油的溫度由熱電偶傳感器測量，潤滑油壓力由壓力表測量；計數器用來測量驅動輪軸的轉數，然后換算成被試滾子的轉數，以計算其應力循環次數。

當被試滾子或相關滾動件出現疲勞破壞時，振動值和溫升值都會增大，當振動輸出電壓值增大至預定值，或溫升達到設定值時，試驗機測控系統會立即終止試驗。

在加速試驗中，該試驗裝置采用高速(22 500 r/min)、重載(最大接觸應力達到4 GPa)能夠在短暫的時間內完成試驗(對于107的循環周期來說，試驗時間t=107/22 500×4=110 min)。

3 試驗滾子的受力分析

根據彈性接觸理論，理想線接觸時接觸區域寬度方向上的壓力服從半橢圓分布，如圖3所示壓力分布函數為[6]

(1)

最大接觸應力為

(2)

(3)

式中：l為滾子有效長度；Q為接觸載荷；b為接觸橢圓短半軸；∑ρ為曲率和；E′為綜合彈性模量。

圖3 試驗滾子的理想受力模型

當滾子全長進入接觸時，接觸區域半長為

a=l/2 。

(4)

理想線接觸時的接觸區域長寬比為

(5)

對于鋼制滾子，根據以上線接觸最大接觸應力推導出計算公式為

(6)

(7)

從而可計算出不同規格試驗滾子為達到相應接觸應力所需的載荷，如圖4所示。

圖4 不同規格試驗滾子的載荷變化曲線

4 設計中的關鍵問題

設計時充分考慮滾子的特性，同時還應使測試結果能說明問題，這就要求解決3個關鍵問題。

(1)較高的測試效率。主要措施有：提高轉速；加大載荷；增加應力循環次數。

(2)純滾動。伴隨滑動的滾動接觸會降低疲勞壽命,導致測試結果的不確定性。主要措施：使用2個驅動輪同時帶動滾子轉動，避免試驗滾子與陪試滾子之間的滑動。

(3)保證各接觸線上的最大接觸應力相等。關鍵是確保試驗滾子在一定的直徑變化范圍內，每轉1周受4次等強度循環接觸載荷作用。主要措施：在兩邊驅動輪軸承安裝座內設計偏心套以調節陪試滾子的幾何位置，即使更換不同直徑的試驗滾子，其都將處在4個陪試滾子的幾何中心位置。

加載輪、驅動輪、支承輪、陪試滾子的尺寸固定不變，其中2個驅動輪的中心距離固定不變，支承輪和加載輪的距離可以微調，通過更換其中的偏心套就可以調整支承輪和加載輪的距離，隨著試驗滾子尺寸的改變，需要調整支承輪和加載輪的距離。研制的試驗機可測試的滾子樣品直徑范圍為Φ8～12 mm，如要測試其他尺寸的滾子樣品，只須按照方案圖同比例放大或縮小尺寸，相當于同比例改變加載輪、驅動輪、支承輪、陪試滾子的尺寸，以適合測試不同尺寸范圍的滾子樣品。

5 結束語

(1)單獨對滾子進行疲勞壽命試驗可以剔除軸承內眾多因素的相互影響，能夠可靠地驗證滾子的疲勞壽命，可以更好地分析滾子的失效原因。

(2)新研制的軸承滾子四線摩擦副滾動接觸疲勞壽命試驗機，是一種四線接觸、高速、重載滾子疲勞壽命試驗機，有效地克服了傳統試驗機的缺點，結構簡單、實用性強、可靠性高，可用于評定各種材料的滾動接觸疲勞性能。

(3)該試驗機可測試的滾子樣品直徑范圍為Φ8～12 mm，其可使滾子轉速達到22 500 r/min，最大接觸應力達到4 GPa，若循環次數為107次，試驗僅需110 min。