污染潤(rùn)滑條件下深溝球軸承疲勞壽命的試驗(yàn)分析

李喜軍，郭長(zhǎng)建，代現(xiàn)合

(人本集團(tuán) 技術(shù)中心，上海 201411)

潤(rùn)滑對(duì)軸承壽命影響很大，潤(rùn)滑條件的優(yōu)劣直接影響到軸承使用性能。為了更好地界定軸承在不同工況條件下的壽命，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了系數(shù)aiso加以修正。但軸承工作環(huán)境復(fù)雜，大多數(shù)情況下會(huì)受到潤(rùn)滑油污染物即雜質(zhì)的影響，導(dǎo)致壽命急速下降，甚至失效。為了減小雜質(zhì)對(duì)軸承壽命的影響，開式軸承加密封、內(nèi)圈特殊表面氮化處理、貝氏體淬火、提高鋼材質(zhì)量及控制表層殘余奧氏體含量等措施已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。分析了不同狀態(tài)軸承(即開/閉式及內(nèi)圈特殊表面是否進(jìn)行氮化處理)的壽命系數(shù)規(guī)律，為軸承在油污領(lǐng)域中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 完全疲勞壽命試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為某公司提供的6312深溝球軸承(開/閉式及內(nèi)圈特殊表面氮化處理和未氮化處理)。

1.2 試驗(yàn)條件及其合理性驗(yàn)證

1.2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件見表1。將開式+內(nèi)圈特殊表面未氮化處理、開式+內(nèi)圈特殊表面氮化處理、密封+內(nèi)圈特殊表面未氮化處理和密封+內(nèi)圈特殊表面氮化處理(下分別稱A，B，C，D狀態(tài))軸承各取6套，在相同的試驗(yàn)條件下分別進(jìn)行完全疲勞壽命試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)條件

1.2.2 合理性驗(yàn)證

(1) 接觸應(yīng)力。為確保軸承在承受試驗(yàn)載荷條件下溝道處的接觸應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，利用文獻(xiàn)[1]計(jì)算方法對(duì)該軸承進(jìn)行了驗(yàn)證，其計(jì)算式為

(1)

式中：pmax為最大Hertz接觸應(yīng)力，MPa；ea，eb為由兩物體接觸區(qū)尺寸決定的系數(shù)；εE為與兩物體材料彈性模量有關(guān)的系數(shù)；∑ρ為兩接觸物體的主曲率之和；Q為載荷，N。

經(jīng)運(yùn)算，內(nèi)、外圈的最大Hertz接觸應(yīng)力分別為2 968.2 MPa和2 663.2 MPa，均在該類軸承額定靜載荷規(guī)定的應(yīng)力范圍4 200 MPa之內(nèi)，故該試驗(yàn)載荷不會(huì)導(dǎo)致鋼球接觸處塑性變形過大的問題。

(2)極限軸向承載。軸承在過大軸向試驗(yàn)載荷條件下，鋼球會(huì)爬越內(nèi)、外圈溝道擋肩發(fā)生失效，為確保鋼球不爬越擋肩，利用文獻(xiàn)[1]對(duì)軸承極限軸向載荷進(jìn)行驗(yàn)證，其計(jì)算式為

(2)

式中：FaL為極限軸向載荷，N；fm為平均溝道曲率半徑比；c為接觸變形系數(shù)；α為原始接觸角，(°)；α′為載荷作用下產(chǎn)生的接觸角，(°)；Z為鋼球數(shù)；Dw為鋼球直徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，內(nèi)、外圈的極限軸向載荷分別為42 883.7 N和65 706.2 N，均大于軸承實(shí)際所受軸向載荷16 100 N，故該試驗(yàn)載荷不會(huì)導(dǎo)致鋼球發(fā)生爬越擋肩的現(xiàn)象。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)主軸中間2套軸承為陪試軸承，兩端為被試軸承。陪試軸承和被試軸承之間設(shè)有模擬齒輪，其作用是在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)攪動(dòng)潤(rùn)滑油，防止?jié)櫥椭械碾s質(zhì)沉積在箱體底部，以充分模擬實(shí)際軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油污染的工況。

圖1 試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命 h

存活概率S為0.4

(3)

式中：S為存活概率，即達(dá)到或超過Ls壽命的軸承相對(duì)數(shù)量；Ls為與S相對(duì)應(yīng)的軸承壽命；e為Weibull分布斜率；A為常數(shù)。

對(duì)A，B，C，D狀態(tài)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)做Weibull計(jì)算分析處理，圖2所示為數(shù)據(jù)分析結(jié)果曲線圖(95%置信區(qū)間)。由該曲線圖通過計(jì)算分析可得，該軸承在失效率為10%條件下的試驗(yàn)壽命B10和B10/L10壽命系數(shù)a見表3。

圖2 不同狀態(tài)軸承壽命Weibull曲線圖

表3 軸承壽命系數(shù)

從表3中可以看出，A狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命僅為理論壽命的0.32倍，修正后為0.3倍；B狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命僅為理論壽命的0.6倍，修正后為0.6倍；C狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命為理論壽命的1.45倍，修正后為1.5倍；D狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命為理論壽命的2.92倍，修正后為3倍。此外，從表中數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)：B狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命約為A狀態(tài)軸承的2倍，D狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命也約為C狀態(tài)軸承的2倍；C狀態(tài)軸承試驗(yàn)壽命約為A狀態(tài)軸承的5倍，D狀態(tài)軸承的試驗(yàn)壽命也約為B狀態(tài)軸承的5倍。

由以上數(shù)據(jù)分析可知：在潤(rùn)滑油污染狀況相同的情況下，同為開式或閉式時(shí)，內(nèi)圈特殊表面氮化處理的軸承壽命比未氮化處理的提高約1倍；相同熱處理?xiàng)l件下，閉式軸承的壽命比開式軸承提高約4倍。由此可見，潤(rùn)滑油中的污染物對(duì)軸承壽命影響巨大，同時(shí)密封件對(duì)提高軸承的壽命影響也較大，所以在計(jì)算考慮污染工況條件下的軸承壽命時(shí)，必須利用壽命系數(shù)加以修正。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過試驗(yàn)得到的4種狀態(tài)下軸承的壽命系數(shù)符合其實(shí)際使用工況，該系列壽命系數(shù)經(jīng)過后期較長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，均維持在計(jì)算數(shù)值范圍內(nèi)，并且用該壽命系數(shù)在計(jì)算壽命時(shí)得到了客戶廣泛的認(rèn)可，為國(guó)內(nèi)深溝球軸承在潤(rùn)滑油污染工況下的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。