基于變載荷的滾動軸承疲勞壽命強化試驗

孫守林，張世飛，董惠敏，毛范海，王德倫

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

滾動軸承疲勞壽命試驗是檢驗和判斷軸承壽命與可靠性的重要手段。隨著軸承冶煉水平和工藝水平的進步，軸承的使用壽命越來越長，使傳統軸承疲勞壽命試驗時間和試驗成本增加。為了縮短試驗周期、降低試驗成本，在不改變軸承的失效機理前提下，需要對軸承進行疲勞壽命強化試驗。

文獻[1-2]從理論的角度論述了軸承疲勞壽命強化試驗，包括加速應力類型、加速模型、應力水平、數據處理等要素的確定原則和方法，并針對特定工作狀態下的軸承設計了強化試驗方案。文獻[3-5]對軸承進行疲勞壽命強化試驗，通過對試驗結果的分析，驗證了強化試驗方案的合理性和有效性。但以上研究中，試驗載荷都是常載，不能反映軸承在特定工作條件下所承受的原始工作載荷。研究表明，多工況8級試驗載荷譜既保留了原始工作載荷的母體特性，又可實現試驗加載[6]。因此，下文采用多工況8級試驗載荷譜作為試驗載荷進行軸承疲勞壽命強化試驗，并對試驗結果進行分析，為今后進行基于變載荷的軸承疲勞壽命強化試驗提供參考。

1 原始工作載荷處理

軸承所承受的原始工作載荷隨機性強、工況復雜，不便直接進行疲勞壽命試驗，需要對其進行編譜和強化處理。

1.1 等效載荷

根據線性損傷累積理論，多工況8級試驗載荷譜的等效載荷為

(1)

式中：Pi為各級載荷值；ni為與Pi對應的載荷循環次數；Nm為載荷循環次數；ε為指數，球軸承取3，滾子軸承取10/3；下標i為載荷譜級數，i=1,2, 3,…,8。

1.2 原始工作載荷編譜

原始工作載荷編譜方法的核心為運用雨流計數法對原始工作載荷進行統計，得到載荷均值與幅值的復合概率分布特性，從而獲取原始載荷的母體特性，然后基于復合概率分布特性編制原始工作載荷的多工況8級試驗載荷譜[6]。原始工作載荷與多工況8級試驗載荷譜分別如圖1和圖2所示。

圖1 原始工作載荷

圖2 多工況8級試驗載荷譜

1.3 載荷譜強化

強化后的載荷譜作為試驗載荷直接加載到滾動軸承疲勞壽命試驗機上。載荷譜強化需要遵循以下原則：

1)載荷譜的最大值不應超過試驗機本身的載荷條件；

2)載荷譜的最大值盡量控制在軸承額定動載荷C以內；

3)載荷譜的等效載荷值應為(0.3～0.4)C，以減少試驗時間，但不宜過大，防止試驗軸承出現塑性變形。

2 強化試驗

2.1 試驗樣品

考慮試驗機的條件和試驗成本，選取某公司生產的6012型深溝球軸承，其基本參數見表1。共進行4組試驗，每組試驗軸承樣本數為16套，此外，每組增加4套備用軸承，補充非疲勞失效損耗。

表1 6012型深溝球軸承基本參數

2.2 疲勞壽命強化試驗條件

1)試驗機型號為T20-60nF。

2)試驗轉速為4 000 r/min。

3)試驗載荷。進行1組常載和3組變載強化試驗，常載試驗的載荷值與變載試驗的等效載荷值相等。根據載荷譜強化原則，確定常載的試驗載荷和8級載荷譜的等效載荷為0.4C，即12 kN，變載試驗載荷見表2。

表2 變載試驗載荷

4)載荷譜加載方式。根據疲勞損傷累積的特點，加載次序為小→大→小，一個循環結束后重復加載, 直至軸承失效，加載方式如圖3所示。

圖3 試驗載荷譜加載方式

5)試驗時間。試驗采用定時截尾，截尾時間L為基本額定壽命L10h的4倍，基本額定壽命L10h為

(2)

式中：P為當量動載荷；n為試驗轉速。代入數據可得L=260.4 h(62.5×106r)。

6)潤滑條件。采用油潤滑，選用符合SH/T 0017—1990《軸承油》的HMC型32油；潤滑油需過濾，污染物顆粒控制在10 μm以下。

7)溫度條件。采用循環水冷卻，試驗軸承外圈溫度要保持在95 ℃以下。

3 疲勞壽命試驗及結果分析

3.1 試驗數據

根據軸承疲勞壽命強化試驗方案進行試驗，得到常載和變載條件下共4組原始試驗數據，見表3。

表3 原始試驗數據

若通過試驗得到的疲勞壽命試驗的樣本數為N，截尾失效數為r，則對r個失效軸承的試驗壽命從小到大排序，軸承序號為j，得次序統計量

L1≤L2…≤Lj≤…≤Lr，

(3)

與壽命Lj對應的失效概率Pj為

(4)

失效軸承的壽命及其失效概率見表4。

表4 失效軸承試驗數據及最佳線性不變估計系數

3.2 數據處理

3.2.1 Weibull分布

假設在正常應力水平下軸承疲勞壽命服從Weibull分布[8]，其分布函數為

(5)

式中：b為Weibull分布形狀參數；v為Weibull分布的尺寸參數；L為軸承壽命。

假設表明，應力水平的改變不會影響軸承疲勞壽命分布類型，只有當其超出一定范圍并改變軸承的失效機理時，疲勞壽命分布類型才會改變。強化壽命試驗不改變軸承的失效機理，其可以由形狀參數b定量反映出來[3]。

3.2.2 參數估計

在截尾試驗情況下，Weibull分布參數的估計方法有十余種[8]，其中，最佳線性不變估計適用于樣本容量N≤25的參數估計[9-10]，其精度較高，計算簡便。因此，根據試驗特征及軸承樣本數，選用最佳線性不變估計。

根據失效軸承疲勞壽命試驗數據可構造統計量

(6)

式中：CI(N,r,j)和DI(N,r,j)為最佳線性不變估計系數，其值查表可得[11]。

形狀參數和尺寸參數最佳線性不變估計為

(7)

3.2.3 試驗軸承可靠性指標

由Weibull分布可以推導出試驗軸承的可靠度Re、基本額定壽命試驗值L10t、中值額定壽命試驗值L50t。

當L=L10h時，可靠度為

(8)

當F(L)=0.10時，基本額定壽命試驗值為

(9)

當F(L)=0.50時，中值額定壽命試驗值為

(10)

4組軸承試驗數據的處理結果見表5。

表5 數據處理結果

3.3 試驗結果分析

4組軸承疲勞壽命試驗數據分布及其擬合曲線如圖4所示。由圖可知，試驗數據均勻分布在擬合曲線的周圍，說明試驗數據的處理方法是正確的。

圖4 試驗數據分布圖及其擬合曲線

研究表明，大多數軸承疲勞失效后形狀參數b分布在1.5左右[5]。以上試驗中的4組數據的形狀參數b的波動范圍為1.3～2.0，可以認為4組試驗數據的形狀參數大致相同，且強化試驗沒有改變軸承的失效機理，軸承發生了疲勞失效。在載荷譜作用下，試驗軸承的失效概率分布曲線如圖5所示。由圖可知，曲線左移并且變得陡峭，載荷譜只是加速軸承的疲勞失效，說明文中基于變載荷的軸承疲勞壽命強化試驗方案是合理的。

圖5 軸承失效概率分布圖

4 結束語

將強化后的載荷譜作為試驗載荷，設計了軸承疲勞壽命強化試驗方案，確定了小樣本試驗數據的處理方法，疲勞壽命試驗數據的形狀參數在1.5左右波動，表明強化試驗沒有改變軸承的失效機理，軸承只是發生了疲勞失效，證明了強化試驗方案及其數據處理方法的合理性，為今后進行基于變載荷的軸承疲勞壽命強化試驗及其數據處理研究提供借鑒。