軸承應用載荷和失效時間的推斷

魏珊

(洛陽軸承研究所有限公司, 河南 洛陽 471039)

壽命是軸承的重要指標之一，根據壽命選擇合適的軸承是確定軸承應用方案的重要理論依據。但軸承往往會提前失效，因此軸承失效時間、失效原因、失效后使用時間成為研究軸承提前失效的主要問題。對此有多種理論研究方法，如：基于概率統計和基于應力-壽命(S-N)曲線的疲勞壽命估計方法、基于斷裂力學的疲勞壽命預測方法、基于過程數據的疲勞壽命預測方法等，但這些方法都不夠完善。為了能夠在實際應用中對失效軸承的失效時間和應用載荷進行快速推斷，以某型壓縮機用角接觸球軸承7208B為例，闡述如何利用額定靜載荷分析其瞬間沖擊載荷引起軸承失效的載荷大??；并探討軸承運轉時間和疲勞點剝落進展的關系，及如何判斷軸承疲勞失效時間和載荷。

1 以靜載荷推斷失效軸承應用載荷

軸承選型時，要進行靜載荷校核以嚴格控制工作載荷遠低于額定靜載荷，確保其不會發生塑性變形。

某型壓縮機陽轉子排氣端分別采用3套7208B軸承和1套深溝球軸承承受軸向載荷和徑向載荷，運行中壓縮機出現液擊現象。為分析液擊力大小及發生液擊的時間，對軸承拆套檢查，發現鋼球和內外圈溝道上并無明顯剝落痕跡，但其中一粒鋼球上有凹坑。不同于圖1[1]所示凹坑，可推斷此凹坑應為壓縮機液擊所致，且液擊應在壓縮機停機前不久。液擊力為瞬間沖擊載荷，查樣本可知承受軸向載荷的7208B軸承額定靜載荷為23 500 N，因其已有塑性變形，其當量靜載荷應大于23 500 N。

圖1 凹坑形式

7208B軸承當量靜載荷為[1]

P0=F0r+0.52F0a,

(1)

式中:P0為聯合載荷下軸承當量靜載荷；F0r為徑向靜載荷，根據壓縮機結構，徑向不承載，F0r=0；F0a為軸向靜載荷。

由(1)式可推算出F0a=45 192 N。因3套軸承串聯配置，單套軸承所受軸向液擊力約為135 576 N，此液擊力是造成鋼球出現凹坑的原因。

2 軸承壽命計算

軸承選型時，要進行疲勞壽命校核。軸承額定疲勞壽命計算公式為

(2)

修正壽命計算式為

Lnm=a1aISOL10h,

(3)

式中:C為基本額定動載荷;P為當量動載荷; 對于球軸承,ε=3,對于滾子軸承,ε=10/3;n為轉速；a1為概率參數[2];aISO為考慮工況的壽命修正參數。

根據軸承使用情況,用L10h推算其失效時間比較直觀，但不準確；Lnm為修正壽命，其考慮了諸多因素，因為各參數很難用單一數學公式表示，因此推算失效時間相對比較困難。

Lnm是目前最科學的軸承壽命計算方法，因此，仍以7208B軸承為例，基于(2)式和(3)式對軸承疲勞失效進行計算，對其Lnm進行定性分析。

3 基于軸承壽命的應用載荷和時間關系

3.1 基于L10h的軸承疲勞失效分析

軸承運行時，其疲勞損傷程度與軸承承受的載荷、速度、潤滑和潤滑劑的清潔程度等有關，發生疲勞失效的一般規律為：載荷不大時，已有疲勞損傷的軸承，疲勞失效發生較慢；載荷較大的軸承，疲勞損傷發展很快，導致軸承失效；軸承剛發生疲勞損傷時，損傷發展較慢，一旦疲勞損傷達到一定程度，軸承將加速失效。

角接觸球軸承7208B內圈上疲勞損傷隨時間變化的關系如圖2[1]所示，其中百分數為從有疲勞損傷開始，間隔時間為L10h的3%左右。由圖可知，在相同時間間隔內疲勞損傷由小到大發展得越來越快。

圖2 疲勞剝落與時間發展的關系

該角接觸球軸承疲勞剝落隨時間變化如圖3所示[2]。在剝落出現的早期，剝落面積占滾道周向面積的比例都很小；當帶剝落的軸承運轉時間超過L10h的10%，軸承的剝落面積占溝道周向面積的比例會快速增大。

圖3 疲勞剝落程度與時間的統計圖

3.2 基于Lnm的軸承疲勞失效分析

該研究中時間間隔為L10h，即不考慮潤滑因素的時間間隔，而試驗軸承是有潤滑的。根據ISO/TS 16281—2008對軸承修正壽命的計算方法，其包含參數aISO?，F代軸承計算方法是將軸承沿滾動體方向切成若干微單元進行壽命計算，再綜合求出整個軸承的壽命。因此實際計算中，aISO指每個接觸微單元上的潤滑參數。對向心球軸承壽命的修正如圖4[2]所示。圖中，ec為污染系數；Cu為材料疲勞極限；P為當量動載荷；κ為黏度比。

圖4 aISO對軸承修正壽命影響圖

由圖可知，一旦有疲勞剝落發生，剝落發展會越來越快。其中一個因素是其內部潤滑環境被破壞，潤滑油中有污染顆粒，且顆粒物越來越多，潤滑清潔度越來越差，ec越小aISO值減小，即軸承剩余壽命快速變短。

3.3 疲勞軸承的當量動載荷和疲勞時間估計

有時候軸承實際使用壽命可能已包含了一部分軸承有疲勞損傷的情況，只是此時軸承的運轉尚未影響到設備的運行精度，可以保證在設備停機檢修時再更換軸承。對這類軸承疲勞開始時間的估計，可以先從軸承的載荷大小進行判斷，若工作載荷較大，疲勞剝落不嚴重，就可以認為軸承更換時間即為軸承疲勞剝落的起始點，此時根據L10h計算式可推算出失效軸承承受的當量動載荷。

4 結束語

對已失效軸承，推斷軸承承受的實際載荷和運行時間是一個很復雜的工作，必須要對軸承型號、軸承特性、設備情況進行全面了解，才能保證做出正確的估算。文中僅從一個方面進行了論述，在實際檢測軸承時，軸承破壞不僅僅是軸承滾道或滾動體剝落的單一損傷，需要從發現的各種癥狀中綜合判斷軸承已使用的情況。