機械載荷下陶瓷軸承磨損機理分析與壽命預測模型構建

1前言

隨著科技進步，機械設備朝著高速、重載、高精度方向發展，對軸承性能提出了更高要求。陶瓷軸承憑借高硬度、低密度、良好的化學穩定性及耐高溫等特性，在航空航天、汽車制造、高端裝備等領域展現出獨特優勢。但在實際運行中，機械載荷復雜多變，陶瓷軸承易出現磨損問題，導致設備故障頻發，維護成本增加。深入探究其磨損機理，構建精準壽命預測模型，對保障設備穩定運行、延長軸承使用壽命、提高工業生產效率具有迫切且重要的現實意義。

2機械載荷下陶瓷軸承磨損機理分析

2.1磨損行為與失效模式

在機械載荷的持續作用下，陶瓷軸承呈現出多種典型的失效形式，嚴重影響其正常運行與使用壽命，以下從表面剝落、裂紋擴展、材料轉移三個方面詳細闡述。

表面剝落是陶瓷軸承較為常見的失效形式之一。當軸承運轉時，承受過高的接觸應力，在接觸區域便會出現應力集中現象。在高應力集中狀態下，陶瓷材料局部強度難以承受，進而引發塑性變形。隨著時間推移，塑性變形不斷累積，表面材料內部形成微裂紋。這些微裂紋逐步擴展、連接，最終導致表面材料以小塊狀剝落。例如，在高速旋轉且重載的工況中，頻繁的啟動與停止會使接觸應力反復變化，加劇應力集中，極大地提高表面剝落發生的概率，致使軸承表面完整性遭到破壞，影響其精度與穩定性。

裂紋擴展同樣是重要的失效形式。陶瓷材料內部不可避免地存在缺陷，如氣孔、夾雜等，同時在加工過程中也會產生殘余應力。在機械載荷的循環作用下，這些初始微小裂紋成為裂紋擴展的源頭。裂紋的擴展行為與載荷的幅值和頻率緊密相關。高幅值載荷會顯著增大應力強度因子范圍，為裂紋擴展提供強大驅動力，促使裂紋快速擴展。而高頻載荷使得材料在短時間內承受多次循環加載，加速裂紋的萌生與擴展進程。在航空發動機的陶瓷軸承中，高溫、高轉速以及高載荷的極端運行條件下，裂紋擴展引發失效的風險尤為顯著，一旦裂紋擴展至臨界尺寸，軸承將迅速失效，嚴重危及設備安全運行。

材料轉移也是一種失效形式。在陶瓷軸承的運轉過程中，摩擦作用促使一部分陶瓷材料在軸承表面與接觸部件之間相互轉移，這構成了一種獨特的失效形式。這種材料轉移會對軸承表面特性產生深刻影響。從表面粗糙度角度看，材料的轉移改變了原本光滑的表面形貌，導致粗糙度增加。而從化學成分方面來看，轉移的材料會改變軸承表面的化學組成。在材料轉移過程中，磨損系數受到表面粗糙度和化學反應性等因素影響而發生變化。材料轉移致使軸承表面粗糙度與化學成分改變，進而惡化其摩擦性能，增加摩擦系數，加劇磨損程度，最終嚴重縮短軸承的使用壽命。

載荷參數對磨損演化有著至關重要的影響。載荷幅值的增加會直接增大接觸應力，使得陶瓷材料更容易發生塑性變形和疲勞損傷，從而加快磨損速率。當載荷幅值超過一定閾值時，磨損率可能會急劇上升。載荷頻率的變化也會對磨損產生影響。較高的頻率會使材料在短時間內承受多次循環載荷，加速疲旁裂紋的萌生和擴展，導致磨損加劇。接觸應力的分布不均會造成軸承局部磨損嚴重，如在軸承的邊緣區域，接觸應力集中，往往是磨損的高發部位。

2.2多尺度磨損機理

從微觀層面來看，陶瓷材料的磨損涉及到復雜的機制。位錯滑移是其中之一，當陶瓷材料受到外力作用時，內部的位錯會發生移動。在機械載荷下，位錯的滑移會導致材料內部的晶格結構發生變化，進而影響材料的強度和硬度。隨著位錯的不斷滑移和聚集，可能會引發晶界的斷裂。晶界是陶瓷材料中較為薄弱的區域，晶界斷裂會產生微小的磨屑。這些磨屑在后續的摩擦過程中，又會作為磨粒進一步加劇材料的磨損。

在宏觀層面，摩擦副接觸區的溫度場和應力場與磨損率密切相關。摩擦生熱會使接觸區域的溫度升高，高溫會降低陶瓷材料的強度，使其更容易發生磨損。同時，溫度的不均勻分布會導致熱應力的產生，進一步加劇材料的損傷。應力場的分布決定了材料所承受的載荷大小和分布情況，高應力區域容易發生塑性變形和疲勞損傷，從而導致磨損率增加。

環境因素在陶瓷軸承的磨損過程中也起著協同作用。潤滑狀態對磨損有著顯著影響，良好的潤滑可以減少摩擦系數，降低磨損率。而潤滑不良則會使陶瓷軸承直接接觸，加劇磨損。溫度的變化會影響陶瓷材料的性能，高溫可能導致材料軟化，低溫則可能使其變脆，都不利于軸承的耐磨性能。腐蝕介質的存在會使陶瓷材料發生化學腐蝕，削弱材料的強度，與機械磨損相互作用，加速軸承的失效。

3壽命預測模型構建

3.1理論模型基礎

構建陶瓷軸承壽命預測模型時，可先將接觸力學理論作為基石。Hertz接觸理論描述了兩彈性體接觸時的應力分布，為確定軸承接觸區應力提供依據。材料疲勞損傷理論中，Miner線性累積法則假設疲勞損傷可線性累加，依此能計算循環載荷下材料損傷程度。斷裂力學理論則針對陶瓷材料裂紋擴展行為，Paris公式可量化裂紋擴展速率與應力強度因子間關系。這些理論相互結合，為壽命預測模型搭建起理論架構4。

3.2磨損-疲勞耦合模型

在構建陶瓷軸承壽命預測模型時，要充分考量其實際工況，將磨損與疲勞這兩種損傷機制有機耦合。在實際運轉中，陶瓷軸承所處工況極為復雜，機械載荷頻繁波動，工作溫度也會出現變化。

從磨損角度來看，隨著運轉時間增加，軸承表面因摩擦等作用而產生磨損。依據Archard磨損定律，磨損深度 h 的計算式為 ，其中 k 為磨損系數，與材料特性、潤滑條件相關；F是作用在接觸面上的法向載荷；L為滑動距離；H為材料硬度。當磨損發生時，軸承表面粗糙度改變，原本均勻分布的接觸應力會重新分配。依據接觸力學原理，表面粗糙度的變化會影響接觸面積A，進而影響接觸應力 。 粗糙度增加時，實際接觸面積減小，接觸應力增大，加速疲勞損傷。

疲勞損傷對磨損進程也有顯著影響。疲勞裂紋一旦擴展，會改變材料表面形態。Paris公式描述了疲勞裂紋擴展速率da 這里 是每循環裂紋擴展量，C，m 是材料常數， 為應力強度因子范圍，與載荷及裂紋幾何形狀有關。隨著裂紋擴展，材料表面出現剝落、坑洼等缺陷，這些缺陷在后續運轉中會充當磨粒，改變磨損路徑，影響磨損系數K，使磨損過程更為復雜。

為量化磨損與疲勞的相互作用，可引入關聯方程。例如，將Archard磨損定律中的磨損深度 h 與Paris公式中的裂紋擴展速率 關聯起來。假設磨損深度與裂紋擴展速率存在函數關系 da）=0，通過實驗數據擬合等方式確定該函數具體形式。在機械載荷下，隨著時間推移，磨損深度增加，依據關聯方程，會促使疲勞裂紋擴展速率加快；反之，疲勞裂紋擴展導致的表面形態變化，也會依據函數關系，反饋到磨損深度的變化上，兩者協同致使軸承性能持續退化。這樣構建的磨損－疲勞耦合模型，能更精準地模擬陶瓷軸承在實際工況下的性能演變，為壽命預測提供更可靠依據。

3.3模型參數標定與驗證

為使構建的模型具有實際應用價值，需對參數進行標定。以下篩選出陶瓷材料硬度、斷裂韌性以及摩擦系數等對模型精度起關鍵作用的參數。

測定陶瓷材料硬度H時，常用布氏硬度測試法。其原理是將直徑為D的硬質合金壓頭，以規定試驗力F壓入試樣表面，保持規定時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑d。依據布氏硬度計算公式 ，可得出材料的布氏硬度值。

斷裂韌性的測定多采用單邊切口梁法。對于矩形截面的陶瓷試樣，其斷裂韌性 計算公式為 ，其中 為試樣斷裂時承受的最大載荷，S為跨距，B為試樣寬度，W為試樣高度，a為預制裂紋長度， 是與裂紋相對長度有關的函數。

摩擦系數 μ 通過摩擦實驗測定，在常見的球－盤摩擦實驗裝置中，盤狀試樣固定，球狀試樣在其表面做往復滑動。依據摩擦力 與法向載荷 關系 u=fF計算摩擦系數（相關實驗數據見表1）。

獲取上述參數后，將模型預測結果與加速壽命試驗數據對比驗證。在加速壽命試驗中，通過提高載荷、溫度等應力水平縮短試驗周期。假設以提高 30% 的載荷作為加速應力對一批陶瓷軸承進行試驗。模型預測某型號陶瓷軸承在該加速應力下的壽命為 ，而實際加速壽命試驗測得的壽命為 。采用相對誤差公式 Δ= ，計算兩者偏差，可得 500-480{480}＼times$ 100%≈4.2% 。一般工程應用中，設定可接受誤差范圍為 ±10% ，本次模型預測與實驗結果偏差在可接受范圍內，表明模型具有一定合理性。若偏差超出此范圍，則需對模型參數重新優化調整，或對模型結構進行改進，直至模型預測與實驗結果相符，保障模型對陶瓷軸承壽命預測的準確性。

4結論

總之，本文系統研究了機械載荷下陶瓷軸承的磨損機理，構建并驗證了壽命預測模型。明確了多種失效模式及多尺度磨損機制，載荷參數、微觀位錯滑移、宏觀應力溫度場及環境因素協同影響磨損進程。所建耦合模型能較好模擬實際工況下軸承性能演變，經參數標定與驗證，模型預測結果與實驗數據偏差在可接受范圍，具備一定工程應用價值。然而，實際工況更為復雜，多場耦合、隨機載荷等因素對模型精度的影響尚需深人研究。未來，可結合機器學習等新興技術，進一步優化模型，提升其對復雜工況的適應性與預測準確性，推動陶瓷軸承在更多領域的廣泛應用。

參考文獻

[1]孟博，馬廉潔，陳景強，等.氧化鋁陶瓷在腐蝕環境下的摩擦磨損性能[J].軸承，2021（02）：19-23.

[2]李頌華，隋陽宏，孫健，等.干摩擦工況下Si3N4/PTFE配副材料摩擦磨損特性與轉移膜形成分析[J].潤滑與密封，2022，47（01）：53-59.

[3]李云鶴，譚雁清，馬廉潔，等.陶瓷滑動軸承磨損可靠性建模及仿真分析[J].潤滑與密封，2023，48（07）：167-171.

[4]魏萬鑫，蘇云峰，樊恒中，等.氮化硅陶瓷軸承球的滾動摩擦磨損特性與損傷行為[J].摩擦學學報（中英文），2024，44（09）：1256-1265.

[5]丁明瑞，陳志雄.油潤滑條件下Si3N4-GCr15滑動磨損失效機理研究[J].農業裝備與車輛工程，2023，61（02）：74-79.