高速重載特大型軸承可靠性試驗(yàn)方案探討

1 引 言

高速重載特大型軸承是某型主機(jī)的重要承載部件，它的性能和可靠性對(duì)整個(gè)主機(jī)的性能和可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，一旦發(fā)生故障會(huì)嚴(yán)重影響主機(jī)的使用，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

高速重載特大型軸承是一種高轉(zhuǎn)速、重載荷和大規(guī)格的特種滾動(dòng)軸承，其使用工況十分惡劣，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有與某型主機(jī)相配套的標(biāo)準(zhǔn)軸承和軸承試驗(yàn)機(jī)。為此，需要針對(duì)某型主機(jī)的實(shí)際使用工況，研制高速重載特大型軸承和與之相適應(yīng)的軸承試驗(yàn)機(jī)，對(duì)軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)研究。

2 軸承壽命預(yù)測(cè)

軸承壽命預(yù)測(cè)方法受諸多因素的影響，如何科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)軸承壽命一直是科研人員關(guān)心又難以解決的難題。隨著科技進(jìn)步與人類認(rèn)識(shí)的深入，軸承壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果也越來(lái)越精確。盡管如此，軸承壽命的預(yù)測(cè)仍存在很多不確定性。

根據(jù)某型主機(jī)的使用特點(diǎn)，高速重載特大型軸承具有瞬間起動(dòng)，速度載荷迅速達(dá)到最大值和突然停止的工況特點(diǎn)，軸承理想的載荷譜和轉(zhuǎn)速譜如圖1所示。其中，T為一次使用的工作周期，T間為兩次間隔時(shí)間，nmax和Pmax分別為最大工作轉(zhuǎn)速和最大工作載荷。

圖1 軸承理想的載荷譜和轉(zhuǎn)速譜

在實(shí)際使用中，高速重載特大型軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷和最大工作轉(zhuǎn)速都很高，并且軸承運(yùn)行過(guò)程中承受很大的沖擊載荷，大大增加了精確預(yù)測(cè)軸承壽命的難度。

根據(jù)Lundberg-Palmgren壽命理論、Ioannides-Harrix壽命理論和最新的Tallian壽命理論以及相對(duì)應(yīng)的軸承壽命預(yù)測(cè)模型[1-3]，結(jié)合軸承材料、冶煉方法、制造精度、表面缺陷、應(yīng)力場(chǎng)特征、潤(rùn)滑類型、使用環(huán)境和維護(hù)保養(yǎng)狀況等多種因素，工程上提出了多種軸承壽命計(jì)算公式。

1) 滾動(dòng)軸承基本壽命計(jì)算公式：

2) 1971年ISO額定壽命的修正公式：

3) 瑞典SKF公司額定壽命的修正公式：

4) 1990年ISO281額定壽命的修正公式[4]：

5) 德國(guó)FAG公司額定壽命的修正公式：

上述公式中，L為軸承壽命；C為基本額定動(dòng)載荷；P為當(dāng)量動(dòng)載荷；ε為壽命指數(shù)；a1為可靠性修正系數(shù)；a2為材料系數(shù)；a3為使用條件系數(shù)；aSKF為壽命調(diào)整系數(shù)；axyz為壽命修正系數(shù)；Cg為幾何系數(shù)；Cl為載荷系數(shù)；Cs為速度系數(shù)；Cv為粘度系數(shù)；Cgr為脂潤(rùn)滑系數(shù)。

無(wú)論采用何種軸承壽命公式，載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)軸承的壽命都有很大影響。當(dāng)載荷過(guò)大時(shí),會(huì)在滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)產(chǎn)生永久變形或應(yīng)力集中，使軸承壽命降低；當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，溫升顯著提高，打滑加劇，則會(huì)使軸承產(chǎn)生過(guò)熱或保持架斷裂，同時(shí)由于離心力的作用，滾動(dòng)體與外圈的接觸載荷增大，也使軸承壽命降低。根據(jù)軸承壽命預(yù)測(cè)，高速重載特大型軸承的壽命比通常軸承的壽命要低得多。

3 軸承試驗(yàn)機(jī)

為確保某型主機(jī)的可靠使用和安全運(yùn)行，在該特大型軸承裝機(jī)前，必須對(duì)軸承進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以初步確定軸承的壽命，因此針對(duì)高速重載特大型軸承的載荷譜和轉(zhuǎn)速譜要求，專門(mén)研制了滿足特殊使用要求的軸承試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。

圖2 軸承試驗(yàn)機(jī)

軸承試驗(yàn)機(jī)采用飛輪蓄能、滾輪加載、齒輪傳動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的載荷和轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，其工作原理是：由加速飛輪通過(guò)轉(zhuǎn)速軸帶動(dòng)模擬輪產(chǎn)生軸承旋轉(zhuǎn)，加載飛輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪通過(guò)彈性單元和模擬輪將載荷加載在被測(cè)軸承上。

通過(guò)對(duì)軸承試驗(yàn)機(jī)的研制，其功能已基本滿足高速重載特大型軸承的載荷和速度要求。圖3為某試驗(yàn)工況下的軸承載荷曲線和轉(zhuǎn)速曲線。

圖3 某試驗(yàn)工況下的軸承載荷曲線和轉(zhuǎn)速曲線

4 軸承失效類型

軸承在工作過(guò)程中，出現(xiàn)故障或不能正常工作的現(xiàn)象就稱為“失效”。軸承失效一般分為止轉(zhuǎn)失效和喪精失效兩種，其中止轉(zhuǎn)失效是軸承停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而失去其工作能力；喪精失效是軸承因幾何尺寸變化改變了原來(lái)的配合間隙，失去原設(shè)計(jì)要求的旋轉(zhuǎn)精度，雖尚能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但屬非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于軸承工作條件、失效影響因素的差異，軸承產(chǎn)生失效的形式和形貌特征亦各不相同，按其損傷機(jī)理大致可分為：接觸疲勞失效、永久變形失效、摩擦磨損失效、斷裂失效、腐蝕失效和游隙變化失效等幾種失效模式，其中疲勞剝落、永久變形和磨損是高速重載特大型軸承的主要失效形式。

4.1 疲勞剝落

軸承承受載荷而有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面，由于反復(fù)承受載荷作用，首先在表面下一定深度處，強(qiáng)度較弱的部分形成裂紋，繼而發(fā)展到接觸表面，使表層金屬成片剝落，致使軸承不能正常工作。這種疲勞剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致最終滾動(dòng)軸承無(wú)法工作。

4.2 永久變形

軸承承受載荷后，在滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形，載荷過(guò)重時(shí)，會(huì)在滾道表面形成塑性凹坑，而使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。當(dāng)外界硬粒進(jìn)入軸承時(shí)，也可在接觸表面形成壓痕。另外過(guò)大的沖擊載荷或當(dāng)軸承靜止時(shí)，由于振動(dòng)等因素都會(huì)使接觸處形成凹坑。

4.3 磨 損

由于滾動(dòng)體和滾道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和污物塵埃的侵入，使?jié)L動(dòng)體和滾道表面產(chǎn)生磨損，磨損量較大時(shí)，使軸承游隙、噪聲、振動(dòng)增大，并造成溫度升高、摩擦力矩加大，降低了軸承的運(yùn)動(dòng)精度，致使軸承不能正常工作。

5 軸承可靠性試驗(yàn)方案

5.1 可靠性試驗(yàn)方法

由于影響軸承壽命的因素很多，因此，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)成為評(píng)定軸承的主要手段。軸承可靠性試驗(yàn)方法主要有可靠性模擬試驗(yàn)、環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)或快速壽命試驗(yàn)等試驗(yàn)方法。對(duì)高速重載特大型軸承而言，受軸承試驗(yàn)機(jī)裝機(jī)容量、試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速以及軸承樣本數(shù)量等條件的限制，高速重載特大型軸承可靠性試驗(yàn)宜采用可靠性模擬試驗(yàn)方法，不宜采用環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)或快速壽命試驗(yàn)等方法。在可靠性模擬試驗(yàn)中宜采用定時(shí)截尾試驗(yàn)和定數(shù)截尾試驗(yàn)等兩種試驗(yàn)方法。

5.2 可靠性試驗(yàn)的監(jiān)控方法

高速重載特大型軸承進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，為及時(shí)掌握軸承的運(yùn)行狀態(tài)，可通過(guò)以下4種方法監(jiān)控軸承試驗(yàn)狀態(tài)、判斷軸承是否失效。

1) 振動(dòng)頻率法：當(dāng)軸承表面出現(xiàn)疲勞剝落、壓痕或局部腐蝕時(shí)，軸承運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)傳感器，將振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析對(duì)比各周期的頻率值。

2) 溫升法：用紅外溫度傳感器測(cè)量軸承外圈的溫度變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)。

3) 噪聲法：用噪聲計(jì)監(jiān)控軸承運(yùn)行中的噪聲情況。

4) 定期拆檢法：定期對(duì)軸承進(jìn)行拆檢，檢測(cè)軸承滾動(dòng)體和滾道表面的接觸狀態(tài)。

在上述四種方法中，定期拆檢法是判斷軸承失效與否最直接、最有效的方法，而前3種通過(guò)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控軸承的運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

軸承疲勞壽命符合二參數(shù)威布爾分布[5]：

式中，F(xiàn)(L)為在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)到L小時(shí)而破壞的概率；b為威布爾分布斜率；v為威布爾分布的特征壽命；L為軸承出現(xiàn)破壞時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)。

根據(jù)軸承可靠性試驗(yàn)方法的不同，可以采用不同的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

定數(shù)截尾試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法可采用標(biāo)準(zhǔn)JB/T50013-2000中的數(shù)據(jù)處理方法，利用最佳線性不變估計(jì)、最大似然估計(jì)法或Weibull圖法，估計(jì)出軸承壽命的威布爾參數(shù)b和v，從而可以求出試驗(yàn)壽命和可靠性參數(shù)，但這種方法需要一定數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

定時(shí)截尾試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法可采用標(biāo)準(zhǔn)JB/T50093-1997中推薦的數(shù)據(jù)處理方法，即先假設(shè)韋布爾斜率，設(shè)置了質(zhì)量系數(shù)、檢驗(yàn)水平、接受門(mén)限、拒絕門(mén)限等參數(shù)，從而減少很多繁瑣的數(shù)據(jù)處理，如減少試驗(yàn)失效套數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，但使用范圍有一定的局限性。

考慮到高速重載特大型軸承試驗(yàn)樣本數(shù)量少、試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限、試驗(yàn)成本高，其數(shù)據(jù)處理可優(yōu)先采用JB/T50093-1997推薦的數(shù)據(jù)處理方法。

6 結(jié) 語(yǔ)

高速重載特大型軸承是一種滿足特殊使用要求的新型軸承。軸承的運(yùn)行工況十分惡劣，且載荷和轉(zhuǎn)速按特定的規(guī)律變化，對(duì)其軸承壽命預(yù)測(cè)、失效模式的判斷存在不確定性，利用專門(mén)研制的軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)顯得尤為重要。通過(guò)可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究，探索可靠性試驗(yàn)方法，確定軸承失效的形式，摸索其失效規(guī)律，驗(yàn)證軸承壽命。

[1] 王獻(xiàn)鋒，陳科，賴俊賢，等.滾動(dòng)軸承壽命理論的發(fā)展[J].軸承，2002(9)：36-40.

[2] 查全，程俊景.滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)計(jì)算新方法[J].軸承，2001(4)：1-6.

[3] 李興林，張燕遼，曹茂來(lái)，等.滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)及其試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2007(3)：1-6.

[4] 徐衛(wèi)波.低速重載滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算方法的研究[J].浙江冶金，2006(3)：21-23.

[5] 李興林，張永恩，張仰平，等.滾動(dòng)軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)評(píng)估方法研究[J].軸承，2003(4)：26-29,33.