滾動(dòng)軸承微動(dòng)磨損研究

王思明，許明恒，周海軍

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.成都重型軸承研究所，成都 610031)

滾動(dòng)軸承處于非工作狀態(tài)時(shí)由于外界振動(dòng)載荷的作用，或其處于微幅擺動(dòng)工況時(shí)，滾動(dòng)體在滾道的接觸區(qū)附近會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因運(yùn)動(dòng)幅度很小，潤(rùn)滑油無(wú)法在接觸表面重新分布而使金屬表面直接接觸，并在氧氣的參與下相互作用，故造成接觸表面金屬的腐蝕，同時(shí)產(chǎn)生氧化磨屑，這種現(xiàn)象稱(chēng)為軸承的微動(dòng)磨損。其特征是在滾道表面形成與滾動(dòng)體間隔等距離的、與滾動(dòng)體表面仿形的壓痕，因與布氏硬度測(cè)試的壓痕相像，故又稱(chēng)作偽布氏壓痕[1]。當(dāng)微動(dòng)磨損所產(chǎn)生的壓痕擴(kuò)展至一定程度，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)將發(fā)生不允許的振動(dòng)或沖擊，微動(dòng)磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)軸承微動(dòng)裂紋的萌生和擴(kuò)展，甚至斷裂失效。

1 微動(dòng)磨損機(jī)理

1.1 運(yùn)行模式

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同，按球/平面接觸模型，微動(dòng)可分為切向式、滾動(dòng)式、徑向式和扭動(dòng)式。目前國(guó)內(nèi)、外關(guān)于微動(dòng)磨損的報(bào)道以切向式為主[2]，這些研究成果對(duì)鋼球與溝道之間的微動(dòng)磨損具有借鑒作用。文獻(xiàn)[3]采用鋼球/平面試樣進(jìn)行有潤(rùn)滑油參與的切向微動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試的磨損數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)球軸承的微動(dòng)磨損情況。對(duì)于滾子軸承，滾子與滾道之間存在徑向式、切向式和滾動(dòng)式微動(dòng)[4]；而對(duì)于球軸承，鋼球和溝道之間的微動(dòng)為切向式、滾動(dòng)式、徑向式、Heathcote(差動(dòng))式和扭動(dòng)式(由于接觸角的存在)組成的復(fù)合微動(dòng)[5]。

1.2 磨損特征

文獻(xiàn)[6-8]對(duì)鋼球與內(nèi)溝道接觸面上的法向變形、切向變形以及Heathcote滑動(dòng)進(jìn)行理論分析，并對(duì)徑向加載的球軸承進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在擺角較小時(shí)，切向滑動(dòng)為微動(dòng)磨損的主因；隨著擺角增大，微動(dòng)磨損則主要由重復(fù)的Heathcote滑動(dòng)引起。切向滑動(dòng)引起的損傷在接觸區(qū)的周?chē)?；Heathcote滑動(dòng)引起的損傷在接觸區(qū)兩端，接觸面中心受力最大的部分未受損傷，且內(nèi)圈損傷比外圈損傷嚴(yán)重得多[9]。

文獻(xiàn)[1]則用有限元模型模擬分析了軸承偽布氏壓痕形成過(guò)程中，振動(dòng)和沖擊載荷引起鋼球與溝道接觸處的局部接觸應(yīng)力和塑性變形情況。而實(shí)際上，由微動(dòng)磨損在溝道上引起的偽布氏壓痕周?chē)鷽](méi)有像真實(shí)壓痕中發(fā)生的肩凸[10]。

文獻(xiàn)[4]提出轎車(chē)輪轂軸承徑向式微動(dòng)磨損是因其在同時(shí)承受靜載荷和動(dòng)載荷時(shí)，滾動(dòng)體與內(nèi)、外滾道間的徑向彈性變形量反復(fù)變化，從而引起微米級(jí)徑向微動(dòng)。通過(guò)微動(dòng)磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在輪轂軸承局部滾道上出現(xiàn)了間隔與滾動(dòng)體相應(yīng)的條狀輕微磨痕，微觀上在磨損軸承亞表面有近似平行軸承表面的連續(xù)微孔或預(yù)裂紋。

1.3 磨損機(jī)理

文獻(xiàn)[11]認(rèn)為發(fā)生在軸承接觸面之間的由微幅滑動(dòng)和滾動(dòng)引起的微動(dòng)磨損分別為微動(dòng)腐蝕和偽壓痕，且2種磨損機(jī)理不同。微動(dòng)腐蝕發(fā)生在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，磨損機(jī)理是產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著，并穿過(guò)自然氧化層與母體材料形成冷焊，磨屑成分為α-Fe2O3，呈暗紅色；偽壓痕則發(fā)生在邊界潤(rùn)滑，磨損機(jī)理是輕微限制在自然氧化層的輕微黏著，磨屑成分是黑色的Fe3O4。微動(dòng)磨損開(kāi)始呈現(xiàn)偽壓痕形態(tài)，當(dāng)微動(dòng)磨屑擋住潤(rùn)滑油脂從而使摩擦表面形成無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，則逐步升級(jí)為微動(dòng)腐蝕[12]。

文獻(xiàn)[10]通過(guò)簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置對(duì)推力球軸承進(jìn)行了頻率為7 Hz、擺角為±3°以及有潤(rùn)滑油作用的微動(dòng)試驗(yàn)，以了解微動(dòng)磨損的過(guò)程和機(jī)理。試驗(yàn)后通過(guò)掃描隧道顯微鏡觀察軸承磨損表面發(fā)現(xiàn)，即使在有潤(rùn)滑的情況下接觸表面在微動(dòng)的一開(kāi)始就以納米量級(jí)被磨損；微動(dòng)開(kāi)始幾分鐘后表面氧化物和幾小時(shí)后表面微觀結(jié)構(gòu)的改變(白層的形成)會(huì)加速磨損。

2 微動(dòng)磨損的危害

2.1 導(dǎo)致振動(dòng)

當(dāng)軸承受到微動(dòng)磨損時(shí)，會(huì)在內(nèi)、外滾道上留下凹形坑狀的微動(dòng)損傷，其磨損量通常很小，但損傷軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。通過(guò)簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置在軸承上加徑向靜載荷，軸上加微小搖動(dòng)進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)，然后對(duì)磨損軸承進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。文獻(xiàn)[13]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈損傷引起的振動(dòng)較之外圈和鋼球損傷引起的振動(dòng)要?jiǎng)×业枚?；?nèi)圈和鋼球損傷引起的振動(dòng)不像外圈損傷引起的振動(dòng)那樣具有明確的周期性，但內(nèi)圈損傷部為橢圓狀的場(chǎng)合則產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，從而影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度。

2.2 降低疲勞壽命

文獻(xiàn)[14]研究了微動(dòng)磨損對(duì)M50軸承鋼滾動(dòng)接觸疲勞壽命的影響。在Hertz接觸應(yīng)力為1.1 GPa，頻率為10 Hz和滑動(dòng)幅度為21 μm的條件下，用MIL-L-23699潤(rùn)滑油在微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上對(duì)直徑為9.25 mm的M50軸承鋼棒進(jìn)行微動(dòng)試驗(yàn)，再對(duì)鋼棒在三球/棒滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試微動(dòng)磨痕對(duì)疲勞壽命的影響，疲勞測(cè)試的接觸應(yīng)力分別為1.7和3.4 GPa。結(jié)果表明，在疲勞測(cè)試接觸應(yīng)力為3.4 GPa的情況下，微動(dòng)磨痕將減少30%的軸承鋼棒疲勞壽命；微動(dòng)后的軸承鋼棒在疲勞測(cè)試接觸應(yīng)力為1.7 GPa時(shí)的疲勞特性與未受微動(dòng)的軸承鋼棒在接觸應(yīng)力為3.4 GPa的疲勞特性相似。

3 影響因素

3.1 力學(xué)參數(shù)

振動(dòng)頻率、幅度以及加速度對(duì)軸承微動(dòng)磨損有顯著影響。文獻(xiàn)[15]通過(guò)自制的試驗(yàn)裝置在干態(tài)下對(duì)軸承加載軸向振動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)磨損隨振動(dòng)頻率和加速度的增加而增加；磨損先隨振幅增加而增加，在振幅近似為軸承軸向游隙的2倍時(shí)達(dá)到最大值，然后隨振幅的增大而減?。辉谝欢ǖ臏y(cè)試條件下，磨損在微動(dòng)初期增加較快，但隨著微動(dòng)次數(shù)的增加而趨于緩和。文獻(xiàn)[9]在脂潤(rùn)滑條件下用型號(hào)為6104球軸承考察了擺角、擺動(dòng)次數(shù)及載荷等參數(shù)對(duì)微動(dòng)磨損的影響，發(fā)現(xiàn)擺角在1°以?xún)?nèi)，磨損速度較小，但是超過(guò)該值后磨損急劇增加，這一傾向在重載下尤為顯著；微動(dòng)磨損隨載荷的增加而增加，但小擺角情況下，載荷影響較小。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

軸承的接觸角、溝曲率半徑系數(shù)和游隙等設(shè)計(jì)參數(shù)不同導(dǎo)致其抗微動(dòng)磨損能力也不同。在球軸承受外部振動(dòng)情況下，微動(dòng)磨損的程度與接觸區(qū)域上的切向力τ和相對(duì)滑動(dòng)量δ的乘積τδ相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)上可通過(guò)少量增大內(nèi)、外溝道的溝曲率半徑而大大減小接觸表面上的τδ值來(lái)減緩球軸承的微動(dòng)磨損。但這種設(shè)計(jì)變化將增大接觸應(yīng)力，使?jié)櫥瑒└y進(jìn)入接觸區(qū)，從而降低軸承壽命[16]。為減緩變槳軸承在風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中的微動(dòng)磨損，文獻(xiàn)[17]通過(guò)微動(dòng)模擬試驗(yàn)得出，在軸承有一定的負(fù)游隙時(shí)磨損量最小，并從不同傾角的徑向與切向微動(dòng)組合而成的復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)中得出，變槳軸承的初始接觸角在45°附近取值有助于提高其抗微動(dòng)磨損能力[5]。

3.3 潤(rùn)滑劑

由于試驗(yàn)裝置、參數(shù)和潤(rùn)滑方式等存在差異，油、脂潤(rùn)滑對(duì)軸承微動(dòng)磨損影響的研究結(jié)果不盡相同，甚至相互矛盾，且潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損能力與抗摩擦磨損能力之間沒(méi)有必然聯(lián)系[18]。

汽車(chē)在長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中其輪轂軸承會(huì)發(fā)生有油脂參與的微動(dòng)磨損，為此推出了ASTM4170-82潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能測(cè)試法。該法用Fafnir摩擦氧化試驗(yàn)機(jī)通過(guò)推力球軸承評(píng)價(jià)不同特性和組成的潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損特性[19]。結(jié)果表明，礦物油為基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑脂如果在100 ℃黏度為11.1 cSt時(shí)加入磷極壓劑和酯類(lèi)油性劑，則其具有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損能力，且微動(dòng)磨損隨基礎(chǔ)油的滲透能力增大而降低[20]；25 ℃時(shí)聚脲脂較其他潤(rùn)滑脂有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損能力，而-18 ℃時(shí)鋰基脂性能更優(yōu)，對(duì)抗微動(dòng)磨損起主要作用的是基礎(chǔ)油和稠化劑的類(lèi)型，添加劑對(duì)微動(dòng)磨損影響不大[21]；基礎(chǔ)油在運(yùn)動(dòng)黏度低或油分離程度高時(shí)可有效減緩微動(dòng)磨損[22]。

上述測(cè)試是在固定載荷下進(jìn)行的，而實(shí)際工程中的載荷通常是波動(dòng)的，目前還沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)軸承在波動(dòng)載荷下的微動(dòng)磨損。文獻(xiàn)[23]用推力球軸承測(cè)試14種商業(yè)潤(rùn)滑脂和3種特制的潤(rùn)滑脂，通過(guò)對(duì)比ASTM微動(dòng)試驗(yàn)與沖擊微動(dòng)試驗(yàn)(試驗(yàn)沖擊力在1.96～88.2 kN之間正弦變化)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的微動(dòng)磨損保護(hù)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊微動(dòng)試驗(yàn)的磨損首先在接觸區(qū)外周產(chǎn)生，然后擴(kuò)大到內(nèi)部；潤(rùn)滑脂在ASTM試驗(yàn)中與沖擊微動(dòng)試驗(yàn)中相比有相反的微動(dòng)磨損保護(hù)優(yōu)勢(shì)。就潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度來(lái)說(shuō)，ASTM試驗(yàn)中磨損隨黏度增大而增加；而沖擊微動(dòng)試驗(yàn)中磨損隨黏度增大而減小。其中沒(méi)有任何一種潤(rùn)滑脂能同時(shí)在這2種測(cè)試中有良好的保護(hù)效果，因此在實(shí)際應(yīng)用中，不同的載荷條件要選擇相應(yīng)不同的試驗(yàn)方法。同時(shí)在沖擊微動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，抗磨添加劑和固體潤(rùn)滑劑有明顯的減緩微動(dòng)磨損的作用。

針對(duì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)送過(guò)程中其球軸承會(huì)因振動(dòng)發(fā)生微動(dòng)磨損，文獻(xiàn)[24]在RRV試驗(yàn)裝置(Random Rotary Vibration Machine)上模擬研究潤(rùn)滑脂減緩其微動(dòng)磨損的性能。結(jié)果表明,潤(rùn)滑脂中含有二硫代氨基甲酸鉬和二烷基二硫代磷酸鋅抗磨極壓劑時(shí)，軸承接觸表面可生成含有MoS2,FeS和MoFeS分子的薄膜，能有效降低微動(dòng)磨損。但如果潤(rùn)滑脂中含有磺酸鹽防銹劑時(shí)，會(huì)與抗磨極壓劑競(jìng)爭(zhēng)降低其減緩微動(dòng)磨損的效果。

3.4 硬度

為了解材料硬度對(duì)軸承微動(dòng)磨損的影響，文獻(xiàn)[25]對(duì)2個(gè)直徑均為10 mm的合金結(jié)構(gòu)鋼En24和軸承鋼En31進(jìn)行了垂直交叉微動(dòng)磨損試驗(yàn)。En24鋼原始試樣硬度為207 HV，分別熱處理至375和640 HV，En31鋼熱處理至698 HV。試驗(yàn)分別在法向載荷為2.4和29.4 N下無(wú)潤(rùn)滑進(jìn)行，微動(dòng)幅度為60 μm，頻率為5 Hz。對(duì)En24鋼進(jìn)行3種不同硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硬度對(duì)提高抗微動(dòng)磨損能力效果不明顯。文獻(xiàn)[26]中鋼球/0.6%碳鋼平板試樣的切向微動(dòng)也表明硬度只對(duì)微動(dòng)磨損有輕微影響，其主要原因是微動(dòng)磨損產(chǎn)生的氧化磨屑會(huì)作為磨料作用于接觸表面。文獻(xiàn)[27]在鋼球/42CrMo平板試樣的徑向與切向微動(dòng)組成的復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試樣硬度低時(shí)其抗徑向微動(dòng)磨損性能好，而硬度高時(shí)抗切向微動(dòng)磨損性能相對(duì)較好。

3.5 涂層

文獻(xiàn)[28]認(rèn)為使用硬質(zhì)涂層可減緩軸承的微動(dòng)磨損。對(duì)于軸承的Fe基材料，B+，N+等輕元素離子注入表面能獲得摩擦系數(shù)低且耐磨性高的潤(rùn)滑表面，從而降低微動(dòng)磨損程度。文獻(xiàn)[29]利用化學(xué)復(fù)合鍍的方法在鋼球表面鍍覆一層Ni-W-P/BN多元復(fù)合鍍層，其滑動(dòng)摩擦系數(shù)大大降低且耐磨性顯著提高，在受到法向交變載荷后，鋼球的微動(dòng)磨損相對(duì)減少，從而延長(zhǎng)了使用壽命。另外， FAG軸承公司的資料表明，在軸承滾道上涂有磷酸鋅鍍層或鉻基薄層可提高其抗微動(dòng)磨損的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

微動(dòng)磨損對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命影響較大，是軸承常見(jiàn)的失效方式之一。而實(shí)際工程中軸承微動(dòng)磨損的機(jī)理和過(guò)程較復(fù)雜，損傷程度涉及受力狀態(tài)、潤(rùn)滑、材料以及設(shè)計(jì)參數(shù)等因素，且在不同的工程應(yīng)用場(chǎng)合下，軸承有其特定的微動(dòng)磨損過(guò)程。因此未來(lái)有必要結(jié)合軸承使用情況對(duì)其微動(dòng)磨損進(jìn)行深入研究，以掌握規(guī)律，為減緩微動(dòng)磨損提供參考。