李喜軍，郭長建，代現(xiàn)合

(人本集團 技術(shù)中心，上海 201411)

潤滑對軸承壽命影響很大，潤滑條件的優(yōu)劣直接影響到軸承使用性能。為了更好地界定軸承在不同工況條件下的壽命，國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了系數(shù)aiso加以修正。但軸承工作環(huán)境復(fù)雜，大多數(shù)情況下會受到潤滑油污染物即雜質(zhì)的影響，導(dǎo)致壽命急速下降，甚至失效。為了減小雜質(zhì)對軸承壽命的影響，開式軸承加密封、內(nèi)圈特殊表面氮化處理、貝氏體淬火、提高鋼材質(zhì)量及控制表層殘余奧氏體含量等措施已應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。分析了不同狀態(tài)軸承(即開/閉式及內(nèi)圈特殊表面是否進行氮化處理)的壽命系數(shù)規(guī)律，為軸承在油污領(lǐng)域中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 完全疲勞壽命試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品為某公司提供的6312深溝球軸承(開/閉式及內(nèi)圈特殊表面氮化處理和未氮化處理)。

1.2 試驗條件及其合理性驗證

1.2.1 試驗條件

試驗條件見表1。將開式+內(nèi)圈特殊表面未氮化處理、開式+內(nèi)圈特殊表面氮化處理、密封+內(nèi)圈特殊表面未氮化處理和密封+內(nèi)圈特殊表面氮化處理(下分別稱A，B，C，D狀態(tài))軸承各取6套，在相同的試驗條件下分別進行完全疲勞壽命試驗。

表1 試驗條件

1.2.2 合理性驗證

(1) 接觸應(yīng)力。為確保軸承在承受試驗載荷條件下溝道處的接觸應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，利用文獻[1]計算方法對該軸承進行了驗證，其計算式為

(1)

式中：pmax為最大Hertz接觸應(yīng)力，MPa；ea，eb為由兩物體接觸區(qū)尺寸決定的系數(shù)；εE為與兩物體材料彈性模量有關(guān)的系數(shù)；∑ρ為兩接觸物體的主曲率之和；Q為載荷，N。

經(jīng)運算，內(nèi)、外圈的最大Hertz接觸應(yīng)力分別為2 968.2 MPa和2 663.2 MPa，均在該類軸承額定靜載荷規(guī)定的應(yīng)力范圍4 200 MPa之內(nèi)，故該試驗載荷不會導(dǎo)致鋼球接觸處塑性變形過大的問題。

(2)極限軸向承載。軸承在過大軸向試驗載荷條件下，鋼球會爬越內(nèi)、外圈溝道擋肩發(fā)生失效，為確保鋼球不爬越擋肩，利用文獻[1]對軸承極限軸向載荷進行驗證，其計算式為

(2)

式中：FaL為極限軸向載荷，N；fm為平均溝道曲率半徑比；c為接觸變形系數(shù)；α為原始接觸角，(°)；α′為載荷作用下產(chǎn)生的接觸角，(°)；Z為鋼球數(shù)；Dw為鋼球直徑，mm。

經(jīng)計算，內(nèi)、外圈的極限軸向載荷分別為42 883.7 N和65 706.2 N，均大于軸承實際所受軸向載荷16 100 N，故該試驗載荷不會導(dǎo)致鋼球發(fā)生爬越擋肩的現(xiàn)象。

1.3 試驗設(shè)備

試驗機結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗機主軸中間2套軸承為陪試軸承，兩端為被試軸承。陪試軸承和被試軸承之間設(shè)有模擬齒輪，其作用是在軸承轉(zhuǎn)動的同時攪動潤滑油，防止?jié)櫥椭械碾s質(zhì)沉積在箱體底部，以充分模擬實際軸承內(nèi)部潤滑油污染的工況。

圖1 試驗機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果見表2。

表2 不同狀態(tài)軸承試驗壽命 h

存活概率S為0.4

(3)

式中：S為存活概率，即達到或超過Ls壽命的軸承相對數(shù)量；Ls為與S相對應(yīng)的軸承壽命；e為Weibull分布斜率；A為常數(shù)。

對A，B，C，D狀態(tài)軸承試驗數(shù)據(jù)做Weibull計算分析處理，圖2所示為數(shù)據(jù)分析結(jié)果曲線圖(95%置信區(qū)間)。由該曲線圖通過計算分析可得，該軸承在失效率為10%條件下的試驗壽命B10和B10/L10壽命系數(shù)a見表3。

圖2 不同狀態(tài)軸承壽命Weibull曲線圖

表3 軸承壽命系數(shù)

從表3中可以看出，A狀態(tài)軸承試驗壽命僅為理論壽命的0.32倍，修正后為0.3倍；B狀態(tài)軸承試驗壽命僅為理論壽命的0.6倍，修正后為0.6倍；C狀態(tài)軸承試驗壽命為理論壽命的1.45倍，修正后為1.5倍；D狀態(tài)軸承試驗壽命為理論壽命的2.92倍，修正后為3倍。此外，從表中數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)：B狀態(tài)軸承試驗壽命約為A狀態(tài)軸承的2倍，D狀態(tài)軸承試驗壽命也約為C狀態(tài)軸承的2倍；C狀態(tài)軸承試驗壽命約為A狀態(tài)軸承的5倍，D狀態(tài)軸承的試驗壽命也約為B狀態(tài)軸承的5倍。

由以上數(shù)據(jù)分析可知：在潤滑油污染狀況相同的情況下，同為開式或閉式時，內(nèi)圈特殊表面氮化處理的軸承壽命比未氮化處理的提高約1倍；相同熱處理條件下，閉式軸承的壽命比開式軸承提高約4倍。由此可見，潤滑油中的污染物對軸承壽命影響巨大，同時密封件對提高軸承的壽命影響也較大，所以在計算考慮污染工況條件下的軸承壽命時，必須利用壽命系數(shù)加以修正。

3 結(jié)束語

通過試驗得到的4種狀態(tài)下軸承的壽命系數(shù)符合其實際使用工況，該系列壽命系數(shù)經(jīng)過后期較長時間的反復(fù)測試驗證，均維持在計算數(shù)值范圍內(nèi)，并且用該壽命系數(shù)在計算壽命時得到了客戶廣泛的認(rèn)可，為國內(nèi)深溝球軸承在潤滑油污染工況下的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。