滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展,李兴林 教授,博士后,(,E-mail:,),杭州轴承试验研究中心有限公司（联合国援助杭州轴承试验研究中心）机械工业轴承产品质量检测中心（杭州）,ISO/IEC 17025,国际互认,新昌轴承区域名牌创建活动,2008,年,10,月,20,日,杭轴研简介,杭州轴承试验研究中心是联合国援助中国轴承行业,1980,年创建的唯一的质检及研究机构，主要从事轴承动态性能和疲劳寿命等高新技术应用 研究以及轴承相关产品开发、检测和试验等研究工作。拥有国际上比较先进的测试仪器和设备，技术力量雄厚，,20,多年来有多项科研成果在全国推广应用，已形成了较为完善的开发、制造、检测和服务体系。,（续）,2002,年根据政府要求在中国质量检验机构中率先成功改制为科技民营股份制企业。,2003,年,3,月经中国实验室国家认可委员会,(CNAL),和中国机械工业联合会,(CMIF),评审，成为中国轴承行业首家通过,ISO/IEC 17025,的科技民营国家级检测实验室，且具有独立法人资格，检测试验数据能国际互认。,杭轴研简介,HBRC,理念,H,BRC,：,High level/quality/technology,高水准、高质量、高科技,HBRC,理念,H,B,RC,：,Benefit the customer forever,永远利益客户,HBRC,理念,HB,R,C,：,Research,development and,production through innovation,创新研究、开发及生产的综合能力,HBRC,理念,HBR,C,：,Concentration on people,崇尚以人为本的管理,资历证书,资历证书,资历证书,资历证书,滚动轴承,精度,性能,寿命,可靠性,滚动轴承寿命,精度寿命,磨损寿命,振动寿命,噪音寿命,疲劳寿命,滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展,引言,轴承寿命理论的现状及发展,轴承寿命快速试验机的现状及发展,轴承快速寿命试验技术现状及发展,轴承寿命试验数据处理及发展,引 言,滚动轴承是广泛应用的重要机械基础件，其质量的好坏直接影响到主机性能的优劣，而轴承的寿命则是轴承质量的综合反映，在中国轴承行业,“,十一五,”,发展规划中，重点要求开展提高滚动轴承寿命和可靠性工程技术攻关。低载荷、高转速的传统轴承寿命试验方法周期长、费用高且试验结果的可靠性差，而强化试验则在保持接触疲劳失效机理一致的前提下，大大地缩短试验时间，降低了试验成本，从而加快了产品的开发周期和改进步伐，因此轴承寿命强化试验受到越来越多的关注、研究和应用。轴承快速寿命试验包含了比轴承寿命强化试验更为广泛的内涵，它不仅在寿命试验方面，而且在寿命试验的设计，寿命数据的处理、分析，寿命的预测评估，轴承失效的快速诊断、分析、处理等系统技术方面具有更新更广的内容。,轴承寿命理论的现状及发展,1.Weibull,分布：,1939,年，,Weibull,提出的认为疲劳裂纹产生于滚动表面下最大剪切应力处，扩展到表面，产生疲劳剥落，,Weibull,给出了生存概率,S,与表面下最大剪切应力,、应力循环次数,N,和受应力体积,V,的关系：,2.,载荷容量理论：,1947,年，,Palmgren,和,Lundberg,一起提出了滚动轴承的载荷容量理论。该理论认为接触表面下平行于滚动方向的最大交变剪切应力决定着疲劳裂纹的发生，考虑到材料冶炼质量对寿命的影响，同时指出：应力循环次数越多、受力体积越大，则材料的疲劳破坏概率就越大，提出了统计处理接触疲劳问题的指数方程：,轴承寿命理论的现状及发展,3.L-P,公式：,该公式,1962,年已由,ISO,列为推荐标准，并于,1977,年修正为正式的国际标准,ISO 281/1,1977,。,轴承寿命理论的现状及发展,4.SKF,通用轴承寿命计算模型,:,该理论引入了局部应力和材料疲劳极限的概念，计算的出发点是局部应力，更加符合疲劳强度的设计思路。,L-P,模型仅是该理论模型的一种特殊情况。该新寿命理论数学模型在,1984,年,ASME/ASCE,联合润滑会议上发表。,轴承寿命理论的现状及发展,5.SKF,通用轴承寿命计算简化式：,其中：,a,SKF,为寿命调整系数，它包括了润滑、污染、疲劳极限和轴承当量动载荷之间的复杂关系，它的值由污染系数,c,、轴承疲劳极限载荷,P,u,、当量动载荷,P,和粘度系数,K,之间的函数关系给出。,c,系数则考虑了润滑剂的污染及其对轴承寿命的影响。目前这一理论仅在,SKF,内部使用。,轴承寿命理论的现状及发展,6.ISO 281:1990,修订的额定寿命计算式：,该修订公式中的修正系数,a,xyz,考虑到材料、润滑、环境、杂质颗粒、套圈中内应力、安装和轴承载荷等因素对轴承寿命的影响。目前该修正式已被我国正式引用并作为我国滚动轴承行业产品寿命的推荐性文件。,轴承寿命理论的现状及发展,7.,其他：,20,世纪,70,年代初，,Chiu P,和,Tallian T E,提出了考虑表面的裂纹生成方式的接触疲劳工程模型，该模型可以解释一些,L-P,模型难以解释的问题，例如表面粗糙度、弹流油膜厚度、切向摩擦牵引力以及润滑介质存在污染物等情况对接触疲劳的影响。,20,世纪,80,年代，,Ioannides E,和,Harris T A,在引进了材料疲劳极限应力和考虑应力体积内各点应力及其深度的情况下，给出了,I-H,模型，该模型比,L-P,模型考虑的更加细致和接近实际情况。但,Zaretsky E V,认为该模型高估了轴承的寿命。,Zaretsky E V,提出的基于,Weibull,模型基础上的修正模型、,Cheng W Q,和,Cheng H S,提出的用疲劳裂纹产生的时间来表示轴承寿命的,C-C,模型、,Tallian T E,提出的,T,模型、,Yu W K,和,Harris T A,提出的,Y-H,模型都从不同的角度提出了对寿命的预测方法。,科学准确地预测轴承疲劳寿命一直是机械工程学者关心又难以解决的难题，三参数,Weibull,分布和修正的,Palmgren-Miner,疲劳损伤累积法将是滚动轴承应用中亟待研究的课题，同时建立关于轴承疲劳机理研究、失效因素分析、材料冶炼加工工艺、试验数据分析等的数据库也是任重道远。,轴承寿命理论的现状及发展,一般寿命计算公式,理论基础；,瑞典哥德堡查尔默斯技术大学,G.,论德伯格（,Gustaf Lundberg,）教授和,SKF,的,A.,帕尔默哥莱（,Arvid Palmgren,）工程师于,1947,年提出的理论为基础，依据是,1936,年的,Weibull,的,疲劳概率理论,。,1962,年国际标准化组织,ISO 281,标准的滚动轴承寿命的计算公式,L,10,=,C/P,e,式中；,C,轴承额定动载荷；,C=f,（,D,W,、,L,e,、,Z,）,P,轴承当量动载荷；,e,寿命计算系数；滚子轴承；,e,10/3,、球轴承；,e=3,理念体现,；,轴承的载荷能力和轴承的实际载荷的大小是确定轴承寿命的,唯一因素,。,轴承产品市场的导向,；,1),轴承内部承载能力的开发轴承结构的,优化设计,；,2),轴承结构改进偏向于滚动体的直径、长度和个数的增加；,3),以调心滚子轴承为典型的结构与保持架的开发、设计与改进；,影响与成效,；,大大提高轴承产品质量和轴承的,载荷能力,，优化轴承结构，完善轴承的优化设计；,局限与不足,；,寿命评估仅局限于对,轴承的自身,，改革仅涉及,轴承制造业内。,轴承实际失效分析的启发,1/3,材料疲劳,滚动轴承的失效,材料的疲劳失效,34,润滑失效,36,污染失效,14,安装失效,16,1/3,润滑失效,1/3,安装污染,滚动轴承实际失效分析的启发,好的轴承必须有良好的维护！,轴承的失效并非完全是轴承的质量问题！,雷,诺滑动,雷诺滑动,交变应力与雷诺滑动,静态时,滚动体与滚道接触处的弹性变形,动态时,滚动前方的材料被拉伸,动态时,滚动后方的,材料被压缩,弹性恢复滞后产生摩擦,滚动轴承工作表面并非“,刚性体,”，在滚动体与滚道接触处会发生弹性变形，局部材料会发生拉伸和压缩，材料承受拉伸与压缩的交变的应力作用的同时在滚动工作表面产生滑动摩擦。,雷 诺 滑 动,材料表层疲劳理论,材料表层疲劳理论的发展,轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深,材料,表层,的疲劳剥离机理,材料表层下的非金属夹杂物,非金属夹杂物边缘的应力集中，出现的,“蝶形,非金属夹杂物边缘的材料疲劳裂纹处出现,裂纹由,材料的表层向材料的表面扩展,，最终导致材料的剥离,。,NSK,材料表层疲劳蝶影,材料表层的非金属夹杂物在循环交变应力作用下形成的,“蝶形”,NSK,材料表面,疲劳剥离机理,1,轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深,材料,表面,的疲劳剥离机理,1,应力分布,接触应力,凹痕,裂纹由表面向内发展，再由内向外形成剥离,裂纹的起源在材料表面的应力集中点,表面形态缺陷引起的材料表面剥离,NSK,材料表面,疲劳剥离机理,2,轴承材料疲劳剥离机理的发展和引深,材料,表面,的疲劳剥离机理,2,由润滑与污染引起的材料表面剥离,太大颗粒沉淀在,底部，如沉淀在,滚动表面，直接,破坏表面形貌,太小颗粒凝结,和沉淀在滚动,表面破坏润滑,油膜的连续性,正常颗粒悬浮在润滑,油中，随润滑油流动,大颗粒在滚动,表面直接产生压痕,压痕处应力集中，裂纹由表面生成，向材料的表层扩展，并与材料表层的薄弱处（偏析、非金属夹杂）相连,小颗粒在滚动表面破坏润滑油膜的,连续性,NSK,1.,引言,20,世纪早期，我国轴承行业一直沿用前苏联的,ZS,型轴承寿命试验机进行轴承寿命试验，这种试验机的性能已明显落后于试验发展需要。从美国引进的,F&M 5,”,新型滚动轴承疲劳寿命试验机除了价格昂贵外，还采用气动高压动力源和,60Hz,的电频率，不太适合中国的国情。因此在,20,世纪的,90,年代，在吸取国外先进试验机的基础上，杭州轴承试验研究中心研制了新一代自动控制滚动轴承疲劳寿命强化试验机,B10-60R,及其改进的,ABLT,系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机，大大地推进了中国轴承行业轴承寿命试验系统技术的进步。,轴承寿命快速试验机的现状及发展,轴承寿命快速试验机的现状及发展,2.ZS,型滚动轴承疲劳寿命试验机的主要性能参数：,试验机型号,ZS1530,ZS3060,ZS60120,试验轴承（,mm,）,内径,15,30,30,60,60,120,外径,35,62,62,110,110,215,活塞面积（,cm,2,）,径向,25,70,200,轴向,15,25,100,工作温度（）,20,70,，不得超过,90,试验轴承转速（,r/min,）,320016000,10005000,7753860,试验轴承最大载荷,（,kN/,套）,径向,7.35,24.5,98,轴向,3.43,14.7,68.6,润滑方式,循环润滑,驱动电机,功率（,kW,）,2.8,2.8/2.1,4.5,转速（,r/min,）,2870,1420/2950,1440,3.ZS,型和,F&M 5,”,型滚动轴承疲劳寿命试验机的性能比较：,轴承寿命快速试验机的现状及发展,比较项目,ZS,型,F&M 5,”,型,试验头,单个试验头，单机尺寸小,两套试验头，开启式,试验轴承装拆,封闭式，不便装拆,采用开启式，观察方便，便于装拆,加载性能,