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颗粒对轴承性能的影响

提供 来源:      日期:2017年08月03日
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 随着对可靠性要求的提高,轴承成为工程设计中一个非常重要的部件。越来越严格的要求可能会使以往正常使用的轴承无法满足现在的要求。虽然现在的轴承钢材质量提高了、轴承设计取得了进步,而且生产过程受到了更好的控制,但对轴承供应商来说,提供合格的产品来占领新兴的高科技市场(例如真空泵,压缩机和医 疗设备等市场)仍是一项挑战。在实际业务领域中,某些特殊情况已经要求轴承交付前的内部颗粒物降至微米级。

  除了某些行业的要求之外,个人客户、终端用户和工业主机客户有时也会提出特殊要求,使现代轴承生产的优势不复存在。例如现场运行过程中,由于暴露在严重污染的介质中、不正确的拆装和不细致的维护,轴承很容易丧失原有性能。

  本文重 点论述与颗粒杂质相关的轴承清洁度问题。对生产商来说,严格控制颗粒含量是生产过程中的一个瓶颈,而在大多数应用领域,保证轴承工作环境的清洁也是用户面临的一项难题。虽然出发点不同,但终端用户和供应商都清楚颗粒对轴承寿命的巨大影响,也希望能够解决这个问题。

颗粒对轴承性能的影响
  如上文所述,在生产方式改进并且钢材质量提高之后,用Lundberg-Palmgren寿命公式计算出来的轴承寿命仍然达不到SKF在20世纪70 年代后期用实验性方法测得的非常长的轴承寿命,即使Lundberg-Palmgren计算公式结合一些经验法、增加的额定动载荷以及“寿命调整系数” 也是如此。新的实验结果与Lundberg-Palmgren 公式计算寿命存在差异的原因在于Lundberg和 Palmgren得出结论所依据的实验条件。所有实验都是在当时所能达到的最清洁的实验室条件下进行的。因此,他们假定污物颗粒不会对轴承寿命造成影响。但是实验中,所用过滤器的绝 对过滤精度都不高于10 μm,所以Lundbcrg-Palmgren寿命公式实际上没有排除由污物颗粒和粗糙接触造成的来自表面的损伤。因此,试验环境越清洁(视当前状况而定),测得的轴承运行时问越长。 Ioannides和Harris据此作出了修正。新的寿命模型考虑了更多影响因素,包括表面损伤和颗粒污染。

  SKF《轴承综合型录》4000发布以后,新的寿命模型引入了寿命修正系数askf(在ISO 281:2007)和ONORM M 6320中分别表示为 aISO和aON),用于考虑环境条件的影H向,例如润滑膜k、杂质η。和材料的疲劳载荷限度Pu。简单表达为公式(1)和公式(2):

  Lma=al X aSKF X (C/P)p (1)

  aSKF=f(ηc x Pu/P,K) (2)

  新的寿命理论更重视来自表而的损伤,而不是传统的因材料夹杂而产生的来自表面下的疲劳,因为现在大多数滚动轴承故障都是由来自表面的损伤造成的。而且存在于滚动部件和滚道接触面上的颗粒污染物又是造成此类故障的主要原因。在考虑材料性质(即弹性模量、屈服强度、极限强度和泊松比)和摩擦系数的前提下,根据有限元模型的分析,积存于滚动部件和滚道接触面上的颗粒在重载荷接触时主要在入口区产生形变,在经过赫兹接触区时几乎不发生变化,而是在配合面留下压痕。明显可以看出,脆性颗粒被挟带到接触面时会破碎成小块,而韧性颗粒在挟带过程中发生严重形变,随后在接触面受到挤压,如图1所示。Wan和Spikes 用各种固体碎屑行了非常有意义的研究,实验结果表明,标称硬度低于轴承钢材的大悬浮颗粒能够进入接触区,并损坏钢材表面。这一发现与 Sayles等人的研究结果完全一致,如图2所示。 Sayles等人的研究表明,即使是非常软的碎片也会使硬配合面产生塑性变形。

  Gabelli等人的研究表明,在产生压痕后的滚动过程中,在模拟的弹性流体动力润滑(EHL) 接触面上的凹痕会严重影响接触压力和油膜的厚度。Gabelli等人在研究中观察接触压力的分布后发现,凹痕会引起高压力峰值,且当凹痕位于接触区时出现最 大压力峰值。图3所示为滚动接触面带有0.55 μm厚的油膜时,凹陷表面的接触压力。最 大赫兹压力p0为1255 MPa。在凹痕肩区附近可以清楚地观察到更高的压力峰值。

  SKF研究人员发现,模拟EHL接触面上的凹痕造成的高压会引起很大的内应力,并使最 大内应力位置从表面下转移至表面。图4所示为接触面中心凹陷表面的von Mises应力分布。可以看出,最 大应力向表面移动,而且与其他条件相同的平滑赫兹接触面相比,最 大应力的大小增加了。

  接触面凹陷区附近周期性出现高应力可能会最终导致轴承表面发生疲劳故障,因为应力集中会增 大凹痕附近局部位置发生故障的风险。在总体疲劳风险相同的情况下,凹陷表面比平滑表面能够抵抗的应力循环少,因此会缩短轴承寿命。

  需要说明的是,上述内容是针对滚动接触面疲劳寿命缩短的情况。颗粒还能引起其他故障。例如轴承内部的颗粒会导致磨损,也就是说轴承元件会不断损耗,最 后引发故障。因此,无论从理论还是实际的角度,减少轴承内部颗粒都会延长轴承寿命,提高轴承性能。

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