（精密仪器及机械专业论文）滚动轴承疲劳试验机测试系统和数据处理方法的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 接触疲劳是导致滚动轴承失效的主要因素之一，滚动轴承疲劳寿命试 验是综合评定轴承质量的重要手段。 本文首先介绍了滚动轴承接触疲劳的理论基础，对导致滚动轴承接触 疲劳的各个因素及失效形式作了简要叙述。然后研制了滚动轴承接触疲劳 试验机测试系统，应用现代测试手段和计算机信号处理技术，在线监测、 记录试件的温升、振动、速度及摩擦扭矩，通过计算机智能数据处理系统 对实验进行在线反馈调控，获得不同工况条件下的试验数据，并采用多种 分析方法，主要是采用数字滤波和小波分析方法对试验数据进行处理，同 时，对能捕捉初始疲劳状态的急停机构进行了结构设计。最后，进行了疲 劳试验，并加以仿真验证及评价。 该测试系统显著特点有：该系统能够实现对加载状况、试件转速、润 滑条件等真实工况的模拟，从而使得试验结果更加准确、真实、可靠；该 系统除了应用加速度传感器检测试件振动幅度大小的方法以外，还应用了 对试件疲劳微裂纹的检测更加灵敏的摩擦扭矩传感器检测试件摩擦扭矩的 方法，使得试验装置对试件疲劳微裂纹的发现和诊断更加及时、准确和快 速；采用小波分析方法对试验数据进行处理，为能够及时准确地捕捉轴承 初始疲劳状态以及进行加速疲劳试验提供了新的途径。 通过试验验证，此试验平台的开发对在工业应用中检测滚动轴承的疲 劳寿命有重要意义。 关键词滚动轴承；接触疲劳；试验机：故障诊断：数字滤波：小波分析 燕山大学： 学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a c tf a t i g u ei so n em a i nf a c t o rw h i c hi n d u c e sr o l l i n gh e a r i n gt of a i l u r e r o l l i n gb e a r i n gf a t i g u el i f et e s t i sa l li m p o r t a n tm e a n so fa s s e s s i n gb e a r i n g q u a l i t y i np r e s e n tp a p e r , f i r s t l y ，t h et h e o r yo fr o l l i n gb e a r i n gc o n t a c tf a t i g u ei s i n t r o d u c e da n de v e r yf a c t o ro fi n d u c i n gr o l l i n gb e a r i n gt of a t i g u ea n df a i l u r e f o r ma r ed e s c r i b e d s e c o n d l y , i nt h ew o r k , t h ec o n t r o ls y s t e mt od i a g n o s ea n d r e c o r dt h et e m p e r a t u r e ，v i b r a n c y , a n dv e l o c i t y , f r i c t i o nt o r q u es i g n a l si s d e s i g n e d t l 1 i r d l yt h es i g n a l sa r ef e db a c ka n dc o n t r o l l e db yi n t e l l i g e n td a t a p r o c e s s i n gs y s t e mt oo b t a i nr e s u l td a t au n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hc a nb e s i m u l a t e db ym a n ya n a l y s i sm e t h o d s ，e s p e c i a l l yd i g i t a lf i l t e ra n dw a v e l e t a n d d e v i c eo fe x i g e n c ys t o pw h i c hc a nc a t c ho r i g i n a lf a t i g u es t a t ei sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ef a t i g u et e s t so f r o l l i n gb e a r i n gi ss i m u l a t e da n d r e s e a r c h e d i n n o v a t i o n so ft h et e s tm a c h i n ea l ea sf o l l o w i n g ：f i r s t t h i ss y s t e mc a n s i m u l a t et ot h er e a l i s mw o r ks t a t es u c ha sb a d i n gs t a t e ，r o t a t es p e e da n d l u b r i c a t e ，w h i c hm a k e st e s tr e s u l t sm o r ee x a c t l ya n dc r e d i b l e s e c o n d ，b e s i d e s t h em e t h o do f a p p l y i n ga c c e l e r a t i o ns e n s o ri nd e t e c t i n gt h ev i b r a n c yo f t h et e s t ， f r i c t i o nt o r q u es e n s o ri sa l s ou s e di nt e s tw h i c hi sm o r es e n s i t i v ed e t e c t i n g f a t i g u ec r a c k , a n dm a k e st h es y s t e md i a g n o s ef a t i g u em o r ee x a c t l y t h i r d ， w a v e l e ta n a l y s i si su s e df o rd a t ap r o c e s s i n g ，w h i c ho f f e r san e wd i r e c t i o nf o r c a t c h i n go r i g i n a ls t a t et i m e l ya n de x a c t l y t h et e s t si n d i c a t et h a tt h ee x p l o i t a t i o no fe x p e r i m e n tp l a t f o r mh a s i m p o r t a n tm e a n i n g t od e t e c tf a t i g u el i f eo f r o l l i n gb e a r i n g k e y w o r d sr o l l i n gh e a r i n g ，c o n t a c tf a t i g u e ，t e s tm a c h i n e ，f a i l u r ed i a g n o s i s ， d i g i t a lf i l t e r , w a v e l e ta n a l y s i s 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文滚动轴承疲劳试验机测 试系统和数据处理方法的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注 明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签字温镢望 日期：抛6 年l 明3 d 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 滚动轴承疲劳试验机测试系统和数据处理方法的研究系本人在燕 山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及 相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：温锻堂 导师签名：吻蝈豹召 日期：1 6 掣。月3 0 日 第1 章绪论 第1 章绪论 滚动轴承是广泛应用于现代机电设备中的一种高可靠性的基础元件。 2 0 世纪初期，当滚动轴承工业e jr j s u 兴起的时候，人们就观察到这么一个现 象，即使在理想( 例如正确的设计、选型、安装和调试、良好的润滑、密封 以及较轻的载荷) 条件下，由于滚动轴承表面材料受到高接触应力的反复作 用，表面或亚表面处便会产生裂纹，最终导致滚动轴承失效，即滚动轴承 疲劳失效l l 捌。对于同型号的滚动轴承，在一定的载荷下究竟能够运转多长 时间，是目前人们急切需要解决的问题。同时，滚动轴承生产厂家和用户 也迫切需要能够比较准确的预测出特定条件下轴承的承载能力与疲劳失效 寿命，并且希望这种疲劳寿命越长越好。 因此，开发出一种能够更精确测量疲劳寿命的试验机便成为滚动轴承 在实际应用中的一种迫切的需求刚l 。本课题就是围绕这样一个研究课题而 展开的。 1 1 本论文所涉及内容的研究现状及发展趋势 目前，国内外在应用试验装置进行滚动接触疲劳试验以获得滚动接触 疲劳失效的评估方法方面，主要有四球滚动接触疲劳试验，三球与锥体滚 动接触疲劳试验，五球与杆滚动接触疲劳试验，球与圆筒滚动接触疲劳试 验和一球滚动接触疲劳试验五种试验形式。 1 1 1 四球滚动接触疲劳试验 应用四个钢球的改进装置进行滚动接触疲劳试验是评估滚动接触疲劳 时应用最为广泛的试验形式，该试验装置【 7 1 的原理如图1 1 所示。 试验件部分由一个模拟角接触球轴承的装置组成，固定的钢杯相当于 轴承的外滚道，下面的三个钢球相当于轴承的滚动体，上面的一个钢球相 当于轴承的内滚道。上面的钢球通过夹头装配到传动轴上，并与下面三个 钢球接触，全部接触位置都浸入在润滑油中。传动轴的转速由转速计测量， l 燕山大学工学硕士学位论文 疲劳破坏时是由振动传感器控制试验自动停止。 图1 - 1四球滚动接触疲劳试验装置 f i g 1 - 1 f o u rb a l lr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t e r 1 1 2 三球与锥体滚动接触疲劳试验 将上述四球试验装置进行改进，可得三球与锥体之间滚动接触的疲劳 试验装置。该试验装置 g - 1 0 1 如图1 2 所示。 图1 2 三球与锥体滚动接触疲劳试验装置 f i g 1 - 2 t h r e eb a l l - c o n er o l l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t e r 2 第1 章绪论 该试验装置用进行过处理的圆锥替代了四球试验装置中上面的钢球， 同样相当于滚动球轴承的内滚道。改进后的试验装置能够正确模拟深沟球 轴承的运动，准确定义接触负载。进行滚动接触疲劳试验时同样是在润滑 条件下进行，疲劳破坏同样根据振动传感器检测到的振幅是否超过其预设 值来判断。 1 1 3 五球与杆滚动接触疲劳试验 图1 3 所示为五个钢球与杆之间滚动接触的疲劳试验装置 1 1 - 1 3 l 原理 图。 图1 3五球与杆滚动接触的疲劳试验装置原理图 f i g 1 - 3 t h e o r yd i a g r a mo f f i v eb a l l - r o dr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t e r 与四球试验装置相比，该装置将四球试验装置中上面的那个钢球替换 为一个与传动轴相连的杆，下面三个钢球替换为处于同一平面的环绕杆的 径向方向的五个钢球，钢杯则分为了上钢杯和下钢杯。通过杆的旋转带动 五个钢球的旋转。当杆带动五个钢球旋转时，五个钢球具有相同的旋转方 向，因此，每次杆旋转时应力循环的次数小于钢球的数量1 1 l l 。 1 1 4 球与圆筒滚动接触疲劳试验 图1 - 4 所示为球与圆筒之间滚动接触的疲劳试验装置1 1 4 , 1 5 1 原理图。装 燕山大学工学硕士学位论文 在铜槽中的钢球绕与旋转圆筒的中心轴相平行的固定轴旋转，钢球与圆筒 接触并产生纯滚动。振动探测器安装在水平臂上以监测零件表面疲劳破坏， 当振动值超过预设值的1 5 时，试验自动停止。 图1 4 球与圆筒滚动接触疲劳试验装置 f i g 1 - 4b a l l - o n c y l i n d e rr o i l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t e r 1 1 5 一球滚动接触疲劳试验 该试验原理如图1 5 所刹幡1 引。 f 图1 - 5一球滚动接触疲劳试验装置 f i g 1 - 5 o n eb a l lr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t e r 4 r 重 第1 章绪论 这晕中方法是利用钢球在试件表面滚动，钢球每滚动圈，试件承受一 次交变载荷。预先确定转速，根据表面开始产生疲劳破坏时的累计旋转圈 数( a p 载荷交变次数) ，或分析试件承受一定次数交变载荷后的表面状况， 确定其接触疲劳寿命。 这些试验装置在一定条件下可以进行滚动接触疲劳破坏试验，但仍存 在一些不足之处。 ( 1 ) 试验工况模拟受到实验装置限制，不能准确模拟真实工况，难以得 到正确结果，试验结果实用性差。 ( 2 ) 发现和诊断滚动接触疲劳裂纹只采用加速度传感器测量零件的振 动幅度的方法，这种方法只能够发现和诊断相对较大的疲劳裂纹和剥片， 并不能及早发现最初疲劳破坏产生的微裂纹，难以捕捉初始疲劳破坏形态。 ( 3 ) 受试验载荷与试验速度限制，试验周期长。 ( 4 ) 在线监测能力不强。 近年来。随着微型计算枫的普及和应用，以微机为核心的信号分析与 故障诊断系统得到了很大发展。微机信号分析与故障诊断系统不但具有灵 活性高、适应能力强、易于维护和升级的特点，而且易于推广应用，是高 质量、高效率、低成本地发展机械设备故障诊断的新途径。 传统的滚动轴承故障诊断方法有频域分析方法和时域分析方法，它们 对滚动轴承的分布式故障有很好的效果。但是对于局部缺陷，这些诊断方 法的应用效果不太理想，尤其是在故障的初期。近年来，新的诊断方法不 断涌现，最具代表性的便是时频分析方法【1 9 2 0 。时频分析方法可以有效地 应用于非平稳信号的分析，弥补了传统的基于快速傅利叶变换的频谱分析 只适用于平稳信号分析的缺陷。常用的时频分析方法有短时傅利叶变换、 w i g e r - v i l l e 分布和小波分析等。小波分柝是近几年才开始应用于振动信号 处理的时频分析方法，它能同时提供信号的时域和频域的局部化信息。小 波分析还具有多尺度性和数学显微特性，这些特性使得小波分析能够识别 振动信号中的突变信号。 许多机械设备在带故障运行时，都会伴随振动和冲击的发生，摩擦扭 矩也发生很明显的变化，这些变化也常常反映了机械的故障，目前的故障 燕山大学工学硕士学位论文 诊断方法大都以振动理论为基础，往往忽略了另一主要依据：摩擦扭矩。 因此，滚动轴承疲劳寿命的故障诊断发展趋势是必须研制新一代滚动接触 疲劳试验装置，应用更好的分析方法，从而能在近似真实工况的试验条件 下，准确、及时、快速地捕捉滚动接触的初始疲劳状态，为滚动轴承接触 疲劳机理分析提供可靠的数据。 1 2 该领域存在和待解决的问题 我国轴承行业的j j n 3 z n 造水平己经接近或达到国际先进水平，但是检 测试验水平非常落后。在国内的轴承行业中，基本上是靠人工察看轴承温 度和凭人耳来判断轴承疲劳点出现的试验状况，这里面有很大的主观成分， 而且发现不及时。这种方法完全不能满足生产上的需要了。 纵观世界轴承发展历史，轴承设计理论的建立和发展完全立足于大量 的轴承试验和应用的实践。新产品、新工艺、新材料的轴承除了在理论研 究上可行外，同时必须通过各种试验提供可靠的科学依据来分析和验证 【2 1 2 3 1 。为适应轴承工业技术的发展，并结合现代测试技术、自动化和计算 机技术的发展，需要有更先进的试验机器。目前，已有多种试验机及信号 分析仪可用于对轴承的故障诊断，但是功能上都比较单一，诊断出的疲劳 点都很大，所以寻找更佳的诊断方法，在信号预处理上采用更好的滤波技 术，尽可能减小轴承的疲劳点，能够及时诊断轴承早期的微小故障，以大 大提高诊断的灵敏度，同时也为提高和改进轴承的性能提供必要的试验数 据，这是轴承技术发展的迫切需要。本论文的关键在于把现代的诊断方法 和滤波技术应用到滚动轴承故障诊断中去。 1 3 课题的来源及研究意义 本课题的研究任务主要来源于河北省自然科学基金项目“超硬材料 p v d 、c v d 涂层滚动接触疲劳失效机理及摩擦学评估方法”。 轴承是旋转机械中应用最广的一种部件，它的运行状态是否正常往往 直接影响设备的性能，与其它的机械零部件相比，轴承具有一个很大的特 点是其寿命离散性很大，即使用同样的材料，同样的加工工艺，同样的生 6 第1 章绪论 产设备，同样的工人加工出一批轴承，其寿命相差也会很大，所以，轴承 监测及故障诊断在轴承工业中占有非常重要的地位。轴承疲劳寿命试验为 轴承的制造提供了准确数据，以此来衡量产品是否达到标准及发现加工的 问题。通过对这些数据进行处理分析，可为改进设计提供依据；验证设计 理论和所选参数的正确程度；考核加工工艺和材料性能是否达到预定要求； 为延长轴承的使用寿命提供可靠的理论依据r 4 7 s 。轴承故障诊断的目的是 保证轴承在一定的工作条件下( 承受一定的载荷，以一定的转速运转等) 和 一定的工作期间内( 一定的寿命) 可靠有效地运行，以保证整个机械的工作 精度。因此，轴承疲劳寿命试验及故障诊断具有重要的现实意义。 1 4 课题的研究内容 轴承损坏是很容易判断的，过去靠入耳听、手摸便能够判断出来，只 是疲劳点过大而已。如何利用计算机尽早判断出故障，使疲劳点尽可能地 小是这项工程的重点，也是本篇论文的重点。 本文主要完成了滚动轴承疲劳试验机测试系统设计，对系统采集信号 从硬件和软件上加以滤波处理，并采用小波分析对测得的振动信号进行处 理和分析，找出正常和异常轴承的不同特征，并以此作为判断轴承故障的 标准，具体内容如下。 第1 章介绍了目前国内外为获得滚动接触疲劳失效的评估方法方面应 用的几种滚动接触疲劳试验形式，总结了滚动轴承疲劳试验的发展趋势， 以及试验装置对轴承故障诊断的研究意义。 第2 章指出了导致滚动轴承接触疲劳的主要因素，阐述了滚动轴承失 效模式。 第3 章完成了滚动轴承疲劳试验机测试系统的整体方案设计，介绍了 传感器的选择及安装，对硬件电路原理和信号采集及处理方法做了详细分 析。 第4 章介绍了滚动轴承振动和扭矩信号的分析方法，并对理想轴承进 行了简要的理论分析。 第5 章提出了用数字滤波和小波分析对滚动轴承振动和扭矩信号进行 7 燕山大学工学硕士学位论文 处理的方法。通过对5 1 3 0 6 滚动轴承多次试验得到了试验数据，利用数字 滤波和小波分析对试验数据进行处理并仿真验证，对结果进行比较并加以 评价。 第2 章滚动轴承失效冈素及形式 第2 章滚动轴承失效因素及形式 2 1 接触疲劳概述 接触疲劳多产生于润滑良好且闭式传动的齿轮，滚动轴承和凸轮中。 轮齿间的接触、滚动体与内外圈等的接触，在加载前都是点接触或线接 触，加载后，由于材料变形，接触点或线就发展为面接触，同时会产生很 大的接触应力。金属承载变形时，将消耗很多能量，其中有9 0 以上转 变为热量，且大多数集中在接触区域，所以瞬时温度可达到很高，在微观 体积中形“微区”淬火，使之发生相变或组织转变，弹性和塑性降低，又由 于接触表面层内的塑性变形不均匀以及温度梯度的提高，以及该区域较大 的接触应力，促使相变和组织的转变，在重复接触下，引起循环应力即疲 劳应力，从而产生疲劳微裂纹( 其裂纹方向大多垂直于运动方向) ，形成接 触疲劳。 应用赫兹关于接触问题的计算公式研究可知【2 啦”，疲劳主要是由于接 触区切应力的周期出现和消长造成的。当一个表面在另一个表面作纯滚动 或滑动滚动时，最大切应力发生在次表层，在它的作用下，次表层内的材 料将产生错位运动、错位在非金属夹杂物及晶界等障碍处形成堆积。由于 错位的相互切割作用很容易产生空穴，空穴集中后形成空洞，进而变成原 始微裂纹，微裂纹在载荷作用下逐步扩展，最后折向表面。一旦形成微裂 纹，当有润滑油存在时，则微裂纹的内表面由于毛吸管作用而吸附润滑 油，在裂纹尖端处形成油楔，当滚动方向与裂纹方向一致时，滚动体接触 到裂口处会将裂口封住，由于裂纹中的润滑油不能外溢，从而使裂纹的两 内壁承受很大的挤压力，迫使裂纹与表面呈3 0 。 4 5 0 倾角向内扩展，扩展 到一定深度、起始裂口也张大到一定宽度时，裂纹上部的金属犹如悬臂梁 承受弯曲，当其根部强度不够时，会突然折断，使这部分金属剥落，在表 面形成一个凹坑，从而形成疲劳点蚀或疲劳剥落，通常凹坑深度为 1 0 0 - 2 0 01 t m ，随着凹坑的不断增多，承压面积逐渐减小，承受的载荷急 9 燕山大学工学硕士学位论文 剧增加，不仅使疲劳磨损加剧发展，而且会有发生疲劳断裂的危险。 滚动轴承若外圈固定，内圈与轴一起转动，由于一般情况下，轴的载 荷方向不变，所以外圈滚道上有一点受力最大，该点上产生的切应力 “。每一次循环都比其余点大，所以该点最早产生疲劳损坏，但对转动 的内圈，因承受最大切应力f 。的点是改变的，所以其疲劳寿命要比外圈 长。若是内圈固定外圈转动，按此原理分析则外圈的疲劳寿命要长于内 圈。纯滚动载荷产生的最大切应力离表层有一小段距离，该切应力反 复作用使材料产生裂纹，以后裂纹逐步向表面扩展，导致材料局部剥落形 成麻点，但在滚动接触表面若加上摩擦力或滑动力后，最大切应力的位置 将向表面靠近，当滑动力足够大时，裂纹源可能产生在表面而引起接触疲 劳破坏，这将严重影响滚动轴承的寿命。 随着人们对轴承研究的不断深入，疲劳寿命及可靠性作为轴承最重要 的性能，已引起各轴承生产单位及相关用户的广泛关注。但由于影响疲劳 寿命的因素太多再加上轴承疲劳寿命理论仍需完善，进行寿命试验无疑成 为评定这项指标的有效途径。 滚动轴承疲劳寿命试验是综合评定轴承质量的重要手段。而疲劳寿命 强化试验可以在不影响轴承疲劳失效机理及寿命分布的情况下，尽快地、 更好地取得理想数据，因此近年来得以广泛使用。 2 2 导致滚动轴承接触疲劳的主要因素 有关试验数据显示，如果对某一材料首先施加轻载，然后再施加重 载，较之先加重载，后加轻载，可以增加零件的疲劳寿命。现己查明，除 了所加载荷这个主要的因素外，滚动轴承的疲劳寿命还收到各种各样复杂 因素的影响1 2 “，以下对此作比较全面的综述与讨论。 ( 1 ) 疲劳裂纹诱导应力自从1 9 4 7 年和1 9 5 2 年瑞典科学家l u n d b e r g 和p a l m g r e n 提出最大动态剪切应力理论以来，一般认为接触表面下平行 于滚动方向的最大动态剪切应力是促使轴承疲劳失效的主要诱因【2 6 0 引， 即裂纹首先在最大动态剪切应力处生成，继而扩展到表面，产生接触疲劳 剥落。 l o 第2 章滚动轴承失效因素及形式 ( 2 ) 线接触条件下( 无摩擦) 的四种应力c h e n gw a n g q u a n 和郑绪云【2 9 】等 曾提到，在最大交变剪切应力、静态剪应力r 一、v o nm i s e s 等效应力 f 。和八面切应力r 。，中选择任何一种，在无摩擦线接触条件下，这四 种应力与最大赫兹接触应力，k 的关系分别如下 f o = o 2 5 0 p r 一= 0 3 0 0 p r 。= o 3 2 2 圪。 f = 0 2 6 3 同样，应力的深度：也可由下式算出 z o = 0 4 9 6 b z 一= o 7 8 5 b z 。= 0 0 7 0 4 b 。0 c r = o 7 0 4 b 其中，z o 为最大交变剪切应力，z 。为静态剪应力， 效应力，z o c t 为八面切应力，b 为接触面椭圆半轴。 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) z 一为v o n m i s e s 等 ( 3 ) 切向摩擦阻力的影响轴承在实际运转中沿接触面不可避免地存在 切向摩擦阻力；在弹流润滑和混合润滑时，存在切向摩阻力。切向力的存 在使得静态剪应力与正交剪切应力的数值增大，且其距离表面的深度变 小。线接触时，当摩擦系数大于0 3 时，v o nm i s e s 应力发生在接触表面 上：点接触时，而当摩擦系数为0 2 5 时，最大静态剪应力发生在接触表 面上【2 6 1 。 ( 4 ) 残余应力和环向应力的影响轴承钢在热处理时残余奥氏体向马氏 体转变过程中都会产生残余应力。此外，应力循环次数的增加也会影响到 测量的表面残余压应力值。z a r e t s k y 3 0 1 等人首先发表了残余应力的分析结 果，表明在静态剪应力的深度上存在残余压应力会使静态剪应力减小而提 高寿命。如果残余应力能使静态剪应力降低1 0 ，就可使滚动轴承疲劳 寿命提高一倍。t a l l i a n 3 1 3 2 对过去三十年内大量的轴承试验数据进行拟合 的的结果也表明残余压应力可以提高轴承寿命，而残余拉应力则减少轴承 寿命。当轴承的过盈配合选择过紧，或者转速过高而产生的离心力时，都 燕山大学工学硕士学位论文 会在滚动体和套圈中产生环向应力。c o e 等 3 3 】曾系统的研究了环向应力对 内圈及整套轴承寿命的影响，他们的结果表明，对于内径4 5l n r n 的角接 触球轴承，转速为l5 0 0r m i n 时，寿命大约降低1 1 1 7 ，而在30 0 0 r m i n 的转速下，寿命大约可降低2 1 , - - 2 2 。这种额外应力有可能使轴承 的寿命降低9 0 之多。 ( 5 1 疲劳极限应力l o a n n i d e s 和h a r r i s 3 5 1 提出基体材料的疲劳极限概 念，并且认为失效体积中不应只考虑最大交变剪切应力上方的体积，而应 当将这个应力体积的影响考虑进去；并且如果受应力体积内的最大应力小 于材料的疲劳应力，材料不会出现疲劳现象，此时零件将显示出几乎无限 的疲劳寿命。只有当受应力体积内的最大应力大于材料的疲劳极限应力 时，材料才具有有限数量的疲劳寿命。但是，z a r e t s k y 认为疲劳极限的引 入会提高寿命一荷指数，从而高估轴承的寿命【3 4 ，3 “。 ( 6 ) 表面粗糙度和弹性流体动力( e h l ) 润滑( 膜厚比) 的影响表面粗糙 度和e h l 润滑对寿命的影响是通过膜厚比获得的【3 ”。表面粗糙度对轴承 性能有相当大的影响，n a d u v i n a m a n i 等的研究表明表面粗糙度对摩擦学 性能的影响程度与粗糙度的类型以及轴承的几何形状有关。e h l 决定了 接触副的接触特性，并对轴承的振动和噪声产生影响。在e h l 状态下的 油膜厚度影响到摩擦副的摩擦学和动力学特性。工程中，随着轴承零件几 何误差和工艺缺陷的降低，润滑对轴承振动的影响已经日显重要。 ( 7 ) 表面处理的影响滚动体和套圈的表面处理技术可以改变滚子表层 的硬度、残余应力分布和材料的整体强度，从而提高轴承寿命。对于高频 淬火、激光淬火、渗碳硬化处理的滚子，硬化层越深，滚动疲劳强度不一 定越大。为此，这类表面处理技术存在一个最优硬化深度的问题。面对于 氮化、软氮化的滚子，滚动疲劳强度随着硬化深度的加大而增加。此外， 表面硬化处理还应当考虑表面粗糙度和残余应力的影响1 3 ”。 ( 8 ) 润滑油中污染颗粒的影响润滑油中污染颗粒对寿命影响的作用机 理可作如下解释，起初是两接触表面问进入污染颗粒，在滚道表面产生压 痕，当滚动体经过压痕时，压痕的边缘会产生应力集中并由此产生裂纹， 裂纹随着应力循环的不断重复而逐渐扩展，最终出现表面剥落。实际工业 1 2 第2 章滚动轴承失效因素及形式 使用中的轴承的大部分是以这种表面的疲劳剥落而最终失效的。 现已查明，当润滑油中污染颗粒的直径大于3 岫时，滚动疲劳寿命 可显著降低到其预测寿命的1 2 至1 7 以下。污染颗粒的直径越大，寿命 下降越多；污染颗粒的硬度越高，寿命降低也越多。另外，污染颗粒对寿 命的影响还必须和接触椭圆参数结合起来，接触椭圆越小。污染颗粒对寿 命的影响也越大p ”。 ( 9 ) 摩擦扭矩摩擦扭矩是滚动轴承的一项重要的使用性能，它直接影 响到能量的耗损。摩擦扭矩涉及到轴承运转过程中温度的上升，过分的温 度上升将使润滑剂劣化、磨损加剧、甚至导致滚动表面烧伤，轴承损坏。 滚动轴承的摩擦扭矩的产生是多种因素综合作用的结果，其中有滚动摩 擦，也有滑动摩擦；有固体间的摩擦，也有润滑剂的粘性阻力。滚动轴承 的摩擦主要来自以下几个方面：材料性滞后所引起的纯滚动摩擦：在滚动 接触面上的差动滑动所引起的摩擦；滚动体接触面中心法线的自旋滑动所 引起的摩擦；滑动接触部位的纯滑动摩擦；润滑剂的粘性摩擦。 ( 1 0 ) 温度温度是一个重要的物理量，很多重要的过程只有在定的 温度范围内才能有效地进行。因此对温度进行准确的测量和可靠的控制， 在工业生产和科学研究中均具有重要的意义。 不管是基于表面下应力的疲劳模型，还是以表面上缺陷为起点的模 型，都没有考虑到轴承接触区的发热对疲劳寿命的影响。实际上，轴承在 经过持续的运转过程中，必然会伴随有一定的温度升高，这种温升的幅度 应与接触面间的润滑油膜厚度、接触零件的表面特征以及载荷、运转速度 等参量有关。在摩擦面和摩擦介质都不变的情况下，速度的增加势必导致 摩擦产生的热量增加，从而摩擦力矩呈加速增加的趋势，轴承温度也随之 加速升高，这是由于随着转速的增加，球的离心力迅速增大的缘故。轴承 的温度及其变化趋势反映了轴承载荷、冷却、润滑等工况，因此实时监测 轴承温度的变化，对确保试验期间轴承运转的安全性有着重要的意义。 ( 1 1 ) 运转速度对疲劳寿命的影响m i l l e r 0 9 1 等的研究表明，轴承疲劳寿 命直接与瞬时接触时间有关。瞬时接触时间是指在最大载荷下滚动体在内 圈上滚过滚动体和内圈滚道接触椭圆宽度所需的时间。随着瞬时接触时间 燕山大学工学硕士学位论文 的增加，轴承的疲劳寿命也增加。运转越慢的轴承，其以转数计的寿命也 就越长。而另一方面，瞬时接触时间的长短还会影响到表面残余压应力， 从而间接地对疲劳寿命产生影响。但是，现有的所有寿命模型没有计入这 些影响因素，这是一个有待研究的课题。 ( 1 2 ) 振动振动信号可以反映机械的运行状态和结构的损伤。当两个 物体的表面互相反复接触时，这种过程将导致点蚀、剥落的形成和疲劳开 裂。两个物体的相对运动可以包括整体的或局部的滑动或滚动，或这些接 触形式的组合。通常，在相互接触的两个物体表面中的一个或两个可能受 到由振动或其它机械载荷引起的波动应力。 另外，由于润滑不良和混入异物等原因使滚动体表面劣化，致使滚动 表面原来的凹凸不平程度变得更加厉害，这种凹凸不平具有随机性，因此 由此引起的振动也具有随机性。只是由于凹凸形状的变大，相应的激振力 也会增大，由此产生的振动其振幅也会增大。当轴承的滚动体表面上产生 剥落和裂纹等局部缺陷时，随着轴承的运转，缺陷部分每当与其它元件表 面接触一次就会产生一个冲击脉冲力，该冲击具有明显的周期性，这种周 期性脉冲一旦出现，就说明该轴承的某个元件已产生了某种缺陷。由此可 见振动对轴承疲劳破坏的检测起着举足轻重的作用。 ( 1 3 ) 不失效寿命对寿命的影响t a l l i a n 在1 9 6 2 年对2 2 5 0 套轴承寿命 试验数据进行分析后，发现对于生存率在o 4 , - - 0 9 3 范围内，轴承的寿命 才近似服从二参数w e i b u l l 分布，超出此范围，则会有较大的偏离。后 来，s h i m i z os 和f z a w a 39 】在进行直线运动球轴承的疲劳试验时，发现在 低寿命区和高寿命区，试验数据并不遵从经典的二参数w e i b u l l 分布所预 测的直线关系。根据早期理论，当失效概率为0 时，轴承的疲劳寿命也应 当为0 ，但是在实际中，确实观察到有不失效寿命的存在。这个不失效寿 命就是轴承的最小寿命，它可以作为第三参数引入到寿命分布式中，从而 得到三参数w e i b u l l 寿命分布，其形式为 s = c x p 一( 生川 ( 2 - 9 ) 最近，s h m i z u e 3 9 】在结合疲劳试验数据对存在疲劳极限的三参数 1 4 第2 章滚动轴承失效因素及形式 w e i b u l l 分布进行分析后证实，轴承钢不存在疲劳极限，而结构钢存在一 个确定的疲劳极限。对于轴承钢，当疲劳极限为0 时，确实有必要引入不 失效寿命，并由此导出三参数w e i b u l l 分布函数。他的试验数据与三参数 w e i b u l l 分布具有相当好的吻合度。 ( 1 4 ) 材料纯净度( 含氧量) 的影响近半个世纪以来，钢材冶炼技术的进 步取得了长足的进展，特别是现代高清洁度钢开发成功【4 ，极大地提高 了轴承的疲劳寿命。 2 3 滚动轴承失效的基本形式 ( 1 ) 滚动轴承的磨损失效磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式。是 轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因或润 滑杂质引起的表面磨损。在工作环境恶劣的情况下，许多杂质会混杂在润 滑油中，进入轴承，从而就会在滚动体和滚道上产生磨料磨损，在滚动体 和滚道上出现不均匀的划痕。磨料的存在，是轴承磨损的基本原因。 ( 2 ) 滚动轴承的疲劳失效疲劳是滚动轴承的另一种失效形式，常表现 为滚动体或滚道表面剥落或脱皮。初期是在表面上形成不规则的凹坑，以 后逐渐延伸成片。滚动轴承在工作时，由于滚动体与内、外圈接触面积很 小，因此接触应力很大。在高速旋转时，由于巨大交变接触应力多次反复 作用，轴承元件金属表面就会发生疲劳，产生剥落，形成小凹坑。造成剥 落的主要原因是载荷引起的交变应力 4 1 , 4 2 1 ，有时是因为润滑不良或强迫 安装。 ( 3 ) 滚动轴承的腐蚀失效由于湿气或水分浸入轴承或由于使用了品质 不好的润滑油，就会在轴承表面形成腐蚀。轴承零件表面的腐蚀是由下面 三种原因造成的：第一种是润滑油水分或湿气的腐蚀；第二种是电腐蚀； 第三种是微振腐蚀1 4 3 】。 ( 4 ) 滚动轴承的断裂失效轴承零件的破断与裂纹主要是由于磨削或热 处理引起的，有的是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不 善，使轴承某个部位发生应力集中，产生裂纹，导致轴承元件断裂。 ( 5 ) 滚动轴承的压痕失效压痕是由于轴承过载、撞击或异物进入滚道 燕山大学工学硕士学位论文 内使得滚动体或滚道表面上产生局部变形而出现的凹坑。其原因主要是由 于装配不当，有时也可能是过载或撞击造成。 ( 6 ) 滚动轴承的胶合失效胶合发生在滚动接触的两个表面间，为一个 表面上的金属粘附到另一个表面的现象。当滚子在保持架内卡住，由于润 滑不良、速度过高和惯性力的影响，保持架的材料粘附到滚子端面上形成 螺旋型污斑状的胶合。表2 1 总结了滚动轴承失效的类型及其原因【4 4 1 。 表2 - 1 滚动轴承失效类型和原因分析 t a b l e2 - if a i l u r es t y l e sa n dr e a s o na n a l y s i so f r o l lb e a r i n g 失效类型 原因原因分析 持续重载 接触应力增大造成疲劳 对中不良增加疲劳损伤的可能性 滚动体与滚道剥落转动速度过高增加应力周期，加速表面疲劳 制造和材料缺陷金相组织不良，表面疲劳 设计不当承载力不足引起疲劳 滚动体与滚道接触边 持续重载轴向力使滚动体侧移 缘剥落 对中不良边缘受到重载大大增加接触应力 持续重载引起薄的油膜破裂 对中不赵滚子使滚道边缘部分油膜破裂 受力表面较大面积压 润滑不足或润滑剂不良油膜强度丧失引起金属与金属接触 光和微观剥落 制造和材料缺陷 表面粗糙度大造成表面油膜破坏 环境温度过高丧失油膜强度 对中不良 引起滚子滑动和螺旋运动 载荷过轻 牵引不足，导致滚动体打滑 滚动体和滚道严重污 润滑不足或润滑剂不良滚动体不能在油膜上滚动 痕和变色 转动速度过高轻载时增加打滑趋势 设计不当内部游隙过大导致打滑 滚道上出现长划痕和轴承失效，内部有间隙而油膜阻尼小 振动 摩擦腐蚀时可能出现 1 6 第2 章滚动轴承失效因素及形式 续表2 - 1 失效类型 原因 原因分析 滚动体和滚道产生椭 持续重载负载超过静承载能力 圆形凹痕斑和摩擦腐冲击载荷 能引起永久性凹痕 蚀 设计不当抗腐蚀能力差 对中不良使保持架受到破坏性载荷 保持架严重磨损与断 润滑不足或润滑剂不良保持架引导面无油膜分离 裂 转动温度过高保持架引导面受离心力 内部油隙增加、表面 油封不良沾染金属引起接触表面磨擦损伤 变粗、微观凹痕损痕 润滑不足或润滑剂不良 油中的腐蚀物或氧化物侵袭表面引起 滚动体和滚道点蚀和 损伤 锈斑腐蚀 油封不良腐蚀剂如水等损坏表面 有电流通过表面大面积点蚀 润滑不足或润滑剂不良散热能力不足 温升、轴承变色，咬 转动速度过高增加所产生的热量 合烧伤 环境温度过高使轴承散热不良 配合面上有锈蚀带变 装配不当配合过松导致徐动和微振腐蚀 色，发光，微振磨损 冲击载荷淬透钢脆裂 热处理不当导致滚动体与轴承圈产生 滚动体与轴承圈裂纹制造和材料缺陷 裂纹 装配不当配合过紧使轴承圈产生裂纹 轴承上有刻痕、凹痕 粗糙和错误的操作可能引起损伤，缩 操作不当 和划痕短寿命 润滑不足或润滑剂不良 引起金属滑动接触 圆锥滚子轴承挡边磨 控制端部游隙配合制定不正确或预加 设计不当 损过大载荷不当 装配不当 配合不正确使滚子端部受载增加 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先介绍了接触疲劳磨损的形成过程，分析了滚动轴承产生疲劳 的原因及其危害性，接着详细解释了导致滚动轴承接触疲劳的主要因素， 最后阐述了滚动轴承失效的基本模式。可见，进行滚动轴承疲劳寿命试验 是综合评定轴承质量的重要手段，具有重要的现实意义。 第3 章测试系统设计 第3 章测试系统设计 3 1 引言 如前所述，当我们对试件进行滚动接触疲劳失效试验时，当前的评估 方法已不能够使试验件在产生初始疲劳微裂纹之前避免因冲击应力产生的 初始微裂纹。例如，四球滚动接触疲劳等些试验装置，在模拟试验工况 时，由于受到试验装置的限制，往往使模拟情况背离真实工况，难以得到 真实准确的结果。在检测方面，当前的试验装置发现和诊断滚动接触疲劳 裂纹只是采用加速度传感器测量试件振动幅度的方法，这种方法只能够发 现和诊断相对较大的疲劳裂纹和剥片，并不能及早发现最初滚动接触疲劳 破坏产生的微裂纹，难以捕捉初始疲劳破坏形态，这样就对疲劳机理的研 究造成了很大的障碍。 鉴于上述情况，我们要设计和研制新一代滚动接触疲劳试验装置，模 拟真实工况，如真实接触应力、滑移速度、导热能力、润滑及冷却等等， 进行滚动接触疲劳及加速滚动接触疲劳试验，原理框图见图3 1 。 图3 - 1 试验机工作原理框图 f i g 3 - 1 o p e r a t i n gp f i n c i p l ed i a g r a mo f t h ed e t e c t i o nm a c h i n e 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 四路传感器的输出信号，首先要经过电压变换，即把非电压信号或者 非线性关系的电压信号，转换为和传感器的输入成线性关系的电压信号。 然后，再经过不同的滤波和放大后，进入到a d d 电路中。a d 电路把与传 感器检测量成正比的模拟电压转换为数字量，通过串行通信接口，送到微 机。微机把所采集的数据进行处理、显示、打印和存档，以便分析数据。 3 2 传感器的信号检测 3 2 1 振动信号检测 一般所进行的振动测试大致有以下几方面的内容：第一，振动基本参 数测量，如测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、效率和相位等参 数；第二，结构或部件的动态特性，以某种激振力作用在被测对象上，使 它产生受迫振动，测量输入( 激振力) 和输出( 被测对象振动响应) ，从而确定 被测对象的固有频率、阻尼、刚度和振型等动态参数，其中有的参数是由 测得的原始数据经分析处理后获得的。 在振动测试中，目前最为广泛应用的是电测法，即将被测对象的振动 量转换成电量，然后用电量测量仪器进行测量。测振传感器是电测法振动 测试装置的第一个环节。因此正确合理地选择或设计测振传感器是非常重 要的。 根据本试验装置和被测试件的结构特点，振动测量参数选择为对加速 度监钡, t j t 4 5 1 。由于疲劳试验装置体积小，根据被测试件疲劳破坏的初始状态 特点，对振动测量传感器有如下的要求 ( 1 ) 具有足够的灵敏度和测量精度； ( 2 ) 由于疲劳试验装置体积较小，因此要求振动传感器尺寸小，重量轻， 结构简单，性能稳定、可靠； ( 3 ) 适应恶劣环境，抗干扰能力强，如抗冲击、抗外界电磁场干扰等； ( 4 ) 钡l j 量范围大，对微小振动也能做出感应，并且能够用于动态测量。 本试验中轴承运行中发生的最大振动加速度限制为2 5m m ，环境温度 为室温。基于以上考虑以及测量、安装部位和工况条件等因素，振动传感 第3 章测试系统设计 器选用y d ，8 2 型压电式加速度传感器。压电式加速度传感器在很宽的频率 范围内具有平直的动态特性，性能稳定性好，质量