滚动轴承寿命性能试验技术现状及发展.ppt

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:dr.lixinglin),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/IEC17025,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/IEC17025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,HBRC：Highlevel/quality/technology,高水准、高质量、高科技,HBRC理念,HBRC：Benefitthecustomerforever,永远利益客户,HBRC理念,HBRC：Research,developmentandproductionthroughinnovation,创新研究、开发及生产的综合能力,HBRC理念,HBRC：Concentrationonpeople,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ISO281/11977。,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：aSKF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Pu、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.ISO281:1990修订的额定寿命计算式：该修订公式中的修正系数axyz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，ChiuP和TallianTE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，IoannidesE和HarrisTA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ZaretskyEV认为该模型高估了轴承的寿命。ZaretskyEV提出的基于Weibull模型基础上的修正模型、ChengWQ和ChengHS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、TallianTE提出的T模型、YuWK和HarrisTA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（GustafLundberg）教授和SKF的A.帕尔默哥莱（ArvidPalmgren）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ISO281标准的滚动轴承寿命的计算公式,L10=C/Pe,式中；C轴承额定动载荷；C=f（DW、Le、Z）P轴承当量动载荷；e寿命计算系数；滚子轴承；e10/3、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&M5”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：,3.ZS型和F&M5”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,4.ABLT系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数,轴承寿命快速试验机的现状及发展,5.试验机的发展：在持续消化吸收和改进各种轴承寿命试验机的基础上，我国自行设计研制的ABLT（AcceleratedBearingLifeTester）系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机，具有完全自主知识产权的新型轴承寿命试验技术和方法，通过个性化的设计，基本能满足大多数滚动轴承疲劳寿命强化试验的需要。其主要性能参数如表4所示。上世纪90年代以前，我国的轴承行业一直沿用前苏联的ZS型试验机和试验规范进行轴承的寿命试验，该试验技术试验精度低、加载系统不稳定、没有自动控制系统，远远不能满足大量试验工作的需要。ABLT-1寿命强化试验机试验技术一定程度地采用了自动化控制技术，具有操作方便、精度大大提高、使用可靠、减少了劳动强度。ABLT系列疲劳寿命强化试验机产权吸收了以前试验技术的优点，进一步加强和完善了自动化控制水平。在ABLT系列试验机的基础上，进一步开发A2BLT+F2AST（AutomaticAcceleratedBearingLifeTester&FastFailureAnalysisSystemTechnology）寿命强化试验机和进一步研究开发包括快速失效诊断技术、快速失效分析技术、快速失效处理技术等三大方面技术，将是我们轴承行业试验机研发的下一个重要的课题。,轴承寿命快速试验机的现状及发展,科研成果,已取得了显著的经济效益和社会效益负责研究的滚动轴承寿命强化试验系统（A2BLT+F2AST），属国内独创，该项目已产业化生产，并解决了关键技术问题，产品已系列化：ABLT-1A，ABLT-2，ABLT-3，ABLT-4，ABLT-5，已生产销售200余台，创产值2500余万元，替代进口产品，为国家节省外汇6000余万美元。,科研成果,国家发明专利4项“滚动轴承寿命强化试验机及其试验方法”,“汽车轮毂轴承单元摩擦力矩试验机及其试验方法”,“汽车轮毂轴承单元防尘性能模拟试验机及其试验方法”,“密封轴承多功能试验机及其试验方法”已申请四项国家发明专利，而且均已公示。,1.引言由于影响轴承寿命的因素太多、太复杂，而轴承疲劳寿命理论仍需进一步完善，因此进行寿命试验成为评定轴承寿命的主要手段。相对于SKF、INA/FAG、Timken/Torrington、NSK等国外公司，我国轴承寿命试验起步较晚，对失效机理等基础理论研究不足，目前尚处于大量积累试验数据的阶段，经过十几年的努力和发展，我国的轴承寿命试验技术已经得到了较大的发展并有很大的发展前景。,轴承快速寿命试验技术的现状及发展,2.环境模拟可靠性试验早在20世纪40年代，美国就对产品的设计开始采用单因素环境模拟的研制试验与鉴定试验，用来检验设计的质量和可靠性。20世纪70年代，则开始采用综合环境模拟可靠性试验、任务剖面试验和验收模拟试验。在此后的很长时间内这些试验方法成为保障产品可靠性的主要手段。但由于环境模拟耦合作用的复杂性、高成本以及试验结果的滞后性，使得该类模拟试验技术丧失了一定的优势。,轴承快速寿命试验技术的现状及发展,3.环境应力激发试验与模拟试验的思路相反，环境应力激发试验则是用人为的施加环境应力的方法，加速激出并清除产品潜在缺陷来达到提高可靠性的目的。从早期的高温、温度循环、温度冲击等激发试验的形式，发展为现在公认的高温变率的温度循环和宽带随机振动，试验所施加的应力不必模拟真实环境，只要激发的效率越高越好。随着该试验技术的蓬勃发展，有人试图用标准的形式来加速这一技术的发展，但这种思路容易将试验方法重新拉回到模拟试验的轨道上去，况且不同的缺陷类型和不同失效机理必须使用不同的应力筛选方案来进行，因此这种以标准试验方法来规范试验的方法是不可取的。,轴承快速寿命试验技术的现状及发展,4.比较目前轴承行业广泛采用的可靠性强化试验技术是依据故障物理学，把故障或失效当作研究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。实践证明，该方法效果显著，并且与常规试验技术具有等效性和可比性。前苏联、瑞典的SKF、日本的NSK、NTN、英国的RHP(现为日本NSK-RHP)、奥地利的STEYR（现为SKF-STEYR）、美国的SKF和F&M公司均采用加大试验载荷来达到快速试验的目的。日本和欧美等国家的深沟球轴承强化试验中所采用的试验载荷已经接近或超过额定载荷的一半，如表5所示。模拟试验技术近年来得到广泛的重视，但是模拟试验成本较高、周期太长和模拟耦合的复杂性，使得模拟试验呈积木式、模块化方向发展。激发试验技术虽然国外有一定的研究，但是国内轴承行业目前还很少做过该类试验，同时这种试验方法目前都是在设计没有缺陷的前提下，针对生产过程的缺陷，对于设计缺陷还不能很好的排除。,轴承快速寿命试验技术的现状及发展,.发展试验技术的智能化和个性化将是轴承寿命试验技术将来的发展方向，根据特定的试验条件，设定转速谱和载荷谱等以满足试验的要求，同时应用人工智能和专家系统等知识库技术来进行智能化处理。2005年10月，第一作者曾赴欧洲考察三周，在德国慕尼黑技术大学等培训学习汽车模拟试验技术，并实地考察了INA/FAG轴承公司、KLUBER润滑脂公司及其测试中心的模拟试验现场情况，对此有了更深刻的感悟。,轴承快速寿命试验技术的现状及发展,早期国内主要依据JB/T7049-1993标准中提出的数据处理方法，利用最佳线性不变估计、最大似然估计法或Weibull图法，估计出轴承寿命的韦布尔参数b和V，从而求出试验寿命和可靠性等参数。这种方法较为准确，适合于完全试验、定数截尾试验、分组淘汰等试验的数据处理，但是使用该方法需要一定数量的试验数据，否则不能准确地估计出真实的轴承寿命。JB/T7049-1993现修订为JB/T50013-2000。,轴承寿命试验数据处理现状及发展,JB/T50093-1997推荐了另外一种数据处理思路，即先假设韦布尔斜率，设置了质量系数、检验水平、接受门限、拒绝门限等参数，从而减少了很多以前烦琐的数据处理，较适用于定时截尾的试验方法，可以减少试验失效套数，减少试验时间，节