滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展

1、滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展 20077.111.299 来来源:现现代零部部件 作者者:李兴兴林 关键键词:轴轴承,机机械零部部件 滚滚动轴承承是广泛泛应用的的重要机机械基础础件，其其质量的的好坏直直接影响响到主机机性能的的优劣，而而轴承的的寿命则则是轴承承质量的的综合反反映，在在中国轴轴承行业业“十一五五”发展规规划中，重重点要求求开展提提高滚动动轴承寿寿命和可可靠性工工程技术术攻关。 低低载荷、高高转速的的传统轴轴承寿命命试验方方法周期期长、费费用高且且试验结结果的可可靠性差差，而强强化试验验则在保保持接触触疲劳失失效机理理一致的的前提下下，大大大地缩短短试验时时间，降

2、降低了试试验成本本，从而而加快了了产品的的开发周周期和改改进步伐伐，因此此轴承寿寿命强化化试验受受到越来来越多的的关注、研研究和应应用。轴轴承快速速寿命试试验包含含了比轴轴承寿命命强化试试验更为为广泛的的内涵，它它不仅在在寿命试试验方面面，而且且在寿命命试验的的设计，寿寿命数据据的处理理、分析析，寿命命的预测测评估，轴轴承失效效的快速速诊断、分分析、处处理等系系统技术术方面具具有更新新更广的的内容。 轴轴承寿命命理论的的现状及及发展 早早在19939年年，Weeibuull提提出滚动动轴承的的疲劳寿寿命服从从某一概概率分布布，这就就是后来来以其名名字命名名的Weeibuull分分布，认认为疲劳

3、劳裂纹产产生于滚滚动表面面下最大大剪切应应力处，扩扩展到表表面，产产生疲劳劳剥落，WWeibbulll给出了了生存概概率S与与表面下下最大剪剪切应力力、应力力循环次次数N和和受应力力体积VV的关系系：（1） 瑞典科科学家PPalmmgreen经过过数十年年的数据据积累，于于19447年和和Lunndbeerg一一起提出出了滚动动轴承的的载荷容容量理论论，又经经过五年年的试验验研究，该该理论才才得以完完善。该该理论认认为接触触表面下下平行于于滚动方方向的最最大交变变剪切应应力决定定着疲劳劳裂纹的的发生，考考虑到材材料冶炼炼质量对对寿命的的影响，同同时指出出：应力力循环次次数越多多、受力力体积越越

4、大，则则材料的的疲劳破破坏概率率就越大大，提出出了统计计处理接接触疲劳劳问题的的指数方方程：（2） 式中中 S轴承承使用寿寿命 00最大大动态剪剪切应力力振幅 z00最大大动态剪剪切应力力所在的的深度 c、ee、h待定定指数，由由轴承试试验数据据确定 V受应应力体积积 N应力力循环次次数，以以万次计计 经过推推导和大大量轴承承试验数数据分析析，获得得Lunndbeerg-Pallmgrren额额定寿命命计算公公式： (3) 式中 L110 基本本额定寿寿命，百百万转 Cr 基本本额定动动载荷，NN P 当量量动载荷荷，N 寿命指指数，球球轴承取取 3，滚滚子轴承承取100/3 该该公式1196

5、22年已由由ISOO列为推推荐标准准，并于于19777年修修正为正正式的国国际标准准ISOO 2881/1119977。 LL-P模模型能很很好地解解释滚动动轴承失失效机理理和预测测寿命，但但是随着着技术的的发展，特特别是炼炼钢技术术的极大大提高，使使得轴承承的实际际寿命比比计算寿寿命大很很多，人人们经过过研究发发现轴承承经过长长时间的的运转后后，也可可以从表表面产生生裂纹，然然后向深深处扩展展。200世纪770年代代初，CChiuu P和和Tallliaan TT E提提出了考考虑表面面的裂纹纹生成方方式的接接触疲劳劳工程模模型，该该模型可可以解释释一些LL-P模模型难以以解释的的问题，例例

6、如表面面粗糙度度、弹流流油膜厚厚度、切切向摩擦擦牵引力力以及润润滑介质质存在污污染物等等情况对对接触疲疲劳的影影响。220世纪纪80年年代，IIoannniddes E和HHarrris T AA在引进进了材料料疲劳极极限应力力和考虑虑应力体体积内各各点应力力及其深深度的情情况下，给给出了II-H模模型，该该模型比比L-PP模型考考虑的更更加细致致和接近近实际情情况。但但Zarretssky E VV认为该该模型高高估了轴轴承的寿寿命。ZZareetskky EE V提提出的基基于Weeibuull模模型基础础上的修修正模型型、Chhengg W Q和CChenng HH S提提出的用用疲劳裂

7、裂纹产生生的时间间来表示示轴承寿寿命的CC-C模模型、TTallliann T E提出出的T模模型、YYu WW K和和Harrriss T A提出出的Y-H模型型都从不不同的角角度提出出了对寿寿命的预预测方法法。 220世纪纪80年年代，瑞瑞典SKKF轴承承公司的的研究人人员在LL-P理理论的基基础上得得出了通通用的轴轴承寿命命计算模模型，而而L-PP模型仅仅是该理理论模型型的一种种特殊情情况。该该新寿命命理论数数学模型型在19984年年ASMME/AASCEE联合润润滑会议议上发表表。该理理论可用用下式表表示： (4) 式式中 u为材材料疲劳劳极限应应力 疲疲劳裂纹纹产生的的诱发应应力，可

8、可为最大大交变剪剪切应力力，最大大静态剪剪应力，最最大八面面剪切应应力 VVR受应力力体积区区域 ZZ为应力力所在的的平均深深度 NN应力力循环次次数，以以百万次次计 SS（N）轴承使用概率 AA常数数 cc、e、hh待定定指数，由由轴承试试验数据据确定 该该理论引引入了局局部应力力和材料料疲劳极极限的概概念，计计算的出出发点是是局部应应力，更更加符合合疲劳强强度的设设计思路路，按照照该理论论，计算算额定寿寿命简化化式可表表示为：(5) 其其中aSSKF为为寿命调调整系数数，它包包括了润润滑、污污染、疲疲劳极限限和轴承承当量动动载荷之之间的复复杂关系系，它的的值由污污染系数数c、轴轴承疲劳劳极

9、限载载荷Puu、当量量动载荷荷P和粘粘度系数数K之间间的函数数关系给给出。c系数数则考虑虑了润滑滑剂的污污染及其其对轴承承寿命的的影响。目目前这一一理论仅仅在SKKF内部部使用。 在在国际标标准ISSO 2281:19990中也也给出了了修订的的额定寿寿命计算算式： LLna=a1aaxyzzL100 (6) 该该修订公公式中的的修正系系数axxyz考考虑到材材料、润润滑、环环境、杂杂质颗粒粒、套圈圈中内应应力、安安装和轴轴承载荷荷等因素素对轴承承寿命的的影响。目目前该修修正式已已被我国国正式引引用并作作为我国国滚动轴轴承行业业产品寿寿命的推推荐性文文件。 科科学准确确地预测测轴承疲疲劳寿命命

10、一直是是机械工工程学者者关心又又难以解解决的难难题，三三参数WWeibbulll分布和和修正的的Pallmgrren-Minner疲疲劳损伤伤累积法法将是滚滚动轴承承应用中中亟待研研究的课课题，同同时建立立关于轴轴承疲劳劳机理研研究、失失效因素素分析、材材料冶炼炼加工工工艺、试试验数据据分析等等的数据据库也是是任重道道远。 轴轴承寿命命快速试试验机的的现状及及发展 220世纪纪早期，我我国轴承承行业一一直沿用用前苏联联的ZSS型轴承承寿命试试验机进进行轴承承寿命试试验，这这种试验验机的性性能已明明显落后后于试验验发展需需要。从从美国引引进的FF&M 5新型滚滚动轴承承疲劳寿寿命试验验机除了了价

11、格昂昂贵外，还还采用气气动高压压动力源源和600Hz的的电频率率，不太太适合中中国的国国情。因因此在220世纪纪的900年代，在在吸取国国外先进进试验机机的基础础上，杭杭州轴承承试验研研究中心心研制了了新一代代自动控控制滚动动轴承疲疲劳寿命命强化试试验机BB10-60RR及其改改进的AABLTT系列滚滚动轴承承疲劳寿寿命强化化试验机机，大大大地推进进了中国国轴承行行业轴承承寿命试试验系统统技术的的进步。 11. ZZS型和和F&MM 5型滚动动轴承疲疲劳寿命命试验机机主要性性能参数数 ZZS型滚滚动轴承承疲劳寿寿命试验验机的主主要性能能参数见见表1 ZS型和FF&M 5型滚动动轴承疲疲劳寿命命

12、试验机机的性能能比较见见表2。 22. AABLTT-1（BB10-60RR）型滚滚动轴承承疲劳寿寿命强化化试验机机主要性性能参数数 与与ZS型型和F&M 55型滚动动轴承疲疲劳寿命命试验机机相比，AABLTT-1（BB1060RR）型试试验机主主要作了了如下改改进： （11）在 F&MM 5型试验验机的基基础上，设设计一套套在径向向和轴向向都装有有薄膜油油缸的试试验头座座组合件件，加载载油缸传传递推力力时有调调整件和和补偿件件，保证证了精度度。设置置手动辅辅助返回回动作机机构，以以利试验验头的顺顺利装拆拆等。 （22）传动动轴由两两套深沟沟球轴承承悬臂支支撑，传传动轴一一端固定定，一端端游动

13、，用用弹簧消消隙，电电动机座座部件支支撑倒悬悬，结构构紧凑，增增加减振振措施，增增强了稳稳定性。 （33）加载载系统采采用薄膜膜式液压压缸，占占用空间间小、成成本低，同同时液压压缸进出出油口安安装电磁磁换向阀阀，便于于自动控控制。 （44）温度度记录装装置和振振动信号号处理装装置等附附属装置置挂于机机架上。 该该型号试试验机的的主要性性能参数数如表33所示。 3. ABBLT系系列滚动动轴承疲疲劳寿命命强化试试验机主主要性能能参数 在在消化吸吸收和改改进各种种轴承寿寿命试验验机的基基础上，我我国自行行设计研研制的AABLTT（Acccelleraatedd Beeariing Liffe TT

14、estter）系系列滚动动轴承疲疲劳寿命命强化试试验机，具具有完全全自主知知识产权权的新型型轴承寿寿命试验验技术和和方法，通通过个性性化设计计，能满满足大多多数滚动动轴承疲疲劳寿命命强化试试验的需需要。其其主要性性能参数数如表44所示。 220世纪纪90年年代以前前，我国国的轴承承行业一一直沿用用前苏联联的ZSS型试验验机和试试验规范范进行轴轴承的寿寿命试验验，该试试验技术术试验精精度低、加加载系统统不稳定定、没有有自动控控制系统统，远远远不能满满足大量量试验工工作的需需要。AABLTT-1寿寿命强化化试验机机试验技技术一定定程度地地采用了了自动化化控制技技术，具具有操作作方便、精精度大大大提

15、高、使使用可靠靠、减少少了劳动动强度。AABLTT系列疲疲劳寿命命强化试试验机吸吸收了以以前试验验技术的的优点，进进一步加加强和完完善了自自动化控控制水平平。目前前这一轴轴承寿命命强化试试验系统统技术已已被瓦房房店轴承承集团有有限公司司检测试试验中心心、宁波波摩士轴轴承研究究院、重重庆长江江轴承工工业有限限公司 、中国国石化润润滑油公公司天津津分公司司 、杭杭州诚信信汽车轴轴承有限限公司等等国内外外众多用用户广泛泛认可并并应用。 在在ABLLT系列列试验机机的基础础上，进进一步开开发A22BLTT+F22ASTT（Auutommatiic AAcceelerrateed BBearringg

16、Liife Tessterr & Fasst FFailluree Annalyysiss Syysteem TTechhnollogyy）寿命命强化试试验机和和进一步步研究开开发包括括快速失失效诊断断技术、快快速失效效分析技技术、快快速失效效处理技技术等三三大方面面技术，将将是我们们轴承行行业试验验机研发发的下一一个重要要的课题题。 轴轴承快速速寿命试试验技术术现状及及发展 由由于影响响轴承寿寿命的因因素太多多、太复复杂，而而轴承疲疲劳寿命命理论仍仍需进一一步完善善，因此此进行寿寿命试验验成为评评定轴承承寿命的的主要手手段。相相对于SSKF、IINA/FAGG、Tiimkeen/TTorrr

17、inggtonn、NSSK等国国外公司司，我国国轴承寿寿命试验验起步较较晚，对对失效机机理等基基础理论论研究不不足，目目前尚处处于大量量积累试试验数据据的阶段段。但是是经过十十几年的的努力和和发展，我我国的轴轴承寿命命试验技技术已经经得到了了较大的的发展并并有很大大的发展展前景。早在20世世纪400年代，美美国就对对产品的的设计开开始采用用单因素素环境模模拟的研研制试验验与鉴定定试验，用用来检验验设计的的质量和和可靠性性。200世纪770年代代，则开开始采用用综合环环境模拟拟可靠性性试验、任任务剖面面试验和和验收模模拟试验验。在此此后的很很长时间间内这些些试验方方法成为为保障产产品可靠靠性的主

18、主要手段段。但由由于环境境模拟耦耦合作用用的复杂杂性、高高成本以以及试验验结果的的滞后性性，使得得该类模模拟试验验技术丧丧失了一一定的优优势。 与与模拟试试验的思思路相反反，环境境应力激激发试验验则是用用人为的的施加环环境应力力的方法法，加速速激出并并清除产产品潜在在缺陷来来达到提提高可靠靠性的目目的。从从早期的的高温、温温度循环环、温度度冲击等等激发试试验的形形式，发发展为现现在公认认的高温温变率的的温度循循环和宽宽带随机机振动，试试验所施施加的应应力不必必模拟真真实环境境，只要要激发的的效率越越高越好好。随着着该试验验技术的的蓬勃发发展，有有人试图图用标准准的形式式来加速速这一技技术的发发

19、展，但但这种思思路容易易将试验验方法重重新拉回回到模拟拟试验的的轨道上上去，况况且不同同的缺陷陷类型和和不同失失效机理理必须使使用不同同的应力力筛选方方案来进进行，因因此这种种以标准准试验方方法来规规范试验验的方法法是不可可取的。 目目前轴承承行业广广泛采用用的可靠靠性强化化试验技技术是依依据故障障物理学学，把故故障或失失效当作作研究的的主要对对象，通通过发现现、研究究和根治治故障达达到提高高可靠性性的目的的。实践践证明，该该方法效效果显著著，并且且与常规规试验技技术具有有等效性性和可比比性。前前苏联、瑞瑞典的SSKF、日日本的NNSK、NNTN、英英国的RRHP(现为日日本NSSK-RRHP

20、)、奥地地利的SSTEYYR（现现为SKKF-SSTEYYR）、美美国的SSKF和和F&MM公司均均采用加加大试验验载荷来来达到快快速试验验的目的的。日本本和欧美美等国家家的深沟沟球轴承承强化试试验中所所采用的的试验载载荷已经经接近或或超过额额定载荷荷的一半半，如表表5所示示。 模模拟试验验技术近近年来得得到广泛泛的重视视，但是是模拟试试验成本本较高、周周期太长长和模拟拟耦合的的复杂性性，使得得模拟试试验呈积积木式、模模块化方方向发展展。激发发试验技技术虽然然国外有有一定的的研究，但但是国内内轴承行行业目前前还很少少做过该该类试验验，同时时这种试试验方法法目前都都是在设设计没有有缺陷的的前提下

21、下，针对对生产过过程的缺缺陷，对对于设计计缺陷还还不能很很好的排排除。 试试验技术术的智能能化和个个性化将将是轴承承寿命试试验技术术将来的的发展方方向，根根据特定定的试验验条件，设设定转速速谱和载载荷谱等等以满足足试验的的要求，同同时应用用人工智智能和专专家系统统等知识识库技术术来进行行智能化化处理。220055年100月，第第一作者者曾赴欧欧洲考察察三周，在在德国慕慕尼黑技技术大学学等培训训学习汽汽车模拟拟试验技技术，并并实地考考察了IINA/FAGG轴承公公司、KKLUBBER润润滑脂公公司及其其测试中中心的模模拟试验验现场情情况，对对此有了了更深刻刻的感悟悟。 轴轴承寿命命试验数数据处理

22、理及发展展 由由于轴承承寿命非非常离散散，一批批同结构构、同材材料、同同热处理理、同加加工方法法的轴承承在相同同的工况况下，其其最高寿寿命和最最低寿命命相差几几十倍甚甚至更多多，因此此对疲劳劳寿命试试验数据据需要用用数理统统计方法法进行处处理。近近似服从从滚动轴轴承疲劳劳寿命的的理论分分布有韦韦布尔（WW. WWeibbulll）分布布以及对对数正态态分布（寿寿命值取取对数后后符合正正态分布布）等，但但由于韦韦布尔分分布更加加接近于于寿命试试验结果果，而且且数据处处理比较较方便，所所以目前前论述轴轴承寿命命的分布布时，绝绝大多数数用二参参数的韦韦布尔分分布，其其分布函函数为：（7）式中 F(L

23、)在规规定的试试验条件件下，轴轴承运转转到L小小时而破破坏的概概率 b韦布布尔分布布斜率，描描述轴承承寿命的的离散性性和稳定定性 v韦布布尔分布布的特征征寿命，即即当F(L)=0.6632时时对应的的轴承寿寿命小时时数 L轴承承出现疲疲劳破坏坏时运转转小时数数。 早早期国内内主要依依据JBB/T770499-19993标标准中提提出的数数据处理理方法，利利用最佳佳线性不不变估计计、最大大似然估估计法或或Weiibulll图法法，估计计出轴承承寿命的的韦布尔尔参数bb和V，从从而求出出试验寿寿命和可可靠性等等参数。这这种方法法较为准准确，适适合于完完全试验验、定数数截尾试试验、分分组淘汰汰等试验验的数据据处理，但但是使用用该方法法需要一一定数量量的试验验数据，否否则不能能准确地地估计出出真实的的轴承寿寿命。JJB/TT70449-119933现修订订为JBB/T5500113-220000。JBB/T5500993-119977推荐了了另外一一种数据据处理思思路，即即先假设设韦布尔尔斜率，设设置了质质量系数数、检验验水平、接接受门限限、拒绝绝门限等等参数，从从而减少少了很多多以前烦烦琐的数