高速重載特大型軸承可靠性試驗方案探討

1 引 言

高速重載特大型軸承是某型主機的重要承載部件，它的性能和可靠性對整個主機的性能和可靠運行起著至關重要的作用，一旦發生故障會嚴重影響主機的使用，造成重大的經濟損失。

高速重載特大型軸承是一種高轉速、重載荷和大規格的特種滾動軸承，其使用工況十分惡劣，國內目前沒有與某型主機相配套的標準軸承和軸承試驗機。為此，需要針對某型主機的實際使用工況，研制高速重載特大型軸承和與之相適應的軸承試驗機，對軸承進行性能試驗和可靠性試驗研究。

2 軸承壽命預測

軸承壽命預測方法受諸多因素的影響，如何科學準確地預測軸承壽命一直是科研人員關心又難以解決的難題。隨著科技進步與人類認識的深入，軸承壽命的預測結果也越來越精確。盡管如此，軸承壽命的預測仍存在很多不確定性。

根據某型主機的使用特點，高速重載特大型軸承具有瞬間起動，速度載荷迅速達到最大值和突然停止的工況特點，軸承理想的載荷譜和轉速譜如圖1所示。其中，T為一次使用的工作周期，T間為兩次間隔時間，nmax和Pmax分別為最大工作轉速和最大工作載荷。

圖1 軸承理想的載荷譜和轉速譜

在實際使用中，高速重載特大型軸承的當量動載荷和最大工作轉速都很高，并且軸承運行過程中承受很大的沖擊載荷，大大增加了精確預測軸承壽命的難度。

根據Lundberg-Palmgren壽命理論、Ioannides-Harrix壽命理論和最新的Tallian壽命理論以及相對應的軸承壽命預測模型[1-3]，結合軸承材料、冶煉方法、制造精度、表面缺陷、應力場特征、潤滑類型、使用環境和維護保養狀況等多種因素，工程上提出了多種軸承壽命計算公式。

1) 滾動軸承基本壽命計算公式：

2) 1971年ISO額定壽命的修正公式：

3) 瑞典SKF公司額定壽命的修正公式：

4) 1990年ISO281額定壽命的修正公式[4]：

5) 德國FAG公司額定壽命的修正公式：

上述公式中，L為軸承壽命；C為基本額定動載荷；P為當量動載荷；ε為壽命指數；a1為可靠性修正系數；a2為材料系數；a3為使用條件系數；aSKF為壽命調整系數；axyz為壽命修正系數；Cg為幾何系數；Cl為載荷系數；Cs為速度系數；Cv為粘度系數；Cgr為脂潤滑系數。

無論采用何種軸承壽命公式，載荷和轉速對軸承的壽命都有很大影響。當載荷過大時,會在滾動體與滾道接觸區產生永久變形或應力集中，使軸承壽命降低；當軸承轉速過高時，溫升顯著提高，打滑加劇，則會使軸承產生過熱或保持架斷裂，同時由于離心力的作用，滾動體與外圈的接觸載荷增大，也使軸承壽命降低。根據軸承壽命預測，高速重載特大型軸承的壽命比通常軸承的壽命要低得多。

3 軸承試驗機

為確保某型主機的可靠使用和安全運行，在該特大型軸承裝機前，必須對軸承進行可靠性試驗，以初步確定軸承的壽命，因此針對高速重載特大型軸承的載荷譜和轉速譜要求，專門研制了滿足特殊使用要求的軸承試驗機，如圖2所示。

圖2 軸承試驗機

軸承試驗機采用飛輪蓄能、滾輪加載、齒輪傳動的方式，實現規定的載荷和轉速變化規律，其工作原理是：由加速飛輪通過轉速軸帶動模擬輪產生軸承旋轉，加載飛輪通過傳動系統帶動凸輪旋轉，凸輪通過彈性單元和模擬輪將載荷加載在被測軸承上。

通過對軸承試驗機的研制，其功能已基本滿足高速重載特大型軸承的載荷和速度要求。圖3為某試驗工況下的軸承載荷曲線和轉速曲線。

圖3 某試驗工況下的軸承載荷曲線和轉速曲線

4 軸承失效類型

軸承在工作過程中，出現故障或不能正常工作的現象就稱為“失效”。軸承失效一般分為止轉失效和喪精失效兩種，其中止轉失效是軸承停止轉動，而失去其工作能力；喪精失效是軸承因幾何尺寸變化改變了原來的配合間隙，失去原設計要求的旋轉精度，雖尚能繼續轉動，但屬非正常運轉。

由于軸承工作條件、失效影響因素的差異，軸承產生失效的形式和形貌特征亦各不相同，按其損傷機理大致可分為：接觸疲勞失效、永久變形失效、摩擦磨損失效、斷裂失效、腐蝕失效和游隙變化失效等幾種失效模式，其中疲勞剝落、永久變形和磨損是高速重載特大型軸承的主要失效形式。

4.1 疲勞剝落

軸承承受載荷而有相對運動的接觸表面，由于反復承受載荷作用，首先在表面下一定深度處，強度較弱的部分形成裂紋，繼而發展到接觸表面，使表層金屬成片剝落，致使軸承不能正常工作。這種疲勞剝落現象，導致最終滾動軸承無法工作。

4.2 永久變形

軸承承受載荷后，在滾動體和滾道接觸處產生塑性變形，載荷過重時，會在滾道表面形成塑性凹坑，而使軸承在運轉中產生劇烈的振動和噪聲。當外界硬粒進入軸承時，也可在接觸表面形成壓痕。另外過大的沖擊載荷或當軸承靜止時，由于振動等因素都會使接觸處形成凹坑。

4.3 磨 損

由于滾動體和滾道的相對運動和污物塵埃的侵入，使滾動體和滾道表面產生磨損，磨損量較大時，使軸承游隙、噪聲、振動增大，并造成溫度升高、摩擦力矩加大，降低了軸承的運動精度，致使軸承不能正常工作。

5 軸承可靠性試驗方案

5.1 可靠性試驗方法

由于影響軸承壽命的因素很多，因此，進行可靠性試驗成為評定軸承的主要手段。軸承可靠性試驗方法主要有可靠性模擬試驗、環境應力激發試驗、可靠性強化試驗或快速壽命試驗等試驗方法。對高速重載特大型軸承而言，受軸承試驗機裝機容量、試驗載荷、試驗轉速以及軸承樣本數量等條件的限制，高速重載特大型軸承可靠性試驗宜采用可靠性模擬試驗方法，不宜采用環境應力激發試驗、可靠性強化試驗或快速壽命試驗等方法。在可靠性模擬試驗中宜采用定時截尾試驗和定數截尾試驗等兩種試驗方法。

5.2 可靠性試驗的監控方法

高速重載特大型軸承進行可靠性試驗時，為及時掌握軸承的運行狀態，可通過以下4種方法監控軸承試驗狀態、判斷軸承是否失效。

1) 振動頻率法：當軸承表面出現疲勞剝落、壓痕或局部腐蝕時，軸承運行中會出現周期性的脈沖信號，通過振動傳感器，將振動信號數據傳輸給計算機進行分析對比各周期的頻率值。

2) 溫升法：用紅外溫度傳感器測量軸承外圈的溫度變化，通過計算機記錄整個試驗過程的溫度數據。

3) 噪聲法：用噪聲計監控軸承運行中的噪聲情況。

4) 定期拆檢法：定期對軸承進行拆檢，檢測軸承滾動體和滾道表面的接觸狀態。

在上述四種方法中，定期拆檢法是判斷軸承失效與否最直接、最有效的方法，而前3種通過在線監測監控軸承的運行狀態。

5.3 試驗數據處理方法

軸承疲勞壽命符合二參數威布爾分布[5]：

式中，F(L)為在規定的試驗條件下，軸承運轉到L小時而破壞的概率；b為威布爾分布斜率；v為威布爾分布的特征壽命；L為軸承出現破壞時的運轉小時數。

根據軸承可靠性試驗方法的不同，可以采用不同的可靠性試驗數據處理方法對數據進行處理。

定數截尾試驗的數據處理方法可采用標準JB/T50013-2000中的數據處理方法，利用最佳線性不變估計、最大似然估計法或Weibull圖法，估計出軸承壽命的威布爾參數b和v，從而可以求出試驗壽命和可靠性參數，但這種方法需要一定數量的試驗數據。

定時截尾試驗的數據處理方法可采用標準JB/T50093-1997中推薦的數據處理方法，即先假設韋布爾斜率，設置了質量系數、檢驗水平、接受門限、拒絕門限等參數，從而減少很多繁瑣的數據處理，如減少試驗失效套數、試驗時間，節約試驗費用，但使用范圍有一定的局限性。

考慮到高速重載特大型軸承試驗樣本數量少、試驗數據有限、試驗成本高，其數據處理可優先采用JB/T50093-1997推薦的數據處理方法。

6 結 語

高速重載特大型軸承是一種滿足特殊使用要求的新型軸承。軸承的運行工況十分惡劣，且載荷和轉速按特定的規律變化，對其軸承壽命預測、失效模式的判斷存在不確定性，利用專門研制的軸承試驗機進行可靠性試驗顯得尤為重要。通過可靠性試驗技術研究，探索可靠性試驗方法，確定軸承失效的形式，摸索其失效規律，驗證軸承壽命。

[1] 王獻鋒，陳科，賴俊賢，等.滾動軸承壽命理論的發展[J].軸承，2002(9)：36-40.

[2] 查全，程俊景.滾動軸承壽命預測計算新方法[J].軸承，2001(4)：1-6.

[3] 李興林，張燕遼，曹茂來，等.滾動軸承壽命試驗機及其試驗技術的現狀及發展[J].試驗技術與試驗機，2007(3)：1-6.

[4] 徐衛波.低速重載滾動軸承壽命計算方法的研究[J].浙江冶金，2006(3)：21-23.

[5] 李興林，張永恩，張仰平，等.滾動軸承疲勞壽命強化試驗評估方法研究[J].軸承，2003(4)：26-29,33.