軸承應(yīng)用載荷和失效時(shí)間的推斷

魏珊

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471039)

壽命是軸承的重要指標(biāo)之一，根據(jù)壽命選擇合適的軸承是確定軸承應(yīng)用方案的重要理論依據(jù)。但軸承往往會(huì)提前失效，因此軸承失效時(shí)間、失效原因、失效后使用時(shí)間成為研究軸承提前失效的主要問(wèn)題。對(duì)此有多種理論研究方法，如：基于概率統(tǒng)計(jì)和基于應(yīng)力-壽命(S-N)曲線的疲勞壽命估計(jì)方法、基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法、基于過(guò)程數(shù)據(jù)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法等，但這些方法都不夠完善。為了能夠在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)失效軸承的失效時(shí)間和應(yīng)用載荷進(jìn)行快速推斷，以某型壓縮機(jī)用角接觸球軸承7208B為例，闡述如何利用額定靜載荷分析其瞬間沖擊載荷引起軸承失效的載荷大?。徊⑻接戄S承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和疲勞點(diǎn)剝落進(jìn)展的關(guān)系，及如何判斷軸承疲勞失效時(shí)間和載荷。

1 以靜載荷推斷失效軸承應(yīng)用載荷

軸承選型時(shí)，要進(jìn)行靜載荷校核以嚴(yán)格控制工作載荷遠(yuǎn)低于額定靜載荷，確保其不會(huì)發(fā)生塑性變形。

某型壓縮機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子排氣端分別采用3套7208B軸承和1套深溝球軸承承受軸向載荷和徑向載荷，運(yùn)行中壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。為分析液擊力大小及發(fā)生液擊的時(shí)間，對(duì)軸承拆套檢查，發(fā)現(xiàn)鋼球和內(nèi)外圈溝道上并無(wú)明顯剝落痕跡，但其中一粒鋼球上有凹坑。不同于圖1[1]所示凹坑，可推斷此凹坑應(yīng)為壓縮機(jī)液擊所致，且液擊應(yīng)在壓縮機(jī)停機(jī)前不久。液擊力為瞬間沖擊載荷，查樣本可知承受軸向載荷的7208B軸承額定靜載荷為23 500 N，因其已有塑性變形，其當(dāng)量靜載荷應(yīng)大于23 500 N。

圖1 凹坑形式

7208B軸承當(dāng)量靜載荷為[1]

P0=F0r+0.52F0a,

(1)

式中:P0為聯(lián)合載荷下軸承當(dāng)量靜載荷；F0r為徑向靜載荷，根據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，徑向不承載，F(xiàn)0r=0；F0a為軸向靜載荷。

由(1)式可推算出F0a=45 192 N。因3套軸承串聯(lián)配置，單套軸承所受軸向液擊力約為135 576 N，此液擊力是造成鋼球出現(xiàn)凹坑的原因。

2 軸承壽命計(jì)算

軸承選型時(shí)，要進(jìn)行疲勞壽命校核。軸承額定疲勞壽命計(jì)算公式為

(2)

修正壽命計(jì)算式為

Lnm=a1aISOL10h,

(3)

式中:C為基本額定動(dòng)載荷;P為當(dāng)量動(dòng)載荷; 對(duì)于球軸承,ε=3,對(duì)于滾子軸承,ε=10/3;n為轉(zhuǎn)速；a1為概率參數(shù)[2];aISO為考慮工況的壽命修正參數(shù)。

根據(jù)軸承使用情況,用L10h推算其失效時(shí)間比較直觀，但不準(zhǔn)確；Lnm為修正壽命，其考慮了諸多因素，因?yàn)楦鲄?shù)很難用單一數(shù)學(xué)公式表示，因此推算失效時(shí)間相對(duì)比較困難。

Lnm是目前最科學(xué)的軸承壽命計(jì)算方法，因此，仍以7208B軸承為例，基于(2)式和(3)式對(duì)軸承疲勞失效進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其Lnm進(jìn)行定性分析。

3 基于軸承壽命的應(yīng)用載荷和時(shí)間關(guān)系

3.1 基于L10h的軸承疲勞失效分析

軸承運(yùn)行時(shí)，其疲勞損傷程度與軸承承受的載荷、速度、潤(rùn)滑和潤(rùn)滑劑的清潔程度等有關(guān)，發(fā)生疲勞失效的一般規(guī)律為：載荷不大時(shí)，已有疲勞損傷的軸承，疲勞失效發(fā)生較慢；載荷較大的軸承，疲勞損傷發(fā)展很快，導(dǎo)致軸承失效；軸承剛發(fā)生疲勞損傷時(shí)，損傷發(fā)展較慢，一旦疲勞損傷達(dá)到一定程度，軸承將加速失效。

角接觸球軸承7208B內(nèi)圈上疲勞損傷隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖2[1]所示，其中百分?jǐn)?shù)為從有疲勞損傷開(kāi)始，間隔時(shí)間為L(zhǎng)10h的3%左右。由圖可知，在相同時(shí)間間隔內(nèi)疲勞損傷由小到大發(fā)展得越來(lái)越快。

圖2 疲勞剝落與時(shí)間發(fā)展的關(guān)系

該角接觸球軸承疲勞剝落隨時(shí)間變化如圖3所示[2]。在剝落出現(xiàn)的早期，剝落面積占滾道周向面積的比例都很?。划?dāng)帶剝落的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過(guò)L10h的10%，軸承的剝落面積占溝道周向面積的比例會(huì)快速增大。

圖3 疲勞剝落程度與時(shí)間的統(tǒng)計(jì)圖

3.2 基于Lnm的軸承疲勞失效分析

該研究中時(shí)間間隔為L(zhǎng)10h，即不考慮潤(rùn)滑因素的時(shí)間間隔，而試驗(yàn)軸承是有潤(rùn)滑的。根據(jù)ISO/TS 16281—2008對(duì)軸承修正壽命的計(jì)算方法，其包含參數(shù)aISO?，F(xiàn)代軸承計(jì)算方法是將軸承沿滾動(dòng)體方向切成若干微單元進(jìn)行壽命計(jì)算，再綜合求出整個(gè)軸承的壽命。因此實(shí)際計(jì)算中，aISO指每個(gè)接觸微單元上的潤(rùn)滑參數(shù)。對(duì)向心球軸承壽命的修正如圖4[2]所示。圖中，ec為污染系數(shù)；Cu為材料疲勞極限；P為當(dāng)量動(dòng)載荷；κ為黏度比。

圖4 aISO對(duì)軸承修正壽命影響圖

由圖可知，一旦有疲勞剝落發(fā)生，剝落發(fā)展會(huì)越來(lái)越快。其中一個(gè)因素是其內(nèi)部潤(rùn)滑環(huán)境被破壞，潤(rùn)滑油中有污染顆粒，且顆粒物越來(lái)越多，潤(rùn)滑清潔度越來(lái)越差，ec越小aISO值減小，即軸承剩余壽命快速變短。

3.3 疲勞軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷和疲勞時(shí)間估計(jì)

有時(shí)候軸承實(shí)際使用壽命可能已包含了一部分軸承有疲勞損傷的情況，只是此時(shí)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)尚未影響到設(shè)備的運(yùn)行精度，可以保證在設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)再更換軸承。對(duì)這類軸承疲勞開(kāi)始時(shí)間的估計(jì)，可以先從軸承的載荷大小進(jìn)行判斷，若工作載荷較大，疲勞剝落不嚴(yán)重，就可以認(rèn)為軸承更換時(shí)間即為軸承疲勞剝落的起始點(diǎn)，此時(shí)根據(jù)L10h計(jì)算式可推算出失效軸承承受的當(dāng)量動(dòng)載荷。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)已失效軸承，推斷軸承承受的實(shí)際載荷和運(yùn)行時(shí)間是一個(gè)很復(fù)雜的工作，必須要對(duì)軸承型號(hào)、軸承特性、設(shè)備情況進(jìn)行全面了解，才能保證做出正確的估算。文中僅從一個(gè)方面進(jìn)行了論述，在實(shí)際檢測(cè)軸承時(shí)，軸承破壞不僅僅是軸承滾道或滾動(dòng)體剝落的單一損傷，需要從發(fā)現(xiàn)的各種癥狀中綜合判斷軸承已使用的情況。