滾動軸承疲勞壽命的影響因素

徐鶴琴，汪久根，王慶九

（浙江大學機械工程學院，杭州 310027）

近年來，通用機械零部件的摩擦學設計得到廣泛關注，滾動軸承是應用最廣泛的機械零部件之一，隨著數值計算技術和方法的發展，計算模擬和模擬試驗已廣泛用于滾動軸承的摩擦學研究和產品設計。滾動軸承的摩擦學設計有正向和反向2種思路［1］。

滾動軸承的性能對機械系統的性能有重大影響，然而影響滾動軸承疲勞壽命的因素眾多，如工作溫度、沖擊載荷、可靠性、材料、使用條件、極限轉速、表面粗糙度、夾雜物、壓痕、潤滑狀態、徑向游隙、偏斜、疲勞裂紋誘導應力、切向摩擦力、殘余應力和環向應力、表面處理等［1-2］，這些因素相互影響，加之疲勞壽命試驗的非重復性，影響因素尚難以準確地定量描述。

擬全面討論影響滾動軸承疲勞壽命的因素，以期通過控制這些因素來提高滾動軸承的疲勞壽命，為高可靠度、長壽命的滾動軸承設計提供思路。

1 可靠度

高可靠度下二參數Weibull分布的壽命模型低估了軸承的疲勞壽命［3］。針對高可靠度的軸承壽命理論，將失效前的最小壽命作為第三參數γ，導出了一個三參數的Weibull壽命分布函數［4］。

對于特定的應用，需要為90%以外的可靠度指定壽命。

GB／T 6391—2010通過引入修正系數 a1和aISO，對額定壽命進行了修正［5］，即

Lnm＝a1aISOL10。

2 溫度

溫度變化影響潤滑油的黏度，通過改變油膜厚度進而影響軸承的潤滑特性［6］。高溫會導致軸承材料的硬度降低，對應用于航空工業的軸承，溫度的影響尤為明顯。溫度還影響材料維持彈性響應的能力［7］。滾動接觸疲勞引起的材料退化會縮短彈性響應階段，退化時間是最大載荷應力、材料特性和運行溫度的函數。在循環載荷作用下，關鍵是盡可能長地維持該階段的彈性響應以延長軸承壽命，溫度升高會加劇回火馬氏體的碳擴散，使彈性響應階段縮短。

為了降低高溫對軸承壽命的影響，應選擇具有良好黏溫性能的潤滑劑，以提高潤滑材料的熱穩定性及軸承零件材料的抗回火穩定性。

3 潤滑狀態

根據潤滑狀態可將滾動接觸分為4種情況：彈性流體動壓潤滑、混合潤滑、干摩擦、接觸表面間存在污染物顆粒［8］。

軸承潤滑和添加劑都對疲勞壽命和磨損有一定的影響。滾動軸承工作時的膜厚比常處于0.5～3.0之間，為混合潤滑狀態，即部分膜彈流潤滑［8］。影響流體動壓潤滑的因素有楔形項、黏度梯度項、密度梯度項、伸長項、微峰承載以及熱彈變形等。

目前潤滑理論的研究有多相流的潤滑脂分析、非線性本構關系與摩擦化學結合的研究，新的潤滑技術仍在進一步發展之中。在變速、變載和變向等條件下，潤滑油的黏度提高25%左右，在軸承設計中可以利用這一特性。

3.1 潤滑膜厚度

文獻［9］進行的滾動軸承耐久試驗表明，潤滑油膜厚度對疲勞壽命具有顯著影響。潤滑油膜的潤滑效果取決于潤滑油膜相對厚度。文獻［1］用膜厚比Λ來表示潤滑對軸承疲勞壽命的影響。文獻［6］將疲勞壽命減少量描述為一個膜厚比函數的統計學表達。

滾動軸承在完全流體潤滑的情況下達到最長壽命，此時滾動接觸的金屬表面被潤滑劑完全分開。然而在一定的工況（低速、極高載荷、高溫）下只能建立起薄的、部分潤滑油膜，金屬之間發生接觸，出現粘著，局部不可避免地出現較高的法向和切向應力，使壽命大大減少。

文獻［10］在壽命模型中考慮了膜厚／綜合粗糙度比和粗糙峰銳度量對表面缺陷的影響，膜厚／綜合粗糙度比也會影響有效牽引系數。文獻［11］進行了彈性流體動壓力分布峰值對應力場和滾動壽命影響的參數化研究，結果表明，壓力峰高度、半寬和滑動牽引系數增加，或者壓力峰數量減少，將導致近表面應力場增加，滾動壽命降低。

3.2 潤滑劑清潔度

3.2.1 污染顆粒（磨粒污染）

大量的試驗結果表明污染顆粒會顯著降低軸承的疲勞壽命。文獻［12］研究了潤滑劑中碎屑的類型和尺寸對軸承表面壓痕形成的影響。韌性和硬度不同的碎屑，造成的表面損傷形式差別很大。此外，存在一個臨界碎屑縱橫比，決定碎屑能否損傷接觸表面。由不同尺寸、同等硬度的碎屑造成的壓痕，會產生相同的次表面應力。以壓痕形式出現的表面缺陷會導致疲勞壽命降低，而非連續存在的污染物。

外來顆粒會使軸承壽命大幅降低。與用于加速壽命試驗的高載荷相比，污染物的影響相對較小，故其對壽命的影響往往被低估。疲勞裂紋在損傷表面，尤其是在滾動接觸零件上的污染物顆粒壓痕的周圍發展。后續的循環接觸導致裂紋朝最高等效應力區域擴展，最終導致材料的麻點和剝落［13］。

與沒有考慮這些因素的DIN／ISO壽命相比，潤滑良好的清潔滾動零件，其壽命對于接觸應力變化的反應不同（圖1）。從圖1可以看出，較小的載荷變化可能使高清潔度下潤滑良好的軸承壽命產生較大的變化。

3.2.2 水對潤滑劑的污染

當潤滑劑中出現0.01%的水時，表面疲勞壽命會嚴重降低。文獻［14-15］提出毛細凝聚假說：溶解的水壓入表面微裂紋，形成微毛細管，在裂紋中導致水腐蝕和氫脆，和動壓力一起，減少裂紋擴展到臨界尺寸的時間。水能將碳氫潤滑劑和金屬表面形成的摩擦聚合物從金屬表面移除，并與新露出的表面發生化學反應，增大磨損量。

文獻［16］以實物軸承為試驗對象，研究海水對疲勞壽命和失效分布的影響。將海水作為污染物加到潤滑油中時，發現角接觸球軸承的疲勞壽命大幅降低。失效分布從球的失效轉化為內外圈溝道失效，這是因為內外圈纖維方向各向異性，海水對內外圈的影響比球大。

前面所做的工作是研究溶解水和懸浮水對軸承疲勞壽命的共同影響。針對潤滑劑中的溶解水，文獻［17］以圓錐滾子軸承為試驗對象，評估了不同潤滑劑的吸水性能及其對疲勞壽命的影響。

潤滑劑還會從軸承所處的潮濕空氣中吸收水分，文獻［18］綜述了環境濕度和水對摩擦、磨損及潤滑的影響，水對金屬磨損的影響要比摩擦的大。在潤滑接觸中，水能夠通過改變潤滑劑和邊界膜的化學性質，增加滾動體麻點。水影響疲勞壽命的3個主要方面是裂紋擴展、與滑動表面反應以及改變磨損碎屑形成的聚合層。

3.3 潤滑化學效應

化學效應對滾動軸承材料接觸疲勞壽命有影響。文獻［19-21］將潤滑劑基礎劑、添加劑和接觸表面材料的化學組分作為最大的化學變量，研究潤滑劑基礎劑和添加劑的化學性質對疲勞壽命水平、應力／壽命指數和Weibull分布斜率的影響，潤滑劑化學性質的影響隨著應力和滑動率變化，在其研究中的試驗條件下，并沒有檢測到濕度對疲勞壽命的顯著影響。

3.4 小結

綜上所述，除了通過增大膜厚比改善軸承的潤滑狀態，還有以下措施：

1）提高軸承系統的密封性能以抵抗外來顆粒的污染，針對運行過程中產生的磨粒，對潤滑油進行過濾，以減小潤滑油中磨粒的尺寸和數量。

2）降低環境濕度，在油中加入抑水性添加劑以降低潤滑劑中水的溶解量。

3）各向同性表面受水的影響要小于各向異性表面，在選擇表面加工工藝時使重要加工表面各向同性。

4）根據軸承工作的載荷和速度選擇化學性質合適的潤滑劑。

4 表面粗糙度

用光彈技術測量Hertz接觸中粗糙峰下的切應力，結果表明，可以用材料疲勞分析的傳統強度解釋粗糙峰的持久極限和表面疲勞損傷［22］。

文獻［23］分析了接觸表面摩擦牽引力和表面粗糙峰斜率對用于表面和次表面起源剝落的失效風險函數的影響，提供了一個精確預測滾動接觸疲勞的數學模型。大粗糙峰斜率的主要影響是增加表面危險微麻點。文獻［24］觀察了麻點試驗中的裂紋。在接近麻點疲勞極限載荷條件下的麻點試驗結果表明，盡管通過跑合增加了微觀幾何一致性，粗糙峰接觸的嚴重程度控制了表面層的應力集中并對疲勞極限起著主要影響，還認識到了機械加工痕跡的方向對裂紋擴展的影響。

由于粗糙峰的尺寸小，粗糙峰變形模式是彈塑性的。文獻［25］對彈塑性粗糙峰微接觸行為的規模效應進行了理論研究，以離散位錯的形式描述了接觸塑性變形。研究二維粗糙峰微觀接觸發現，當粗糙峰尺寸減小到與典型顯微結構的尺寸相差無幾時，接觸塑性變形將越來越困難，最終不可能發生。

文獻［26］使用膜厚比評估表面粗糙度對滾動軸承壽命的影響和粗糙度變化導致壽命估計不準確。用表面織構測量儀器和掃描電子顯微鏡檢測表面織構的改變。中等和低水平的膜厚比下，軸承跑合過程的初始階段表面織構出現了重大變化。

文獻［27］代替經驗法預測薄膜潤滑條件下的壽命，并說明了強化表面處理的軸承壽命長于標準表面處理軸承的原因。試驗前后強化處理的表面比標準處理的表面光滑，表面形貌更好。表面形貌對疲勞、剝落和擦傷的失效形式有很大影響，尤其是運行在混合或邊界潤滑狀態下。

減小粗糙峰高度、斜率，以及進行表面強化處理均能夠降低軸承表面疲勞失效的概率、提高軸承疲勞壽命。實際零件間接觸情況與彈性接觸模型的計算結果有較大誤差，應采用彈塑性接觸模型來分析。

5 材料

滾動軸承材料主要采用高碳鉻軸承鋼。各國所用軸承鋼的化學成分基本相同，大體上含碳1%、含鉻1.5%。軸承鋼一般在正火、退火后加工為套圈，然后進行淬火和回火。添加硅可提高軸承鋼抗回火軟化能力，減小磨削過程中表面殘余應力，改善早期疲勞剝落。氧化物夾雜對接觸疲勞產生負面影響，易使不能塑性變形的氧化物夾雜與材料基體之間產生局部間隙，引起應力集中，導致產生疲勞裂紋［28］。

5.1 鋼材成分和冶煉工藝

自從1960年真空脫氣鋼在美國推廣以來，軸承鋼的冶煉技術不斷得到改進，耐疲勞能力顯著提高。軸承材料和設計的進步提高了航空軸承的性能和可靠性壽命［29］。20世紀60年代，鉬基工具鋼AISIM50用于飛行器渦輪發動機軸承，完全硬化M50材料作為航空軸承鋼可用在更高的運行溫度下。為提高軸承速度，80年代開發出了表面硬化M50NiL材料。Cronidur 30鋼具有優良的抗腐蝕性、熱硬度以及較長的壽命。軸系的集成設計減少了組件數量，獲得了更好的性能和高可靠度。

陶瓷材料，尤其是氮化硅，在軸承中得到了廣泛的應用。熱等靜壓成形粉末冶金氮化硅用于制造高性能全陶瓷或混合鋼／陶瓷滾動軸承［30］。與傳統的鋼軸承相比，氮化硅軸承在滾動接觸疲勞壽命方面展現出了顯著的優勢，材料的低密度大大減少了在高速時球／溝道接觸的動載荷，如機床主軸和燃氣渦輪發動機。在惡劣的潤滑和磨損條件下使用氮化硅軸承，如極端溫度、大溫差、高速度、極端高真空和對安全性要求苛刻的應用中。氮化硅軸承還有抗腐蝕性和抗污染等優點。混合軸承（鋼套圈和陶瓷滾動體）也應用于高性能的軸系中。

5.2 殘余應力

文獻［31］用一個單球測試裝備對AISIM50軸承的鋼球進行滾動接觸疲勞試驗，研究在接觸疲勞的過程中初始殘余應力對材料力學性能和微觀結構演變的影響。在滾動接觸疲勞加載以后，有初始殘余壓應力的球表現出的材料性能變化更小。表面殘余壓應力可抑制疲勞裂紋的產生和擴展速度，從而延長軸承疲勞壽命。加工工藝的選擇應使軸承零件表面有殘余壓應力，例如采用鋼球的沖擊硬化工藝。

5.3 熱處理工藝

熱處理工藝是決定金相組織的重要因素，從而對疲勞壽命有著重要影響［28］。馬氏體的含碳量在0.45%～0.5%時，軸承零件的疲勞壽命最長。顆粒粗大的碳化物對軸承疲勞壽命有不利的影響。為了延長軸承壽命，要求碳化物粒度細小、形狀圓滑、分布均勻。軸承零件的硬度若低于60 HRC，接觸疲勞壽命將顯著下降；表面變質層通常會降低軸承零件的接觸疲勞壽命。

5.4 硬度差

滾動體表面與滾道表面之間的硬度差影響軸承疲勞壽命。文獻［32］探究組件硬度差異及其對軸承疲勞的影響，發現當軸承滾動體硬度比滾道硬度高出1～2 HRC時，軸承壽命最長，承載能力最大。軸承零件硬度差、引入的殘余壓應力和疲勞壽命之間存在相關性，當滾動體硬度稍大于滾道時，殘余壓應力顯著增加，從而使軸承的疲勞壽命提高。但是沒有考慮不同硬度組合、接觸溫度、塑性變形和磨損量對軸承疲勞壽命的影響。

5.5 夾雜物

文獻［33］對軸承鋼彎曲疲勞試驗試件破裂部分的觀察發現，起始失效點與表面下非金屬夾雜物有關（圖2）。在試件斷裂部分的夾雜物周圍觀察到了魚眼形狀的疲勞裂紋。載荷循環次數取決于夾雜物類型和數量［8］。

圖2 壽命隨鋼材潔凈度的變化Fig.2 Variation of life with cleanliness of steel

對軸承鋼的性能進行更準確的評估需要對非金屬夾雜物的材料應力進行微觀分析，一些類型的夾雜物可能在邊界形成拉伸應力，從而影響熱傳遞。在非金屬夾雜物的邊界區域可能存在亞微觀小裂紋，夾雜物的強度和韌性也會影響材料的強度。夾雜物在鋼的生產過程中是無法完全避免的，其性質對材料性能的影響取決于該材料具體的工作條件。

5.5.1 夾雜物的類型

夾雜物有各種不同的形態和類型，其邊界條件、硬度、脆性、殘余應力和內部缺口效應對于滾動接觸疲勞行為都有重要影響。軸承鋼中的鋁酸鈣夾雜物呈球形。碳氮化鈦是另一種重要的夾雜物類型，呈矩形并有鋒利的邊緣。

5.5.2 由擾亂的力流導致的內部缺口效應

夾雜物與基體的彈性性能差別擾亂了力流，如一個彈性模量高于基體的硬夾雜物，因為能夠吸引力流而對基體起到支援作用。而對于彈性模量小于基體的軟夾雜物，一些力繞過了夾雜物，使周圍基體中的應力增大。夾雜物模型的光彈試驗如圖3所示［8］，固定線載荷垂直加載于該模型，夾雜物周圍基體中復雜且不均勻的應力清晰可見。

圖3 夾雜物模型周圍應力狀態的光彈描述Fig.3 Photoelastic presentation of stress condition around inclusion model

文獻［34］研究初始材料缺陷（如夾雜物和彈性模量不均勻性）對疲勞壽命的影響。結果表明，材料缺陷導致疲勞壽命明顯降低，壽命離散性增加。夾雜物導致由彈性模量不協調引起的局部應力集中，在奇異點的周圍產生了塑性變形，并因此成為裂紋萌生點，最終的疲勞壽命是夾雜物深度和面積的函數。

文獻［35］把夾雜物當作均勻材料基體中的不同質，運用離散單元模型，研究了夾雜物尺寸、位置、方向和彈性性質對次表面應力場的影響。發現彈性模量大于或者小于基體材料的夾雜物都會引起應力集中。大彈性模量夾雜物的應力集中效果大于小彈性模量夾雜物，夾雜物尺寸越大，產生應力集中效應越高。方向與表面垂直的夾雜物導致的Misses應力比方向與表面平行的夾雜物高得多；表面下深處的夾雜物對最大Misses應力的影響很小。

通過改進加工工藝減少夾雜物數量，尤其是近表面的夾雜物密度，能夠減小裂紋的萌生概率。軸承材料中應當盡量避免大顆粒夾雜物且方向應盡量與接觸表面平行。

6 載荷分布

滾動軸承的疲勞壽命在很大程度上取決于最大滾動體載荷Qmax，若Qmax顯著增大，疲勞壽命就會明顯降低。因此，任何影響Qmax的因素，同樣也會影響軸承的疲勞壽命［1］。為了延長疲勞壽命，滾動軸承滾道上每單位長度的接觸載荷應保持一致。潤滑劑的清潔度、軸承轉速、角偏差、游隙、殼體和轉軸剛度、載荷類型和熱梯度等都會影響滾動軸承的載荷分布。

文獻［36］研究了游隙對軸向加載的深溝球軸承和圓柱滾子軸承載荷分布和疲勞壽命的影響，導出了壽命因子-游隙曲線。當存在一個小的負游隙（過盈）時，球的載荷分布得到了優化，軸承壽命最長。壽命隨游隙的增加緩慢降低，隨著負游隙值增加迅速降低。游隙對滾動軸承載荷分布和疲勞壽命的影響隨球的尺寸變化，而非軸承內徑或者節圓直徑。

為了避免由于安裝誤差或者重載導致嚴重的高邊緣應力，可為滾道外形設計適當的凸度以獲得更長的疲勞壽命。文獻［37］使用圓錐滾子軸承進行了疲勞壽命試驗研究以證明凸度的有效性。有控制凸度的軸承疲勞壽命要比有單圓弧凸度的軸承長2～8倍。

提高潤滑劑的清潔度、軸承的安裝精度、轉子系統的剛度、選擇合適的游隙值，以及對滾道或滾動體進行修形，均能夠改善軸承的載荷分布，從而提高軸承的壽命。

7 環向應力

研究發現，軸與內圈的過盈配合會顯著地減小軸承疲勞壽命。文獻［38-39］將環向應力疊加在由軸向載荷導致的Hertz初始應力上，并基于零初始間隙計算滾子軸承疲勞壽命。特定過盈配合下，不同種類的軸承壽命減小量不同。用壽命因子表示疲勞壽命的減小量，過盈配合的過盈量越大，壽命因子越小（壽命越短）。盡管孔上的接觸面應力明顯不同，對于特定的配合，內徑尺寸一定的不同系列軸承的過盈配合壽命因子幾乎相同。過盈配合同樣影響最大Hertz應力-壽命關系。

8 滑動

Lundberg-Palmgren計算滾動軸承額定壽命方法的前提為：所分析的軸承潤滑良好且運轉正常。即使滾動軸承運轉良好，由于表面存在變形，接觸區內仍然存在滑動和微觀滑移。

L-P方法在一定程度上是以試驗數據為基礎的，在疲勞壽命公式中已經考慮了這種接觸區內的滑動和微觀滑移。但是滾動軸承運轉正常時不會出現打滑現象，因而L-P方程對此未作考慮。打滑將會導致球公轉速度降低，從而減小鋼球的離心力和陀螺力矩。但球與溝道接觸處的打滑對疲勞耐久性產生很大的不良影響，可能會完全抵消由于慣性載荷減小產生的有益影響。接觸面上出現滑動時，表面除了存在法向應力外，還會產生切應力分量，由此產生較高的次表面應力，降低疲勞壽命。因此，減少軸承接觸表面的滑動和微觀滑移可以提高疲勞壽命，而減少滑動和微觀滑移的一個有效方法是提高接觸表面的硬度。

9 考慮多種失效模式

滾動軸承疲勞壽命經典的L-P理論基于假設［3］：滾動接觸的疲勞失效起源于接觸區域下正交切應力最大的深度處。然而隨著軸承制造工藝的發展，起源于表面的疲勞失效模式較表面下疲勞失效模式出現得更為頻繁。裂紋萌生有3種機制：起源于表面的裂紋萌生、起源于近表面的裂紋萌生和材料基體中的裂紋萌生［40］。

起源于表面的麻點和表面下起源的剝落壽命是競爭的失效模式，被預測為膜厚比、粗糙峰斜率均方根值和邊界潤滑粗糙峰接觸中的牽引系數的函數。

10 結束語

隨著高速鐵路和航空工業的發展，對于軸承高可靠度的要求越來越多，同時軸承應用環境溫度變化較大，有必要深入研究可靠度與溫度的耦合作用。

滾動軸承材料仍在發展之中，有必要探索零件的表面完整性與表面疲勞麻點之間的關系，在微觀尺度上揭示零件表面完整性和潤滑效應對疲勞麻點的影響。另一方面，結合載荷特性以及材料的動態響應來研究剝落失效，分析軸承材料對外界載荷的動態響應，研究疲勞性能與材料性能之間的耦合關系，獲取材料動態響應與表層疲勞剝落的關系。

對于其他影響軸承疲勞壽命的因素，例如潤滑劑和添加劑、表面粗糙度、環向應力和界面滑動等，也需要綜合地研究，如建立數據庫和研發軟件包，實現潤滑劑和軸承材料的自動分析與選擇，這也是未來發展方向之一。

對影響軸承滾動接觸疲勞的因素進行分析，有助于更好地理解軸承疲勞失效的機制。一方面可以盡量避免產生降低軸承壽命的因素，提高軸承的疲勞壽命；另一方面，可以為疲勞壽命理論的發展提供一定的指導，以期提高軸承疲勞壽命預測的準確性。