高速大載荷軸承可靠性試驗研究

范宇斐

(中國船舶重工集團公司，北京 100097)

某裝置上安裝的軸承工況如下：轉速和載荷在極短的時間內由零增加到最大值(約1 000 r/min，500 kN)，在最大載荷狀態下保持幾秒鐘后在短時間內制動；軸承間歇工作；外圈旋轉、內圈固定。

作為某裝置中主要承受高速大載荷惡劣工況的軸承，其工作狀態及壽命預估的準確性將直接影響整個系統試驗的成敗。雖然滾動軸承的壽命和可靠性計算有國家標準(GB/T 24607—2009《滾動 軸承壽命與可靠性試驗及評定》)可供參考，但由于裝置中的軸承不是在常規工況下工作，無法直接采用上述標準，需通過模擬實際工況驗證其預估的使用壽命。因此，結合實際工況和可靠性理論建立一種可靠性評估模型，并在設計的軸承試驗臺上進行高速大載荷軸承可靠性試驗，從而得出準確的壽命預估值。

1 高速大載荷軸承可靠性壽命模型

某裝置上安裝的軸承屬于承受回轉、交變應力的軸承類產品，該類產品的使用壽命評估可參考型號產品壽命試驗評估方法[1]。結合某裝置整體指標要求，取軸承產品樣本數為2，預估使用壽命為500次，其使用壽命評估方法如下：

1)若試驗到750次時，2套試樣均未發生關聯故障，則產品的使用壽命為

式中：K為經驗修正系數，可取1.5。

2)若試驗到750次時，有1套試樣發生關聯故障，則產品的使用壽命為

式中：ti為第i套試樣發生關聯故障時的試驗次數；K0為理論修正系數，通過查表選取。

3)若試驗到750次時，2套試驗件均發生關聯故障，則產品的使用壽命為

式中：K1為理論修正系數，通過查表選取。

試樣發生關聯故障的判斷依據為：

1)套圈滾道出現表面過量麻點或剝落，剝落面積在25 mm2以上；

2)套圈出現表面裂紋，裂紋長度和深度擴展趨勢明顯；

3)套圈滾道或滾動體出現表面燒傷，燒傷面積在25 mm2以上；

4)套圈出現斷裂或有斷裂先兆；

5)套圈出現過量磨損，磨損量達到1 mm3以上；

6)套圈滾道或滾動體出現塑性變形，變形量達到1 mm以上；

7)滾動體壓碎或有壓碎破壞先兆；

8)保持架出現塑性變形；

9)軸承出現膠合現象。

2 高速大載荷軸承可靠性試驗

2.1 試樣

試驗軸承共3種，分別為φ600 mm×φ400 mm×90 mm圓柱滾子軸承，φ608 mm×φ400 mm×90 mm角接觸球軸承和φ440 mm×φ240 mm×120 mm圓柱滾子軸承，每種2套。

2.2 試驗設備

由于高速大載荷軸承工況惡劣，國內外軸承行業沒有符合要求的試驗設備，故采用自主研發的能夠模擬高速大載荷軸承工況，并可開展相關可靠性試驗工作的專用試驗設備。

軸承試驗臺(圖1)整體方案為：由飛輪機組通過彈性單元按要求的載荷-時間加載曲線將載荷施加在被測軸承外圈，另一飛輪機組通過開式齒輪增速機組驅動外圈高速旋轉，加載及增速機組通過控制系統耦合作用于被測軸承。

1—飛輪1；2—鏈傳動1；3—電磁離合器1；4—制動器1；5—聯軸器1；6—減速器；7—聯軸器2；8—凸輪；9—從動滾子； 10—彈性加載單元；11—齒輪增速機組；12—聯軸器3；13—制動器2；14—鏈傳動2；15—鏈傳動3；16—電磁離合器2；17—飛輪2；18—鏈傳動4；19—鏈傳動5；20—鏈傳動6；21—電動機1；22—模擬輪(內裝被測軸承)；23—加載半圈；24—電動機2； 25—鏈傳動7；26—加載滾子

在軸承加載軸系端，電動機2將飛輪1加速到額定轉速；同時在軸承加速軸系端，電動機1將飛輪2加速到額定轉速。當兩飛輪都達到額定轉速后，制動器1和2分別得電解除制動，電磁離合器1和2分別得電吸合，飛輪2經電磁離合器2帶動齒輪增速機組使被測軸承加速旋轉，飛輪1經電磁離合器1帶動減速器和凸輪，凸輪推動彈性加載單元為被測軸承加載。軸承加速、加載到既定值后，根據加載、加速曲線，電磁離合器1，2分別斷電脫開，制動器1，2分別斷電制動使軸承停轉，凸輪正好旋轉一周，完成加速、加載周期。通過分別調整飛輪轉速、加載軸系及其電磁離合器、制動器的得電、斷電時間，可實現不同加載、加速曲線耦合。電磁離合器1，2及制動器1，2并不是同時得電、斷電，而是按照一定的曲線要求分別由程序控制。

2.3 試驗方法

先進行跑合試驗，然后進行滿載滿速試驗。

跑合試驗(轉速500 r/min,徑向載荷250 kN)時，每10次沖擊試驗為一組，每組間隔15 min，共進行5組。每次試驗結束后用感應式測溫計測量軸承外圈溫度，當其不再劇烈波動(判定標準為：相鄰2次試驗之間軸承溫差穩定在2 ℃以內,且一組10次試驗中溫度最大值和最小值之差小于5 ℃)時，跑合試驗結束，進行滿載滿速試驗。

滿載滿速試驗(轉速1 000 r/min,徑向載荷500 kN)仍為每10次沖擊試驗一組，每組試驗間隔15 min。連續15組試驗全部結束后對軸承進行拆檢，確定其是否達到使用極限(軸承套圈、保持架斷裂或滾動體被壓碎等)，若未到極限使用壽命，繼續下一個連續15組的試驗，直至完成5個15組共750次的沖擊試驗。

在整個試驗過程中對溫度、轉速、加載力等相關試驗參數進行監測，一旦出現異常，應暫停試驗，并對試樣進行拆檢，若已達到其使用壽命，立即停止試驗。在試驗過程中根據試驗機的耗損狀況和冷卻效果，擇機對其進行必要的維修與更換。在750次試驗過程中一旦發現試樣發生故障或故障征兆，本階段試驗即停止。

3 試驗結果

3種型號6套軸承分別均完成了80組共800次可靠性試驗，其中跑合試驗50次，滿載滿速試驗750次。試驗過程中，針對6套軸承均在完成第100次、第200次、第350次、第550次、第700次和第800次可靠性試驗時進行了6次拆檢，拆檢結果表明軸承均未發生關聯性故障，3種型號軸承壽命均達到了預估水平(500次)。

4 結束語

結合某裝置高速大載荷軸承的實際工況和可靠性理論，建立了一種能夠對其可靠性壽命進行評估的計算模型，通過運用凸輪蓄能原理，采用適用于高速大載荷工況的軸承可靠性壽命專用試驗臺， 制定出一套有效、可行的可靠性試驗方法，對高速大載荷軸承壽命進行了科學的預估，經可靠性試驗驗證了該預估使用壽命方法的正確性。