四線接觸軸承滾子疲勞壽命試驗機的技術改進

周立業，陳曉陽，陸錦才

（1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海和錦滾子科技有限公司，上海 201600）

軸承壽命具有很大的離散性，為驗證設計理論和所選參數的正確程度，考核加工工藝和材料性能是否達到預定要求，為優化設計及延長軸承的使用壽命提供可靠的理論依據，需要獲取軸承的疲勞壽命試驗數據［1］。

目前常用于考核軸承滾子滾動疲勞壽命性能的試驗機主要有推力盤試驗機［2］和三滾子試驗機［3－4］。推力盤為二線摩擦副接觸，接觸線上各點的速度不相等；三滾子試驗機為三線摩擦副接觸，但由于單軸驅動，試驗滾子與各陪試滾子之間因速度差常處于滾滑狀態：上述因素會降低滾子的接觸疲勞壽命，導致測試結果的不確定性。

針對上述問題，新研制了軸承滾子四線摩擦副滾動接觸疲勞壽命試驗機，但設計時未考慮到實際運行中的潛在問題，試驗機運行時溫升高、測試結果也存在較大離散性，需對其做進一步改進，以保證其穩定的試驗性能。

1 試驗機工作原理

該試驗機針對軸承單個滾子設計，從研究滾動接觸疲勞強度入手，強化主要的試驗條件而弱化次要因素，以最大限度地減小不同因素的交叉耦合作用［5］。試驗機原理如圖1所示，4個陪試滾子靠4個主軸精確定位的滾輪支承，試驗滾子則處于4個陪試滾子的幾何中心，以保證其四線接觸受力均勻。外力F通過杠桿原理施加在加載輪上，經陪試滾子傳遞到試驗滾子上，試驗滾子每轉1周承受4次接觸應力相等的循環載荷［6］。

圖1 試驗機原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of test rig

壓力傳感器安裝在彈簧加載處，以準確施加載荷；加速度傳感器安裝在加載輪軸的軸承處，以測量振動值；熱電偶傳感器安裝在支承輪軸的下方，測量潤滑油的甩油溫度；計數器用來測量驅動輪軸的轉數，軟件后臺將其換算成試驗滾子的轉速，以計算應力循環次數［7］。

2 存在的問題及改進方案

2.1 滾子間存在滾滑現象

試驗機所選電動機轉速為（965±10）r／min，在調試過程中發現主軸轉速明顯低于電動機轉速，可判別有滾滑現象。分析認為該現象主要是由于重載條件下試驗機的兩軸驅動方式（圖2a）效率不高，從圖2a可以看出兩受力帶輪包角也不同，這也在不同程度上降低了傳動效率。考慮到試驗機單軸加載，現將驅動方式改為三軸同步驅動（圖2b），兩驅動軸同步輪與支承軸同步輪通過一根同步帶固定，電動機通過帶動支承軸上的雙聯同步輪以保證三軸同步轉動。

圖2 試驗機驅動方案Fig.2 Driving scheme of test rig

2.2 被試滾子發生軸向竄動

改進前的幾次試驗過程中，出現了因試驗滾子發生軸向竄動導致試驗機報警停機的現象。分析認為：1）試驗機所采用的單油路潤滑使限制試驗滾子軸向竄動的另一側得不到較好的潤滑冷卻效果，使得頂桿頭部的鋼球磨損較大，最終導致滾子軸向竄動。從圖3a可以看出，不僅球頭磨損，而且由于冷卻不足，溫度過高使頂桿前端也發黑嚴重。2）由于頂針旋轉松動，造成滾子受力不均，嚴重時被試滾子飛出，導致試驗中斷。

圖3 試驗機潤滑機構Fig.3 Lubricationmechanism of test rig

為解決上述問題，對試驗機油路及鎖緊機構進行如下改進：1）在進油路上添加冷卻風機，滾子潤滑處采用雙油管噴油潤滑（圖3b），頂桿端部則采用鎢鋼材質的鋼球。2）在下箱體壁兩側頂針桿上加雙側鎖緊螺母，進一步鎖緊頂針桿，如圖4所示。利用改進后的試驗機進行多次測試，測試結果顯示試驗機狀態穩定，與滾子接觸的鋼球表面完好，無竄動現象再出現，試驗數據的可靠性得到了保證。

圖4 頂針雙側鎖緊機構Fig.4 Double lockingmechanism of thimble

2.3 數據采集及控制系統

由于滾子接觸疲勞壽命試驗的試驗周期長，依靠人工操作控制試驗過程存在試驗人員工作強度大的問題，從而增加很多人為誤差，影響試驗數據；而且試驗機出現故障時，處理不及時將導致零部件的損壞。因此，充分利用現代傳感器、信號分析診斷等處理技術對測控系統進行完善，進一步實現試驗機狀態的自動化程度。

原試驗機所加載荷通過計算彈簧壓縮量得出，此方法存在較大誤差，且不能時刻監測載荷變化情況。為滿足不同載荷工況下的試驗條件，增設壓力數據采集模塊，可直觀顯示試驗所加載荷，試驗過程中載荷變化也能得到及時修正。其具體的采集系統結構框圖如圖5所示。

圖5 采集系統結構框圖Fig.5 Structure block diagram of acquisition system

針對原試驗機在滾子失效時不能及時自動停機的狀況，對LabVIEW 程序中控制電動機啟停的子程序進行修改，由NI9401采集模塊的數字輸出控制信號控制電動機啟停，以按鈕的邏輯狀態作為激發信號產生的依據，程序執行循環時詢問當前按鈕邏輯狀態，當監測數據如振動峰值、峭度系數以及溫度一旦超過設定閾值，將按鈕的邏輯狀態置反，以此來改變繼電器的工作狀態，實現電動機的自動啟停，子程序如圖6所示。

圖6 電動機啟停子程序框圖Fig.6 Subprogram block diagram for start and stop ofmotor

3 試驗分析

為驗證試驗機改進后機械部分的穩定性及測控軟件分析系統對試驗失效診斷的準確性，對圓柱滾子進行疲勞壽命試驗，通過試驗數據分析改進后試驗機的性能。

3.1 試驗方法

采用改進后的四線純滾動圓柱滾子疲勞壽命試驗機進行圓柱滾子的加速壽命試驗，自動控制及診斷程序根據溫度和振動信號識別試驗機是否有部件失效，一旦發生失效，則程序做出判斷并停機報警。

如圖1所示，在生物毒性測試的基礎上Persoone等人[36]提出并完善毒性單位分級評價法，其原理是將測試結果最大半數抑制濃度EC50或最大半數死亡濃度LC50轉換為統一的毒性單位（TU）值來評價水質.該方法綜合利用多種生物毒性測試結果，計算簡單，結果簡潔易懂.

3.2 試驗條件

驅動電動機額定轉速：（965±10）r／min。

潤滑方式：40＃機油，油泵持續供油潤滑，供油量為500 mL／min，潤滑油進口壓力為0.8 MPa，油箱體積為20 L。

接觸應力：3.5 GPa（加速壽命試驗）。

陪試滾子：GCr15，2級精度，φ16 mm×16 mm。

試驗滾子：GCr15，2級精度，φ10 mm×10 mm，凸度量分別為0，3μm。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 轉速信號變化規律

改進前、后所測轉速數據如圖7所示，從圖中可以看出：改進前轉速為935～955 r／min，波動較大且不穩定，說明接觸副之間存在滾滑現象；改進后轉速為（965±10）r／min，與電動機額定轉速基本吻合，證明滾滑現象明顯降低，可以實現純滾動試驗。

圖7 改進前后轉速對比Fig.7 Comparison of rotational speed before and after improvement

同樣規格試驗滾子在相同工況下的潤滑油溫升如圖8所示，從圖中可以看出：改進前，從起始溫度到穩定試驗溫度的滾子跑合階段，溫升坡度較陡，而改進后的溫升坡度較平緩；對于穩定階段的油溫而言，改進后的油溫在55℃左右，比改進前降低了10℃左右，可見改進后冷卻效果有明顯改善。

圖8 溫升對比Fig.8 Comparison of temperature rise

3.3.3 振動信號變化規律

有效分析滾子疲勞失效前后振動信號的變化規律，對圓柱滾子的失效機理有著重要作用，試驗機分析系統對峰值和峭度系數這2個常用的時域參數進行分析。從圖9可以看出，試驗滾子失效時，振動信號時域波形的峰值相比正常運行時的幅值明顯增大，可由此診斷其可能存在疲勞失效。從圖10可以看出，試驗滾子在啟動時都有一段振動幅值較大的階段，即跑合期；對比穩定運行狀態下的2種曲線發現，凸度量為0時，滾子的振動峰值在2g左右（g為重力加速度）；凸度量為3μm時，滾子的峰值則維持在1g左右，證明在同種工況下，具有凸度量的對數滾子不僅振動峰值較小，而且滾子的疲勞壽命更長。

圖9 試驗滾子疲勞失效前后的振動時域圖Fig.9 Time domain of vibration before and after fatigue failure of tested roller

圖10 不同凸度試驗滾子的振動峰值Fig.10 Vibration peak of tested rollerswith different convexities

3.3.4 滾子失效程度變化

試驗機報警停機后，取下試驗滾子觀察其失效程度，結果如圖11所示。從圖中可以看出：滾子失效時，改進前試驗機未能及時停機，導致試驗滾子大面積疲勞剝落；控制程序優化后，滾子一旦出現疲勞點蝕，系統迅速判定失效并予以停機，表明改進后系統可準確實現試驗機的自動控制功能。

圖11 滾子疲勞失效區域Fig.11 Fatigue failure areas of rollers

3.3.5 失效部位分析

3.5 GPa應力作用下，不同凸度量試驗滾子疲勞失效后的失效位置如圖12所示。從圖中可以看出：直素線滾子出現失效的位置是滾子端部，原因是試驗滾子端部與陪試滾子接觸應力產生突變，即邊緣效應，從而導致端部與端部接觸區最易發生疲勞失效；而工程對數素線滾子出現的疲勞失效部位卻在滾子中部附近，由此可以看出對數素數滾子的邊緣效應明顯降低。

圖12 試驗滾子失效部位Fig.12 Failure parts of tester roller

試驗滾子與陪試滾子疲勞失效前后滾子表面的顯微對比如圖13所示（放大50倍）。從顯微圖中可以看出：試驗滾子出現疲勞失效后，其工作表面會出現點蝕坑，這就是導致試驗機振動加劇的原因，由振動傳感器識別信號并傳遞到測控系統再由診斷程序判別失效，予以停機；陪試滾子在試驗滾子失效時并未出現較大點蝕坑，但與試驗滾子接觸區域有明顯滾動摩擦的痕跡，原因可能是試驗滾子疲勞剝落的部分滾動擦傷所致。

圖13 滾子表面疲勞失效前后的顯微圖Fig.13 Micrographs of roller surface before and after fatigue failure

4 結束語

針對軸承滾子四線接觸疲勞壽命試驗機存在的不足進行改造，通過改變其傳動方式為三軸同步驅動，并改善其潤滑系統，實現了試驗時滾子純滾動，解決了潤滑冷卻不佳等問題。利用改造后的試驗機對圓柱滾子進行疲勞壽命試驗，試驗數據分析表明，改進后的試驗機可準確判別滾子失效部位，并分析其失效機理。試驗測試表明試驗機性能穩定，可以應用于工程實際中。

在解決以上實際問題之后，今后可以進一步對加載方式和傳動系統進行完善，如實現四軸同步轉動，進一步保證試驗的純滾動；此試驗機可用于工程對數素數滾子的疲勞壽命試驗，通過收集試驗數據分析凸度量對滾子疲勞壽命的影響，并對工程對數素線滾子生產的加工工藝做出相應評價。