高速重载特大型轴承可靠性试验方案探讨

1 引 言

高速重载特大型轴承是某型主机的重要承载部件，它的性能和可靠性对整个主机的性能和可靠运行起着至关重要的作用，一旦发生故障会严重影响主机的使用，造成重大的经济损失。

高速重载特大型轴承是一种高转速、重载荷和大规格的特种滚动轴承，其使用工况十分恶劣，国内目前没有与某型主机相配套的标准轴承和轴承试验机。为此，需要针对某型主机的实际使用工况，研制高速重载特大型轴承和与之相适应的轴承试验机，对轴承进行性能试验和可靠性试验研究。

2 轴承寿命预测

轴承寿命预测方法受诸多因素的影响，如何科学准确地预测轴承寿命一直是科研人员关心又难以解决的难题。随着科技进步与人类认识的深入，轴承寿命的预测结果也越来越精确。尽管如此，轴承寿命的预测仍存在很多不确定性。

根据某型主机的使用特点，高速重载特大型轴承具有瞬间起动，速度载荷迅速达到最大值和突然停止的工况特点，轴承理想的载荷谱和转速谱如图1所示。其中，T为一次使用的工作周期，T间为两次间隔时间，nmax和Pmax分别为最大工作转速和最大工作载荷。

图1 轴承理想的载荷谱和转速谱

在实际使用中，高速重载特大型轴承的当量动载荷和最大工作转速都很高，并且轴承运行过程中承受很大的冲击载荷，大大增加了精确预测轴承寿命的难度。

根据Lundberg-Palmgren寿命理论、Ioannides-Harrix寿命理论和最新的Tallian寿命理论以及相对应的轴承寿命预测模型[1-3]，结合轴承材料、冶炼方法、制造精度、表面缺陷、应力场特征、润滑类型、使用环境和维护保养状况等多种因素，工程上提出了多种轴承寿命计算公式。

1) 滚动轴承基本寿命计算公式：

2) 1971年ISO额定寿命的修正公式：

3) 瑞典SKF公司额定寿命的修正公式：

4) 1990年ISO281额定寿命的修正公式[4]：

5) 德国FAG公司额定寿命的修正公式：

上述公式中，L为轴承寿命；C为基本额定动载荷；P为当量动载荷；ε为寿命指数；a1为可靠性修正系数；a2为材料系数；a3为使用条件系数；aSKF为寿命调整系数；axyz为寿命修正系数；Cg为几何系数；Cl为载荷系数；Cs为速度系数；Cv为粘度系数；Cgr为脂润滑系数。

无论采用何种轴承寿命公式，载荷和转速对轴承的寿命都有很大影响。当载荷过大时,会在滚动体与滚道接触区产生永久变形或应力集中，使轴承寿命降低；当轴承转速过高时，温升显著提高，打滑加剧，则会使轴承产生过热或保持架断裂，同时由于离心力的作用，滚动体与外圈的接触载荷增大，也使轴承寿命降低。根据轴承寿命预测，高速重载特大型轴承的寿命比通常轴承的寿命要低得多。

3 轴承试验机

为确保某型主机的可靠使用和安全运行，在该特大型轴承装机前，必须对轴承进行可靠性试验，以初步确定轴承的寿命，因此针对高速重载特大型轴承的载荷谱和转速谱要求，专门研制了满足特殊使用要求的轴承试验机，如图2所示。

图2 轴承试验机

轴承试验机采用飞轮蓄能、滚轮加载、齿轮传动的方式，实现规定的载荷和转速变化规律，其工作原理是：由加速飞轮通过转速轴带动模拟轮产生轴承旋转，加载飞轮通过传动系统带动凸轮旋转，凸轮通过弹性单元和模拟轮将载荷加载在被测轴承上。

通过对轴承试验机的研制，其功能已基本满足高速重载特大型轴承的载荷和速度要求。图3为某试验工况下的轴承载荷曲线和转速曲线。

图3 某试验工况下的轴承载荷曲线和转速曲线

4 轴承失效类型

轴承在工作过程中，出现故障或不能正常工作的现象就称为“失效”。轴承失效一般分为止转失效和丧精失效两种，其中止转失效是轴承停止转动，而失去其工作能力；丧精失效是轴承因几何尺寸变化改变了原来的配合间隙，失去原设计要求的旋转精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。

由于轴承工作条件、失效影响因素的差异，轴承产生失效的形式和形貌特征亦各不相同，按其损伤机理大致可分为：接触疲劳失效、永久变形失效、摩擦磨损失效、断裂失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种失效模式，其中疲劳剥落、永久变形和磨损是高速重载特大型轴承的主要失效形式。

4.1 疲劳剥落

轴承承受载荷而有相对运动的接触表面，由于反复承受载荷作用，首先在表面下一定深度处，强度较弱的部分形成裂纹，继而发展到接触表面，使表层金属成片剥落，致使轴承不能正常工作。这种疲劳剥落现象，导致最终滚动轴承无法工作。

4.2 永久变形

轴承承受载荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形，载荷过重时，会在滚道表面形成塑性凹坑，而使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪声。当外界硬粒进入轴承时，也可在接触表面形成压痕。另外过大的冲击载荷或当轴承静止时，由于振动等因素都会使接触处形成凹坑。

4.3 磨 损

由于滚动体和滚道的相对运动和污物尘埃的侵入，使滚动体和滚道表面产生磨损，磨损量较大时，使轴承游隙、噪声、振动增大，并造成温度升高、摩擦力矩加大，降低了轴承的运动精度，致使轴承不能正常工作。

5 轴承可靠性试验方案

5.1 可靠性试验方法

由于影响轴承寿命的因素很多，因此，进行可靠性试验成为评定轴承的主要手段。轴承可靠性试验方法主要有可靠性模拟试验、环境应力激发试验、可靠性强化试验或快速寿命试验等试验方法。对高速重载特大型轴承而言，受轴承试验机装机容量、试验载荷、试验转速以及轴承样本数量等条件的限制，高速重载特大型轴承可靠性试验宜采用可靠性模拟试验方法，不宜采用环境应力激发试验、可靠性强化试验或快速寿命试验等方法。在可靠性模拟试验中宜采用定时截尾试验和定数截尾试验等两种试验方法。

5.2 可靠性试验的监控方法

高速重载特大型轴承进行可靠性试验时，为及时掌握轴承的运行状态，可通过以下4种方法监控轴承试验状态、判断轴承是否失效。

1) 振动频率法：当轴承表面出现疲劳剥落、压痕或局部腐蚀时，轴承运行中会出现周期性的脉冲信号，通过振动传感器，将振动信号数据传输给计算机进行分析对比各周期的频率值。

2) 温升法：用红外温度传感器测量轴承外圈的温度变化，通过计算机记录整个试验过程的温度数据。

3) 噪声法：用噪声计监控轴承运行中的噪声情况。

4) 定期拆检法：定期对轴承进行拆检，检测轴承滚动体和滚道表面的接触状态。

在上述四种方法中，定期拆检法是判断轴承失效与否最直接、最有效的方法，而前3种通过在线监测监控轴承的运行状态。

5.3 试验数据处理方法

轴承疲劳寿命符合二参数威布尔分布[5]：

式中，F(L)为在规定的试验条件下，轴承运转到L小时而破坏的概率；b为威布尔分布斜率；v为威布尔分布的特征寿命；L为轴承出现破坏时的运转小时数。

根据轴承可靠性试验方法的不同，可以采用不同的可靠性试验数据处理方法对数据进行处理。

定数截尾试验的数据处理方法可采用标准JB/T50013-2000中的数据处理方法，利用最佳线性不变估计、最大似然估计法或Weibull图法，估计出轴承寿命的威布尔参数b和v，从而可以求出试验寿命和可靠性参数，但这种方法需要一定数量的试验数据。

定时截尾试验的数据处理方法可采用标准JB/T50093-1997中推荐的数据处理方法，即先假设韦布尔斜率，设置了质量系数、检验水平、接受门限、拒绝门限等参数，从而减少很多繁琐的数据处理，如减少试验失效套数、试验时间，节约试验费用，但使用范围有一定的局限性。

考虑到高速重载特大型轴承试验样本数量少、试验数据有限、试验成本高，其数据处理可优先采用JB/T50093-1997推荐的数据处理方法。

6 结 语

高速重载特大型轴承是一种满足特殊使用要求的新型轴承。轴承的运行工况十分恶劣，且载荷和转速按特定的规律变化，对其轴承寿命预测、失效模式的判断存在不确定性，利用专门研制的轴承试验机进行可靠性试验显得尤为重要。通过可靠性试验技术研究，探索可靠性试验方法，确定轴承失效的形式，摸索其失效规律，验证轴承寿命。

[1] 王献锋，陈科，赖俊贤，等.滚动轴承寿命理论的发展[J].轴承，2002(9)：36-40.

[2] 查全，程俊景.滚动轴承寿命预测计算新方法[J].轴承，2001(4)：1-6.

[3] 李兴林，张燕辽，曹茂来，等.滚动轴承寿命试验机及其试验技术的现状及发展[J].试验技术与试验机，2007(3)：1-6.

[4] 徐卫波.低速重载滚动轴承寿命计算方法的研究[J].浙江冶金，2006(3)：21-23.

[5] 李兴林，张永恩，张仰平，等.滚动轴承疲劳寿命强化试验评估方法研究[J].轴承，2003(4)：26-29,33.