42CrMo钢点接触下许用应力的试验研究

陈龙，左传伟，闫佳飞，邱明，夏新涛

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.五洲新春集团有限公司，浙江 新昌 312500)

1 概述

转盘轴承的套圈材料一般选用符合GB/T 699—1999规定的50Mn钢或符合GB/ T 3077—1999规定的42CrMo钢，套圈滚道表面淬火，硬度要求为55～62 HRC；滚动体采用GCr15钢或者GCr15SiMn钢制造，材料应符合GB/T 18254—2002的规定。对于一些工况条件较为苛刻的转盘轴承，如风力发电机偏航与变桨轴承、盾构机主轴轴承等，一般采用42CrMo钢作为转盘轴承的套圈材料，42CrMo钢材料成分及不同标准对比见表1。风力发电机偏航、变桨轴承一般采用两点、四点或八点接触的单、双排球结构的转盘轴承[1]，钢球应符合GB/T 308—2002的规定。

转盘轴承内部的载荷分布状态决定了固定圈与活动圈之间的相对位移、轴承的刚性以及受载最大钢球位置与最大载荷值，因而转盘轴承的载荷分布一直受到极大关注[2]。在准确计算转盘轴承的载荷分布后，必须明确GCr15钢球与42CrMo钢制套圈之间接触应力的许用水平，方能计算该轴承的承载能力、寿命以及可靠性问题[3-4]。文献[5]认为转盘轴承接触应力的许用水平应该是承受最大载荷的滚动体与滚道接触中心处产生总永久变形量为滚动体直径的1×10-4倍时的接触应力；文献[6]则认为此值应为3×10-4，并给出淬硬层深度大于0.1倍钢球直径、硬度不低于55 HRC的42CrMo钢制转盘轴承套圈的点接触许用接触应力为3 850 MPa的经验值，但并未给出此经验值的来源和依据。文献[7]利用直线型滚子和平板对压试验研究了滚子与42CrMo钢线接触的许用应力。

表1 不同标准规定的42CrMo材料牌号与化学成分对比

由于风力发电机用转盘轴承(尤其是变桨轴承[8])工况的特殊性以及较为严格的可靠性要求[9-11]，现参考42CrMo钢制转盘轴承热处理技术条件[12-15]制备不同硬度与淬硬层深度的42CrMo试样，并将其与GCr15钢球对压，获得不同的压痕深度，利用回归分析方法得到压痕深度与接触应力的关系，并最终确定点接触状态下42CrMo钢的许用应力。

2 试验方案

选取42CrMo钢制备试样，经机加工后对试样表面进行不同的中、高频表面淬火，获取不同表面硬度和淬硬层深度的试样，利用洛氏硬度计测量不同工艺条件下的表面硬度，利用显微硬度计测试显微硬度并获取淬硬层深度。将试样分成多组硬度与淬硬层深度范围，采用不同尺寸的滚动体进行压缩试验，压缩后用轮廓仪获取压痕深度。其技术路线如图1所示。

图1 硬度与淬硬层深度对于压痕深度影响试验技术路线

2.1 试样制备

风力发电机偏航、变桨轴承钢球与沟道的实际接触形式为两点或四点接触[3]，钢球与外圈沟道接触时，为一段曲率较大的圆弧和钢球球面的点接触(图2a)，钢球球面和沟道曲率圆的圆心在一个方向；钢球与内圈沟道接触时，则相反，如图2b所示。接触理论计算以及工程实践均表明，由于曲率方向性问题，内圈和钢球的接触应力大于外圈与钢球的接触应力，同时考虑试样制备的方便性，选取3根42CrMo棒料作为试样，直径为18 mm，长度为100 mm。

图2 接触形式

2.2 试验方法

2.2.1 表面淬火试验

采用HKHP-22S数控卧式双工位淬火机床对试样表面淬火，该设备可同时对两件相同的轴类零件一起进行连续、整体淬火，淬火硬度以及淬硬层深度可通过调整试样运动速度以及不同的功率系数获得。热处理过程中在不同的功率系数下以不同速度运行，获取12段不同硬度与不同淬硬层深度的试样，每段试样的长度约为25 mm。试验中3根试样淬火时选择的功率系数分别为930，850，930，各试样的4段速度见表2。第3根试样和第1根试样有两段的速度区间及功率系数相同，目的是为了对比不同试样在相同工艺条件下的淬火效果。

表2 试样淬火时4段的运行速度 mm/min

采用HR-150A洛氏硬度计测量表面硬度，按照不同的工艺条件，获取的试样数为12段。表面洛氏硬度检测过程中执行标准为JB/T 7361—2007《滚动轴承 零件硬度试验方法》。

采用MH-6显微硬度计检测显微硬度与淬硬层深度。显微硬度检测的执行标准为GB/T 4340.1—1999《金属维氏硬度试验 第1部分 试验方法》，淬硬层深度检测的执行标准为GB/T 9451—2005《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度的测定》。将12段试样磨光、抛光、浸蚀以显示欲评定的组织。抛光过程中为避免机械抛光引起的加工硬化，采用电解抛光制备试样；依据国标确定压入载荷；为避免压痕的弹性回复问题，依据显微硬度值的比较标准最终确定显微硬度值。试样经处理后直径变为17.7 mm。

2.2.2 压痕试验

采用DDL-100电子万能试验机进行试样的压痕试验，如图3所示。由于试验用的试样以及钢球的硬度较高，为防止损害试验机并便于装夹自制了辅助工装，如图3c所示。依据风力发电机用偏航、变桨轴承大量使用的钢球与沟道的曲率比，综合棒料试样的直径尺寸，选取对压钢球的直径为18.526，19.05和19.884 mm。压制过程中所选用载荷分别为10，20，30，40，50 kN。

图3 DDL-100电子万能试验机

3 试验数据

3.1 表面淬火试验结果

洛氏硬度的测定值见表3。淬硬层维氏硬度集中于550～650 HV。规定试样1在速度1下的试样编号为1-1，依次类推。试样1-1选用功率系数高、速度慢，发生试样被淬透的现象，如图4a所示；试样1-2淬硬层深度为5.50 mm，深度较深，观察其维氏硬度曲线图发现随着深度加深硬度下降显著；试样1-3淬硬层深度为4.10 mm，淬硬层深度中等，淬硬层硬度变化较小，但维氏硬度曲线图显示从表层硬度即开始下降；试样1-4淬硬层深度为3.20 mm，深度较浅，淬硬层硬度变化较小。试样2-1(图4b)与试样1-1速度一致，功率系数降低，因而材料未淬透，淬硬层深度仍然较深，为6.75 mm，淬硬层硬度变化较小；试样2-2淬硬层深度为4.05 mm，深度较深，淬硬层内硬度显著下降；试样2-3淬硬层深度为3.05 mm，淬硬层深度中等，淬硬层硬度变化较小；试样2-4淬硬层深度为2.45 mm，深度较浅，淬硬层硬度变化较小，淬硬层硬度有上升趋势。试样3-1(图4c)淬硬层深度为4.10 mm，淬硬层硬度变化较小；试样3-2淬硬层深度为3.30 mm，深度较浅，淬硬层硬度变化较小；试样3-3淬硬层深度为3.05 mm，淬硬层深度中等，淬硬层硬度变化较小；试样3-4淬硬层深度为2.45 mm，深度较浅，淬硬层硬度变化较小，淬硬层硬度有上升趋势。试样1-3与3-1，1-4与3-2工艺参数相同，所获得的淬硬层深度也很接近，显微硬度的变化趋势一致，较好地说明了工艺过程控制的稳定性。

表3 表面硬度与淬硬层深度

图4 不同淬硬层深度、不同硬度时的压痕深度数据

3.2压痕试验结果

图5为试样上的压痕，随着表面硬度、压力以及加载钢球直径的变化，压痕深度均有变化，压痕试验完成后采用轮廓仪获取压痕的深度值。

图5 压痕照片

图6为不同淬硬层深度、不同硬度时的压痕深度数据。其中图6a为不同压力下不同表面硬度与压痕深度关系；图6b为不同压力下不同淬硬层深度与压痕深度关系。图中5组曲线分别为施加10，20，30，40，50 kN载荷时的压痕深度。每一相同硬度以及淬硬层深度对应的3个点分别为直径18.526，19.05和19.884 mm钢球压入时的压痕深度值。

图6 不同淬硬层深度、不同硬度时的压痕深度数据

4 试验数据的分析与处理

根据图6可以得到以下定性分析：

(1)数据曲线组明显分段的原因是压痕深度随压力变化而变化，压力增加，压痕深度增加；

(2)硬度接近的试样，在保证基本淬硬层深度的前提下，淬硬层深度越深，压痕深度有加深的趋势；

(3)淬硬层深度接近的试样，硬度越大，则许用应力也越大。由于试样的硬度集中于51～60 HRC，因而此结论使用范围仅适用于参与试验的试样实际硬度状态，不应扩展到更宽的硬度范围；

(4)对于硬度和淬硬层深度相同的试样，对压钢球的直径越大，则压痕深度越浅，这与Hertz接触理论具有较好的一致性。

根据Hertz接触理论计算钢球与圆柱体的最大接触应力[16]，计算公式为

(1)

(1)式中各符号的意义见文献[16]，此处不再赘述。以关联压痕深度(永久变形量)与对压钢球直径的比值来定义钢球压入的许用应力，即

(2)

式中：δq/Dw为永久变形量与钢球直径的比；m为最大接触应力的指数；K为常数。

为简化计算，(2)式两端取对数

lg(δq/Dw)=mlgσmax+lgK。

(3)

参照文献[6]的推荐值，规定钢球与沟道接触中心产生永久变形量与钢球直径比值为0.000 3时所承受的接触应力为许用接触应力。由于对压钢球直径越大，压痕越浅，以下以18.526 mm钢球(最小直径)与试样1-1对压的数据为例展开分析，计算结果见表4。

表4 压痕结果数据处理

(4)

为了由样本数据得到回归参数β0,β1的估计值，使用普通最小二乘估计(OLSE)求解，得

(5)

由于试样总量较少，因而不能得到样本的精确分布形式，讨论相关性如下。引入Pearson相关系数

(6)

将以上数据代入(6)式，求得相关系数r=0.972。

将各系数值代入(4)式，回归直线方程为

y=-17.422 5+3.915 1x。

(7)

将(7)式变为(3)式的标准型

δq/Dw=3.78σmax3.915 1×10-18。

(8)

当δq/Dw=0.000 3时，由(8)式得该组试样的许用接触应力σH= 3 607.5 MPa，此计算值略低于文献[6]推荐的3 850 MPa，但较为接近，影响的因素包含表面硬度、接触时的曲率比等。

5 结束语

针对偏航、变桨轴承的结构形式、材料、热处理工艺条件开展了试验研究，判断了GCr15钢球与表面淬硬的42CrMo钢对压时点接触下的许用应力，为偏航、变桨轴承的寿命计算与可靠性分析提供了数据支撑。

试验中存在的不足有以下几个方面。

(1)样本容量不足。由于试验成本的问题，制备的试样总数为12件，试验设计中尽可能考虑各种状态，但样本量小对于分析的可靠性有所欠缺，回归分析虽然获得较高的Pearson系数，但无法排除假相关的可能性。

(2)热处理试验后未能对组织状态进行金相分析，难以说明组织状态对于许用应力的影响。

(3)压痕试验中试验机与辅助工装的刚性不良，对于试验结果可能产生一定影响，这一部分的影响因素未计入分析。

(4)由于试验条件的限制，采用对压的42CrMo钢的试样结构形式为棒料，与实际状况有所差异。