滚动轴承疲劳寿命的影响因素

徐鹤琴，汪久根，王庆九

（浙江大学机械工程学院，杭州 310027）

近年来，通用机械零部件的摩擦学设计得到广泛关注，滚动轴承是应用最广泛的机械零部件之一，随着数值计算技术和方法的发展，计算模拟和模拟试验已广泛用于滚动轴承的摩擦学研究和产品设计。滚动轴承的摩擦学设计有正向和反向2种思路［1］。

滚动轴承的性能对机械系统的性能有重大影响，然而影响滚动轴承疲劳寿命的因素众多，如工作温度、冲击载荷、可靠性、材料、使用条件、极限转速、表面粗糙度、夹杂物、压痕、润滑状态、径向游隙、偏斜、疲劳裂纹诱导应力、切向摩擦力、残余应力和环向应力、表面处理等［1-2］，这些因素相互影响，加之疲劳寿命试验的非重复性，影响因素尚难以准确地定量描述。

拟全面讨论影响滚动轴承疲劳寿命的因素，以期通过控制这些因素来提高滚动轴承的疲劳寿命，为高可靠度、长寿命的滚动轴承设计提供思路。

1 可靠度

高可靠度下二参数Weibull分布的寿命模型低估了轴承的疲劳寿命［3］。针对高可靠度的轴承寿命理论，将失效前的最小寿命作为第三参数γ，导出了一个三参数的Weibull寿命分布函数［4］。

对于特定的应用，需要为90%以外的可靠度指定寿命。

GB／T 6391—2010通过引入修正系数 a1和aISO，对额定寿命进行了修正［5］，即

Lnm＝a1aISOL10。

2 温度

温度变化影响润滑油的黏度，通过改变油膜厚度进而影响轴承的润滑特性［6］。高温会导致轴承材料的硬度降低，对应用于航空工业的轴承，温度的影响尤为明显。温度还影响材料维持弹性响应的能力［7］。滚动接触疲劳引起的材料退化会缩短弹性响应阶段，退化时间是最大载荷应力、材料特性和运行温度的函数。在循环载荷作用下，关键是尽可能长地维持该阶段的弹性响应以延长轴承寿命，温度升高会加剧回火马氏体的碳扩散，使弹性响应阶段缩短。

为了降低高温对轴承寿命的影响，应选择具有良好黏温性能的润滑剂，以提高润滑材料的热稳定性及轴承零件材料的抗回火稳定性。

3 润滑状态

根据润滑状态可将滚动接触分为4种情况：弹性流体动压润滑、混合润滑、干摩擦、接触表面间存在污染物颗粒［8］。

轴承润滑和添加剂都对疲劳寿命和磨损有一定的影响。滚动轴承工作时的膜厚比常处于0.5～3.0之间，为混合润滑状态，即部分膜弹流润滑［8］。影响流体动压润滑的因素有楔形项、黏度梯度项、密度梯度项、伸长项、微峰承载以及热弹变形等。

目前润滑理论的研究有多相流的润滑脂分析、非线性本构关系与摩擦化学结合的研究，新的润滑技术仍在进一步发展之中。在变速、变载和变向等条件下，润滑油的黏度提高25%左右，在轴承设计中可以利用这一特性。

3.1 润滑膜厚度

文献［9］进行的滚动轴承耐久试验表明，润滑油膜厚度对疲劳寿命具有显著影响。润滑油膜的润滑效果取决于润滑油膜相对厚度。文献［1］用膜厚比Λ来表示润滑对轴承疲劳寿命的影响。文献［6］将疲劳寿命减少量描述为一个膜厚比函数的统计学表达。

滚动轴承在完全流体润滑的情况下达到最长寿命，此时滚动接触的金属表面被润滑剂完全分开。然而在一定的工况（低速、极高载荷、高温）下只能建立起薄的、部分润滑油膜，金属之间发生接触，出现粘着，局部不可避免地出现较高的法向和切向应力，使寿命大大减少。

文献［10］在寿命模型中考虑了膜厚／综合粗糙度比和粗糙峰锐度量对表面缺陷的影响，膜厚／综合粗糙度比也会影响有效牵引系数。文献［11］进行了弹性流体动压力分布峰值对应力场和滚动寿命影响的参数化研究，结果表明，压力峰高度、半宽和滑动牵引系数增加，或者压力峰数量减少，将导致近表面应力场增加，滚动寿命降低。

3.2 润滑剂清洁度

3.2.1 污染颗粒（磨粒污染）

大量的试验结果表明污染颗粒会显著降低轴承的疲劳寿命。文献［12］研究了润滑剂中碎屑的类型和尺寸对轴承表面压痕形成的影响。韧性和硬度不同的碎屑，造成的表面损伤形式差别很大。此外，存在一个临界碎屑纵横比，决定碎屑能否损伤接触表面。由不同尺寸、同等硬度的碎屑造成的压痕，会产生相同的次表面应力。以压痕形式出现的表面缺陷会导致疲劳寿命降低，而非连续存在的污染物。

外来颗粒会使轴承寿命大幅降低。与用于加速寿命试验的高载荷相比，污染物的影响相对较小，故其对寿命的影响往往被低估。疲劳裂纹在损伤表面，尤其是在滚动接触零件上的污染物颗粒压痕的周围发展。后续的循环接触导致裂纹朝最高等效应力区域扩展，最终导致材料的麻点和剥落［13］。

与没有考虑这些因素的DIN／ISO寿命相比，润滑良好的清洁滚动零件，其寿命对于接触应力变化的反应不同（图1）。从图1可以看出，较小的载荷变化可能使高清洁度下润滑良好的轴承寿命产生较大的变化。

3.2.2 水对润滑剂的污染

当润滑剂中出现0.01%的水时，表面疲劳寿命会严重降低。文献［14-15］提出毛细凝聚假说：溶解的水压入表面微裂纹，形成微毛细管，在裂纹中导致水腐蚀和氢脆，和动压力一起，减少裂纹扩展到临界尺寸的时间。水能将碳氢润滑剂和金属表面形成的摩擦聚合物从金属表面移除，并与新露出的表面发生化学反应，增大磨损量。

文献［16］以实物轴承为试验对象，研究海水对疲劳寿命和失效分布的影响。将海水作为污染物加到润滑油中时，发现角接触球轴承的疲劳寿命大幅降低。失效分布从球的失效转化为内外圈沟道失效，这是因为内外圈纤维方向各向异性，海水对内外圈的影响比球大。

前面所做的工作是研究溶解水和悬浮水对轴承疲劳寿命的共同影响。针对润滑剂中的溶解水，文献［17］以圆锥滚子轴承为试验对象，评估了不同润滑剂的吸水性能及其对疲劳寿命的影响。

润滑剂还会从轴承所处的潮湿空气中吸收水分，文献［18］综述了环境湿度和水对摩擦、磨损及润滑的影响，水对金属磨损的影响要比摩擦的大。在润滑接触中，水能够通过改变润滑剂和边界膜的化学性质，增加滚动体麻点。水影响疲劳寿命的3个主要方面是裂纹扩展、与滑动表面反应以及改变磨损碎屑形成的聚合层。

3.3 润滑化学效应

化学效应对滚动轴承材料接触疲劳寿命有影响。文献［19-21］将润滑剂基础剂、添加剂和接触表面材料的化学组分作为最大的化学变量，研究润滑剂基础剂和添加剂的化学性质对疲劳寿命水平、应力／寿命指数和Weibull分布斜率的影响，润滑剂化学性质的影响随着应力和滑动率变化，在其研究中的试验条件下，并没有检测到湿度对疲劳寿命的显著影响。

3.4 小结

综上所述，除了通过增大膜厚比改善轴承的润滑状态，还有以下措施：

1）提高轴承系统的密封性能以抵抗外来颗粒的污染，针对运行过程中产生的磨粒，对润滑油进行过滤，以减小润滑油中磨粒的尺寸和数量。

2）降低环境湿度，在油中加入抑水性添加剂以降低润滑剂中水的溶解量。

3）各向同性表面受水的影响要小于各向异性表面，在选择表面加工工艺时使重要加工表面各向同性。

4）根据轴承工作的载荷和速度选择化学性质合适的润滑剂。

4 表面粗糙度

用光弹技术测量Hertz接触中粗糙峰下的切应力，结果表明，可以用材料疲劳分析的传统强度解释粗糙峰的持久极限和表面疲劳损伤［22］。

文献［23］分析了接触表面摩擦牵引力和表面粗糙峰斜率对用于表面和次表面起源剥落的失效风险函数的影响，提供了一个精确预测滚动接触疲劳的数学模型。大粗糙峰斜率的主要影响是增加表面危险微麻点。文献［24］观察了麻点试验中的裂纹。在接近麻点疲劳极限载荷条件下的麻点试验结果表明，尽管通过跑合增加了微观几何一致性，粗糙峰接触的严重程度控制了表面层的应力集中并对疲劳极限起着主要影响，还认识到了机械加工痕迹的方向对裂纹扩展的影响。

由于粗糙峰的尺寸小，粗糙峰变形模式是弹塑性的。文献［25］对弹塑性粗糙峰微接触行为的规模效应进行了理论研究，以离散位错的形式描述了接触塑性变形。研究二维粗糙峰微观接触发现，当粗糙峰尺寸减小到与典型显微结构的尺寸相差无几时，接触塑性变形将越来越困难，最终不可能发生。

文献［26］使用膜厚比评估表面粗糙度对滚动轴承寿命的影响和粗糙度变化导致寿命估计不准确。用表面织构测量仪器和扫描电子显微镜检测表面织构的改变。中等和低水平的膜厚比下，轴承跑合过程的初始阶段表面织构出现了重大变化。

文献［27］代替经验法预测薄膜润滑条件下的寿命，并说明了强化表面处理的轴承寿命长于标准表面处理轴承的原因。试验前后强化处理的表面比标准处理的表面光滑，表面形貌更好。表面形貌对疲劳、剥落和擦伤的失效形式有很大影响，尤其是运行在混合或边界润滑状态下。

减小粗糙峰高度、斜率，以及进行表面强化处理均能够降低轴承表面疲劳失效的概率、提高轴承疲劳寿命。实际零件间接触情况与弹性接触模型的计算结果有较大误差，应采用弹塑性接触模型来分析。

5 材料

滚动轴承材料主要采用高碳铬轴承钢。各国所用轴承钢的化学成分基本相同，大体上含碳1%、含铬1.5%。轴承钢一般在正火、退火后加工为套圈，然后进行淬火和回火。添加硅可提高轴承钢抗回火软化能力，减小磨削过程中表面残余应力，改善早期疲劳剥落。氧化物夹杂对接触疲劳产生负面影响，易使不能塑性变形的氧化物夹杂与材料基体之间产生局部间隙，引起应力集中，导致产生疲劳裂纹［28］。

5.1 钢材成分和冶炼工艺

自从1960年真空脱气钢在美国推广以来，轴承钢的冶炼技术不断得到改进，耐疲劳能力显著提高。轴承材料和设计的进步提高了航空轴承的性能和可靠性寿命［29］。20世纪60年代，钼基工具钢AISIM50用于飞行器涡轮发动机轴承，完全硬化M50材料作为航空轴承钢可用在更高的运行温度下。为提高轴承速度，80年代开发出了表面硬化M50NiL材料。Cronidur 30钢具有优良的抗腐蚀性、热硬度以及较长的寿命。轴系的集成设计减少了组件数量，获得了更好的性能和高可靠度。

陶瓷材料，尤其是氮化硅，在轴承中得到了广泛的应用。热等静压成形粉末冶金氮化硅用于制造高性能全陶瓷或混合钢／陶瓷滚动轴承［30］。与传统的钢轴承相比，氮化硅轴承在滚动接触疲劳寿命方面展现出了显著的优势，材料的低密度大大减少了在高速时球／沟道接触的动载荷，如机床主轴和燃气涡轮发动机。在恶劣的润滑和磨损条件下使用氮化硅轴承，如极端温度、大温差、高速度、极端高真空和对安全性要求苛刻的应用中。氮化硅轴承还有抗腐蚀性和抗污染等优点。混合轴承（钢套圈和陶瓷滚动体）也应用于高性能的轴系中。

5.2 残余应力

文献［31］用一个单球测试装备对AISIM50轴承的钢球进行滚动接触疲劳试验，研究在接触疲劳的过程中初始残余应力对材料力学性能和微观结构演变的影响。在滚动接触疲劳加载以后，有初始残余压应力的球表现出的材料性能变化更小。表面残余压应力可抑制疲劳裂纹的产生和扩展速度，从而延长轴承疲劳寿命。加工工艺的选择应使轴承零件表面有残余压应力，例如采用钢球的冲击硬化工艺。

5.3 热处理工艺

热处理工艺是决定金相组织的重要因素，从而对疲劳寿命有着重要影响［28］。马氏体的含碳量在0.45%～0.5%时，轴承零件的疲劳寿命最长。颗粒粗大的碳化物对轴承疲劳寿命有不利的影响。为了延长轴承寿命，要求碳化物粒度细小、形状圆滑、分布均匀。轴承零件的硬度若低于60 HRC，接触疲劳寿命将显著下降；表面变质层通常会降低轴承零件的接触疲劳寿命。

5.4 硬度差

滚动体表面与滚道表面之间的硬度差影响轴承疲劳寿命。文献［32］探究组件硬度差异及其对轴承疲劳的影响，发现当轴承滚动体硬度比滚道硬度高出1～2 HRC时，轴承寿命最长，承载能力最大。轴承零件硬度差、引入的残余压应力和疲劳寿命之间存在相关性，当滚动体硬度稍大于滚道时，残余压应力显著增加，从而使轴承的疲劳寿命提高。但是没有考虑不同硬度组合、接触温度、塑性变形和磨损量对轴承疲劳寿命的影响。

5.5 夹杂物

文献［33］对轴承钢弯曲疲劳试验试件破裂部分的观察发现，起始失效点与表面下非金属夹杂物有关（图2）。在试件断裂部分的夹杂物周围观察到了鱼眼形状的疲劳裂纹。载荷循环次数取决于夹杂物类型和数量［8］。

图2 寿命随钢材洁净度的变化Fig.2 Variation of life with cleanliness of steel

对轴承钢的性能进行更准确的评估需要对非金属夹杂物的材料应力进行微观分析，一些类型的夹杂物可能在边界形成拉伸应力，从而影响热传递。在非金属夹杂物的边界区域可能存在亚微观小裂纹，夹杂物的强度和韧性也会影响材料的强度。夹杂物在钢的生产过程中是无法完全避免的，其性质对材料性能的影响取决于该材料具体的工作条件。

5.5.1 夹杂物的类型

夹杂物有各种不同的形态和类型，其边界条件、硬度、脆性、残余应力和内部缺口效应对于滚动接触疲劳行为都有重要影响。轴承钢中的铝酸钙夹杂物呈球形。碳氮化钛是另一种重要的夹杂物类型，呈矩形并有锋利的边缘。

5.5.2 由扰乱的力流导致的内部缺口效应

夹杂物与基体的弹性性能差别扰乱了力流，如一个弹性模量高于基体的硬夹杂物，因为能够吸引力流而对基体起到支援作用。而对于弹性模量小于基体的软夹杂物，一些力绕过了夹杂物，使周围基体中的应力增大。夹杂物模型的光弹试验如图3所示［8］，固定线载荷垂直加载于该模型，夹杂物周围基体中复杂且不均匀的应力清晰可见。

图3 夹杂物模型周围应力状态的光弹描述Fig.3 Photoelastic presentation of stress condition around inclusion model

文献［34］研究初始材料缺陷（如夹杂物和弹性模量不均匀性）对疲劳寿命的影响。结果表明，材料缺陷导致疲劳寿命明显降低，寿命离散性增加。夹杂物导致由弹性模量不协调引起的局部应力集中，在奇异点的周围产生了塑性变形，并因此成为裂纹萌生点，最终的疲劳寿命是夹杂物深度和面积的函数。

文献［35］把夹杂物当作均匀材料基体中的不同质，运用离散单元模型，研究了夹杂物尺寸、位置、方向和弹性性质对次表面应力场的影响。发现弹性模量大于或者小于基体材料的夹杂物都会引起应力集中。大弹性模量夹杂物的应力集中效果大于小弹性模量夹杂物，夹杂物尺寸越大，产生应力集中效应越高。方向与表面垂直的夹杂物导致的Misses应力比方向与表面平行的夹杂物高得多；表面下深处的夹杂物对最大Misses应力的影响很小。

通过改进加工工艺减少夹杂物数量，尤其是近表面的夹杂物密度，能够减小裂纹的萌生概率。轴承材料中应当尽量避免大颗粒夹杂物且方向应尽量与接触表面平行。

6 载荷分布

滚动轴承的疲劳寿命在很大程度上取决于最大滚动体载荷Qmax，若Qmax显著增大，疲劳寿命就会明显降低。因此，任何影响Qmax的因素，同样也会影响轴承的疲劳寿命［1］。为了延长疲劳寿命，滚动轴承滚道上每单位长度的接触载荷应保持一致。润滑剂的清洁度、轴承转速、角偏差、游隙、壳体和转轴刚度、载荷类型和热梯度等都会影响滚动轴承的载荷分布。

文献［36］研究了游隙对轴向加载的深沟球轴承和圆柱滚子轴承载荷分布和疲劳寿命的影响，导出了寿命因子-游隙曲线。当存在一个小的负游隙（过盈）时，球的载荷分布得到了优化，轴承寿命最长。寿命随游隙的增加缓慢降低，随着负游隙值增加迅速降低。游隙对滚动轴承载荷分布和疲劳寿命的影响随球的尺寸变化，而非轴承内径或者节圆直径。

为了避免由于安装误差或者重载导致严重的高边缘应力，可为滚道外形设计适当的凸度以获得更长的疲劳寿命。文献［37］使用圆锥滚子轴承进行了疲劳寿命试验研究以证明凸度的有效性。有控制凸度的轴承疲劳寿命要比有单圆弧凸度的轴承长2～8倍。

提高润滑剂的清洁度、轴承的安装精度、转子系统的刚度、选择合适的游隙值，以及对滚道或滚动体进行修形，均能够改善轴承的载荷分布，从而提高轴承的寿命。

7 环向应力

研究发现，轴与内圈的过盈配合会显著地减小轴承疲劳寿命。文献［38-39］将环向应力叠加在由轴向载荷导致的Hertz初始应力上，并基于零初始间隙计算滚子轴承疲劳寿命。特定过盈配合下，不同种类的轴承寿命减小量不同。用寿命因子表示疲劳寿命的减小量，过盈配合的过盈量越大，寿命因子越小（寿命越短）。尽管孔上的接触面应力明显不同，对于特定的配合，内径尺寸一定的不同系列轴承的过盈配合寿命因子几乎相同。过盈配合同样影响最大Hertz应力-寿命关系。

8 滑动

Lundberg-Palmgren计算滚动轴承额定寿命方法的前提为：所分析的轴承润滑良好且运转正常。即使滚动轴承运转良好，由于表面存在变形，接触区内仍然存在滑动和微观滑移。

L-P方法在一定程度上是以试验数据为基础的，在疲劳寿命公式中已经考虑了这种接触区内的滑动和微观滑移。但是滚动轴承运转正常时不会出现打滑现象，因而L-P方程对此未作考虑。打滑将会导致球公转速度降低，从而减小钢球的离心力和陀螺力矩。但球与沟道接触处的打滑对疲劳耐久性产生很大的不良影响，可能会完全抵消由于惯性载荷减小产生的有益影响。接触面上出现滑动时，表面除了存在法向应力外，还会产生切应力分量，由此产生较高的次表面应力，降低疲劳寿命。因此，减少轴承接触表面的滑动和微观滑移可以提高疲劳寿命，而减少滑动和微观滑移的一个有效方法是提高接触表面的硬度。

9 考虑多种失效模式

滚动轴承疲劳寿命经典的L-P理论基于假设［3］：滚动接触的疲劳失效起源于接触区域下正交切应力最大的深度处。然而随着轴承制造工艺的发展，起源于表面的疲劳失效模式较表面下疲劳失效模式出现得更为频繁。裂纹萌生有3种机制：起源于表面的裂纹萌生、起源于近表面的裂纹萌生和材料基体中的裂纹萌生［40］。

起源于表面的麻点和表面下起源的剥落寿命是竞争的失效模式，被预测为膜厚比、粗糙峰斜率均方根值和边界润滑粗糙峰接触中的牵引系数的函数。

10 结束语

随着高速铁路和航空工业的发展，对于轴承高可靠度的要求越来越多，同时轴承应用环境温度变化较大，有必要深入研究可靠度与温度的耦合作用。

滚动轴承材料仍在发展之中，有必要探索零件的表面完整性与表面疲劳麻点之间的关系，在微观尺度上揭示零件表面完整性和润滑效应对疲劳麻点的影响。另一方面，结合载荷特性以及材料的动态响应来研究剥落失效，分析轴承材料对外界载荷的动态响应，研究疲劳性能与材料性能之间的耦合关系，获取材料动态响应与表层疲劳剥落的关系。

对于其他影响轴承疲劳寿命的因素，例如润滑剂和添加剂、表面粗糙度、环向应力和界面滑动等，也需要综合地研究，如建立数据库和研发软件包，实现润滑剂和轴承材料的自动分析与选择，这也是未来发展方向之一。

对影响轴承滚动接触疲劳的因素进行分析，有助于更好地理解轴承疲劳失效的机制。一方面可以尽量避免产生降低轴承寿命的因素，提高轴承的疲劳寿命；另一方面，可以为疲劳寿命理论的发展提供一定的指导，以期提高轴承疲劳寿命预测的准确性。