軸承滾子四線(xiàn)摩擦副滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

張劍，劉蕾，陳曉陽(yáng)

(上海大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化系，上海 200072)

軸承滾子的接觸疲勞壽命是在標(biāo)準(zhǔn)工況條件下評(píng)價(jià)軸承材料性能和加工工藝優(yōu)劣的主要手段之一。目前用來(lái)考核滾子滾動(dòng)疲勞壽命的試驗(yàn)機(jī)主要有推力盤(pán)試驗(yàn)機(jī)[1]和三滾子試驗(yàn)機(jī)[2-3]。推力盤(pán)是二線(xiàn)摩擦副接觸;三滾子試驗(yàn)機(jī)是三線(xiàn)摩擦副接觸，但其受力點(diǎn)在幾何上不對(duì)稱(chēng)，接觸線(xiàn)間的速度關(guān)系不恒定，所以試驗(yàn)滾子與陪試滾子之間存在滾滑狀態(tài)，這會(huì)降低滾子的接觸疲勞壽命，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不確定性[4]。

現(xiàn)研制了四線(xiàn)摩擦副接觸式純滾動(dòng)強(qiáng)化疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，其克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的缺點(diǎn)，可用于各種材料的接觸疲勞壽命測(cè)試，為滾子的機(jī)械物理性能客觀評(píng)定、軸承滾子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)手段。

1 試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)

通常要求滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)具有一些特殊的性能，以達(dá)到對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命較精確的測(cè)量。每次試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)機(jī)都要作長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求試驗(yàn)機(jī)在無(wú)人監(jiān)控時(shí)，其試驗(yàn)參數(shù)(如載荷、速度等)不會(huì)發(fā)生變化；由于試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的一些基本零部件及加載機(jī)構(gòu)同樣存在破壞的問(wèn)題，因此要求這些零部件及加載機(jī)構(gòu)的壽命要比試驗(yàn)樣品的壽命高出許多倍，以保證試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿?；此外，試?yàn)機(jī)應(yīng)易于保養(yǎng)，能夠長(zhǎng)期可靠、高效地運(yùn)行，以保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性。新型高效滾子四線(xiàn)摩擦副滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，試驗(yàn)機(jī)主要包括主動(dòng)裝置、從動(dòng)裝置和加載裝置3部分。

1—加速度傳感器；2—熱電偶溫度傳感器；3—加載輪；4—驅(qū)動(dòng)輪；5—陪試滾子；6—試驗(yàn)滾子；7—支承輪；8—接近開(kāi)關(guān)；9—加載彈簧

2 試驗(yàn)機(jī)的工作原理

滾動(dòng)接觸疲勞壽命受到諸多因素(材料性能、加工工藝、尺寸精度、使用工況等)的影響。因此從研究滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度入手，強(qiáng)化主要的試驗(yàn)條件并弱化次要因素，以最大限度地減少這些因素的交叉耦合作用[5]，故單獨(dú)設(shè)計(jì)針對(duì)軸承單個(gè)滾子為研究對(duì)象的疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，可以排除內(nèi)、外圈及保持架等因素的影響。

如圖2所示，采用4個(gè)相同的滾子作為陪試滾子，4個(gè)陪試滾子精確定位，以避免四線(xiàn)接觸受力不均。試驗(yàn)滾子處于4個(gè)陪試滾子的幾何中心，載荷通過(guò)陪試滾子傳遞到試驗(yàn)滾子上。試驗(yàn)滾子與陪試滾子的4條接觸線(xiàn)上的接觸應(yīng)力相等，解決了接觸線(xiàn)少、各接觸線(xiàn)受力不均的缺點(diǎn)。

1—加載桿；2—加載輪；3，9—驅(qū)動(dòng)輪；4，5，7，8—陪試滾子；6—試驗(yàn)滾子；10—支承輪

被試滾子素線(xiàn)上受力，與陪試滾子之間為滾動(dòng)接觸，每轉(zhuǎn)1周受到4次循環(huán)載荷作用，且4條接觸線(xiàn)所受力與接觸應(yīng)力相等。陪試滾子由驅(qū)動(dòng)輪和支承輪支承。彈簧載荷被杠桿機(jī)構(gòu)放大后通過(guò)加載輪作用于陪試滾子，間接地作用于被試滾子。電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)2根驅(qū)動(dòng)輪軸，帶動(dòng)陪試滾子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而間接驅(qū)動(dòng)被試滾子轉(zhuǎn)動(dòng)。

加速度傳感器直接安裝在上殼體上，以測(cè)試振動(dòng)值；而被試滾子與陪試滾子間拋出的潤(rùn)滑油的溫度由熱電偶傳感器測(cè)量，潤(rùn)滑油壓力由壓力表測(cè)量；計(jì)數(shù)器用來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪軸的轉(zhuǎn)數(shù)，然后換算成被試滾子的轉(zhuǎn)數(shù)，以計(jì)算其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

當(dāng)被試滾子或相關(guān)滾動(dòng)件出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)，振動(dòng)值和溫升值都會(huì)增大，當(dāng)振動(dòng)輸出電壓值增大至預(yù)定值，或溫升達(dá)到設(shè)定值時(shí)，試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)會(huì)立即終止試驗(yàn)。

在加速試驗(yàn)中，該試驗(yàn)裝置采用高速(22 500 r/min)、重載(最大接觸應(yīng)力達(dá)到4 GPa)能夠在短暫的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)(對(duì)于107的循環(huán)周期來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)時(shí)間t=107/22 500×4=110 min)。

3 試驗(yàn)滾子的受力分析

根據(jù)彈性接觸理論，理想線(xiàn)接觸時(shí)接觸區(qū)域?qū)挾确较蛏系膲毫Ψ陌霗E圓分布，如圖3所示壓力分布函數(shù)為[6]

(1)

最大接觸應(yīng)力為

(2)

(3)

式中：l為滾子有效長(zhǎng)度；Q為接觸載荷；b為接觸橢圓短半軸；∑ρ為曲率和；E′為綜合彈性模量。

圖3 試驗(yàn)滾子的理想受力模型

當(dāng)滾子全長(zhǎng)進(jìn)入接觸時(shí)，接觸區(qū)域半長(zhǎng)為

a=l/2 。

(4)

理想線(xiàn)接觸時(shí)的接觸區(qū)域長(zhǎng)寬比為

(5)

對(duì)于鋼制滾子，根據(jù)以上線(xiàn)接觸最大接觸應(yīng)力推導(dǎo)出計(jì)算公式為

(6)

(7)

從而可計(jì)算出不同規(guī)格試驗(yàn)滾子為達(dá)到相應(yīng)接觸應(yīng)力所需的載荷，如圖4所示。

圖4 不同規(guī)格試驗(yàn)滾子的載荷變化曲線(xiàn)

4 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮滾子的特性，同時(shí)還應(yīng)使測(cè)試結(jié)果能說(shuō)明問(wèn)題，這就要求解決3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)較高的測(cè)試效率。主要措施有：提高轉(zhuǎn)速；加大載荷；增加應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

(2)純滾動(dòng)。伴隨滑動(dòng)的滾動(dòng)接觸會(huì)降低疲勞壽命,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不確定性。主要措施：使用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)帶動(dòng)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)，避免試驗(yàn)滾子與陪試滾子之間的滑動(dòng)。

(3)保證各接觸線(xiàn)上的最大接觸應(yīng)力相等。關(guān)鍵是確保試驗(yàn)滾子在一定的直徑變化范圍內(nèi)，每轉(zhuǎn)1周受4次等強(qiáng)度循環(huán)接觸載荷作用。主要措施：在兩邊驅(qū)動(dòng)輪軸承安裝座內(nèi)設(shè)計(jì)偏心套以調(diào)節(jié)陪試滾子的幾何位置，即使更換不同直徑的試驗(yàn)滾子，其都將處在4個(gè)陪試滾子的幾何中心位置。

加載輪、驅(qū)動(dòng)輪、支承輪、陪試滾子的尺寸固定不變，其中2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的中心距離固定不變，支承輪和加載輪的距離可以微調(diào)，通過(guò)更換其中的偏心套就可以調(diào)整支承輪和加載輪的距離，隨著試驗(yàn)滾子尺寸的改變，需要調(diào)整支承輪和加載輪的距離。研制的試驗(yàn)機(jī)可測(cè)試的滾子樣品直徑范圍為Φ8～12 mm，如要測(cè)試其他尺寸的滾子樣品，只須按照方案圖同比例放大或縮小尺寸，相當(dāng)于同比例改變加載輪、驅(qū)動(dòng)輪、支承輪、陪試滾子的尺寸，以適合測(cè)試不同尺寸范圍的滾子樣品。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)單獨(dú)對(duì)滾子進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)可以剔除軸承內(nèi)眾多因素的相互影響，能夠可靠地驗(yàn)證滾子的疲勞壽命，可以更好地分析滾子的失效原因。

(2)新研制的軸承滾子四線(xiàn)摩擦副滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，是一種四線(xiàn)接觸、高速、重載滾子疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，有效地克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高，可用于評(píng)定各種材料的滾動(dòng)接觸疲勞性能。

(3)該試驗(yàn)機(jī)可測(cè)試的滾子樣品直徑范圍為Φ8～12 mm，其可使?jié)L子轉(zhuǎn)速達(dá)到22 500 r/min，最大接觸應(yīng)力達(dá)到4 GPa，若循環(huán)次數(shù)為107次，試驗(yàn)僅需110 min。