轉(zhuǎn)盤軸承滿載加速壽命試驗(yàn)及評(píng)判指標(biāo)研究

董漢杰，陳捷，洪榮晶，韋超，孟瑞

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471003；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

轉(zhuǎn)盤軸承的疲勞壽命是判斷其質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承開展了大量的理論分析及試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1]研究了單排四點(diǎn)接觸球軸承在傾覆力矩、軸向力和徑向力作用下載荷分布情況，并以此來校核轉(zhuǎn)盤軸承的承載能力。

文獻(xiàn)[2-3]建立了四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承方程以及該轉(zhuǎn)盤軸承的有限元模型，通過構(gòu)造轉(zhuǎn)盤軸承的柔度矩陣，對(duì)其進(jìn)行了疲勞壽命研究。文獻(xiàn)[4]通過建立偏航和變槳軸承運(yùn)動(dòng)方程，準(zhǔn)確計(jì)算出軸承所能承受的最大載荷，為其壽命研究奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5]以非線性動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)個(gè)體球軸承的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[6]分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承微動(dòng)磨損的損傷形式以及溝道與輪齒上的微動(dòng)運(yùn)行模式。文獻(xiàn)[7]通過測(cè)試不同軸向載荷狀況下轉(zhuǎn)盤軸承啟動(dòng)摩擦力矩，研究出轉(zhuǎn)盤軸承的啟動(dòng)摩擦力矩與外載荷之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]結(jié)合已有的轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)及滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)方法，分析風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承加速壽命試驗(yàn)可能存在的問題，并提出相應(yīng)的解決方法。目前，對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承研究的試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)裝置尚處于探索階段，試驗(yàn)成本較高以及試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)等問題嚴(yán)重制約了轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

為此，以QNA-730-22型號(hào)單排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承為研究對(duì)象進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探討轉(zhuǎn)盤軸承壽命的有效評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)盤軸承的參數(shù)見表1,套圈材料為50 Mn。

表1 轉(zhuǎn)盤軸承參數(shù)Tab.1 Parameters of slewing bearing

轉(zhuǎn)盤軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要參數(shù)見表2。

1—加載盤；2—偏航軸承1；3—上凸緣筒；4—徑向加載架；5—液壓缸3；6—液壓缸2；7—偏航軸承2；8—下凸緣筒；9—液壓缸1；10—限位立柱

表2 試驗(yàn)臺(tái)主要性能參數(shù)

該試驗(yàn)裝置中2套轉(zhuǎn)盤軸承采用背對(duì)背的安裝方式， 偏航軸承1為試驗(yàn)軸承，偏航軸承2為陪試軸承。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)盤軸承裝配系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成。通過液壓缸1,2和3的組合，對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承施加軸向力、徑向力和傾覆力矩。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤軸承旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中檢測(cè)轉(zhuǎn)盤軸承的受力狀態(tài)、溝道油脂溫度、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)盤軸承的振動(dòng)信號(hào)等參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)條件

轉(zhuǎn)盤軸承疲勞試驗(yàn)的載荷為極限載荷的1/4～1/3[8]，本試驗(yàn)中為加快疲勞，取加速因子為3。該轉(zhuǎn)盤軸承主要用于多款型號(hào)的6 t挖掘機(jī)，參考裝有該軸承的玉柴YC60-8挖掘機(jī)，其參數(shù)見表3。

表3 玉柴YC60-8挖掘機(jī)參數(shù)

由于實(shí)際工況中徑向力較小，故試驗(yàn)臺(tái)未施加，試驗(yàn)臺(tái)施加的軸向力Fa=F+G=95.61 kN，傾覆力矩M=FR=240 kN·m。兩者均在試驗(yàn)臺(tái)加載范圍(圖2)之內(nèi)，以此軸向力和傾覆力矩作為100%極限載荷加載。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)加載范圍Fig.2 Loading range of test-bed

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

JB/T 2300—1999《回轉(zhuǎn)支承》規(guī)定滿載下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 r為轉(zhuǎn)盤軸承的壽命,故本試驗(yàn)以30 000 r為一個(gè)周期?？紤]到試驗(yàn)為加速運(yùn)轉(zhuǎn)，故以轉(zhuǎn)速為加速因子，軸承轉(zhuǎn)速選擇4 r/min，每轉(zhuǎn)完一個(gè)周期后拆卸試驗(yàn)軸承，觀察其套圈有無明顯損傷，若有明顯損傷或試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)量出現(xiàn)異常，立即停止試驗(yàn)。

轉(zhuǎn)盤軸承的主要失效形式是溝道損壞及斷齒，其中溝道損壞占98% 以上，因此溝道質(zhì)量是轉(zhuǎn)盤軸承質(zhì)量的核心[9]。Palmgren-Lundberg及美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室以軸承溝道形成第1個(gè)接觸疲勞剝落斑點(diǎn)為軸承疲勞失效的評(píng)判準(zhǔn)則[10]，該準(zhǔn)則的有效性有待驗(yàn)證。

1.4 試驗(yàn)過程

在滿載下軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 r后進(jìn)行拆解并做信號(hào)分析，振動(dòng)和噪聲信號(hào)中都沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤軸承的故障頻率，且幅值沒有明顯增加，頻率都在可知的范圍內(nèi)；溫度、扭矩、電動(dòng)機(jī)功率等反映轉(zhuǎn)盤軸承故障的特征參數(shù)都在有限的范圍內(nèi)逐漸增大，說明軸承運(yùn)行正常，未產(chǎn)生故障。

轉(zhuǎn)盤軸承重新安裝后運(yùn)轉(zhuǎn)254 h(59 520 r)后出現(xiàn)異響，最后軸承出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，停機(jī)重啟后，軸承依舊不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)束，拆卸軸承觀察零件的損傷情況，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 連接螺栓

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 r后，連接螺栓無明顯損傷(圖3a)，試驗(yàn)結(jié)束后(運(yùn)轉(zhuǎn)59 520 r)，5根螺栓出現(xiàn)斷裂，部分螺栓被拉彎(圖3b)。

圖3 連接螺栓Fig.3 Connecting bolts

2.1.2 鋼球及隔離塊

轉(zhuǎn)盤軸承運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 r時(shí)，鋼球表面沾滿油脂，呈烏黑色，但表面無劃痕凹坑等現(xiàn)象(圖4a)；隔離塊表面沾滿油脂，清除油脂也無明顯損傷(圖5a)。試驗(yàn)結(jié)束后，鋼球破碎(圖4b)，部分隔離塊表面出現(xiàn)劃痕、變形等現(xiàn)象(圖5b)，個(gè)別隔離塊內(nèi)部出現(xiàn)顆粒狀的鐵塊，大量隔離塊的通孔被鐵屑阻塞。轉(zhuǎn)盤軸承工作環(huán)境惡劣，當(dāng)出現(xiàn)鋼球破碎過多時(shí)，碎片擠入溝道，導(dǎo)致軸承卡死。隔離塊表面沾滿鐵屑，堵住通孔，也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)部的熱量難以散發(fā)從而加劇溫升的原因之一。

圖4 鋼球Fig.4 Steel balls

圖5 隔離塊Fig.5 Holders

2.1.3 套圈

運(yùn)轉(zhuǎn)30 000 r時(shí)，轉(zhuǎn)盤軸承套圈溝道僅有細(xì)微壓痕，在軟帶處有滑移區(qū)(圖6a、圖7a)；試驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)盤軸承套圈溝道出現(xiàn)大量剝落、麻點(diǎn)、拉痕，溝道上下邊沿出現(xiàn)大量凹坑、劃痕(圖6b、圖7b)，表面溝道剝落下來的鐵屑隨鋼球滾動(dòng)被擠壓到溝道上下邊沿，在載荷的作用下形成大量壓痕。對(duì)比套圈溝道的磨損量發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈(定圈)的磨損量與受力位置有關(guān)，受力越大，磨損量越大，而外圈(動(dòng)圈)磨損相對(duì)均勻。

圖6 內(nèi)圈Fig.6 Inner ring

圖7 外圈Fig.7 Outer ring

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 轉(zhuǎn)盤軸承溫度

由溫度傳感器測(cè)得的軸承溫度變化曲線如圖8所示。由圖可知，轉(zhuǎn)盤軸承2個(gè)測(cè)量點(diǎn)(相隔180°分布在轉(zhuǎn)盤軸承外圈上)溫度總體呈波浪式上升趨勢(shì)，測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2的溫度曲線較為接近，測(cè)量點(diǎn)溫度隨環(huán)境溫度波動(dòng)而波動(dòng)。導(dǎo)致溫度上升的原因主要是轉(zhuǎn)盤軸承的摩擦造成能量損失，并阻礙軸承的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到56 000 r前轉(zhuǎn)盤軸承溫度呈穩(wěn)定狀態(tài)，隨后急劇上升，最高達(dá)75 ℃，與環(huán)境溫度約差40 ℃。

圖8 轉(zhuǎn)盤軸承溫度曲線Fig.8 Curve of temperature of slewing bearing

2.2.2 轉(zhuǎn)盤軸承摩擦力矩

轉(zhuǎn)盤軸承摩擦產(chǎn)生的主要原因是鋼球與溝道接觸變形區(qū)內(nèi)的滑動(dòng)[9]。軸承摩擦力矩為

Mf=M1+Mv，

M1=f1FaDpw,

式中：M1為外載荷引起的摩擦力矩；Mv為潤(rùn)滑劑黏性摩擦引起的力矩；f1為與軸承載荷和結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；f0為與軸承潤(rùn)滑方式及類型有關(guān)的系數(shù)；ν0為潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)黏度；n為轉(zhuǎn)盤軸承的轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)盤軸承摩擦力矩如圖9所示。由圖可知，試驗(yàn)開始時(shí)，摩擦力矩呈上升趨勢(shì)。試驗(yàn)過程中由于鋼球和溝道間產(chǎn)生摩擦，使軸承阻力增大。運(yùn)轉(zhuǎn)30 000～50 000 r內(nèi)，摩擦力矩保持相對(duì)穩(wěn)定；隨著轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)數(shù)的繼續(xù)增加，溝道內(nèi)部出現(xiàn)麻點(diǎn)、剝落、磨損，由于鋼球破碎，隔離塊在高溫及載荷的作用下出現(xiàn)變形從而導(dǎo)致阻力增大，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到56 000 r時(shí)，摩擦力矩急劇上升。

圖9 轉(zhuǎn)盤軸承摩擦力矩Fig.9 Friction torque of slewing bearing

2.2.3 磨損量分析

為了進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)盤軸承失效原因，將轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)、外圈等分為16份，以外圈軟帶區(qū)域?yàn)槠鹗紖^(qū)域，順時(shí)針劃分轉(zhuǎn)盤軸承(圖10)。取各區(qū)域相同部位進(jìn)行目測(cè)和切片，并用電鏡測(cè)量磨損量。轉(zhuǎn)盤軸承各區(qū)域損傷情況見表4。

圖10 轉(zhuǎn)盤軸承區(qū)域劃分Fig.10 Regional division of slewing bearing

表4 轉(zhuǎn)盤軸承損傷情況Tab.4 Damage of slewing bearing

用低倍掃描電鏡對(duì)各段區(qū)域的橫截面進(jìn)行掃描作為試驗(yàn)前的底片，再以相同的分辨率將轉(zhuǎn)盤軸承對(duì)應(yīng)序號(hào)的溝道截面掃描圖覆蓋在底片上，即可觀察到試驗(yàn)后軸承每段溝道的磨損情況。第1段溝道截面掃描圖如圖11所示，由圖可以明顯看出,試驗(yàn)后的溝道出現(xiàn)了大幅度的不均勻磨損。

圖11 第1段溝道區(qū)域的磨損情況Fig.11 Wear of the first raceway section

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中通過轉(zhuǎn)盤軸承靜力學(xué)有限元計(jì)算獲得溝道的壓力分布圖如圖12所示，圖中標(biāo)出了各段切片所對(duì)應(yīng)的承載情況。

圖12 溝道壓力分布圖Fig.12 Pressure distribution of channels

為了獲得各段溝道的磨損量，采用OLYMPUS 9體視顯微鏡對(duì)各段溝道進(jìn)行觀察，并用Q-Capture Pro成像系統(tǒng)及分析軟件對(duì)溝道接觸區(qū)域的磨痕寬度位置和深度進(jìn)行定量分析，獲得各段溝道的磨損量如圖13所示。

圖13 各溝道區(qū)域磨損量Fig.13 Wear of sections of raceway

由圖13可知，第1，8，9，16段溝道磨損最嚴(yán)重，其中第1段溝道的磨損量最大(2.264 mm3)。結(jié)合圖11～圖13可知，各段溝道的磨損量與其接觸載荷的分布具有高度的一致性，即內(nèi)圈溝道中載荷越大的區(qū)域磨損越嚴(yán)重。

3 結(jié)束語

1)該型號(hào)的轉(zhuǎn)盤軸承可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的壽命要求，但該標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，沒有說明不同工況下的壽命，還有待研究。

2)轉(zhuǎn)盤軸承的失效主要發(fā)生在套圈溝道處，這與工程實(shí)際相吻合。各段溝道磨損量與其接觸載荷的分布具有高度的一致性，即內(nèi)圈溝道中載荷越大的區(qū)域磨損越嚴(yán)重，軟帶區(qū)容易出現(xiàn)疲勞裂紋，在實(shí)際工作中應(yīng)遠(yuǎn)離承載區(qū)。此外，溝道的磨損、剝落和隔離塊變形也是影響轉(zhuǎn)盤軸承壽命的主要原因。

3)對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承失效的判定，目前還無統(tǒng)一的準(zhǔn)則。如果按照以軸承溝道形成第1個(gè)接觸疲勞剝落斑點(diǎn)為軸承疲勞失效的評(píng)判準(zhǔn)則，在轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)的安裝拆卸上非常不方便，從測(cè)試數(shù)據(jù)上觀察，認(rèn)為采用油脂溫度與環(huán)境溫度的溫差以及扭矩的增加量作為評(píng)判準(zhǔn)則更為方便。今后可借助有關(guān)監(jiān)測(cè)量，在后續(xù)的試驗(yàn)中確認(rèn)每個(gè)監(jiān)測(cè)量的閾值，通過閾值判斷轉(zhuǎn)盤軸承是否失效。