四線接觸軸承滾子疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)改進(jìn)

周立業(yè)，陳曉陽(yáng)，陸錦才

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海和錦滾子科技有限公司，上海 201600）

軸承壽命具有很大的離散性，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論和所選參數(shù)的正確程度，考核加工工藝和材料性能是否達(dá)到預(yù)定要求，為優(yōu)化設(shè)計(jì)及延長(zhǎng)軸承的使用壽命提供可靠的理論依據(jù)，需要獲取軸承的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)［1］。

目前常用于考核軸承滾子滾動(dòng)疲勞壽命性能的試驗(yàn)機(jī)主要有推力盤(pán)試驗(yàn)機(jī)［2］和三滾子試驗(yàn)機(jī)［3－4］。推力盤(pán)為二線摩擦副接觸，接觸線上各點(diǎn)的速度不相等；三滾子試驗(yàn)機(jī)為三線摩擦副接觸，但由于單軸驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)滾子與各陪試滾子之間因速度差常處于滾滑狀態(tài)：上述因素會(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。

針對(duì)上述問(wèn)題，新研制了軸承滾子四線摩擦副滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，但設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到實(shí)際運(yùn)行中的潛在問(wèn)題，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升高、測(cè)試結(jié)果也存在較大離散性，需對(duì)其做進(jìn)一步改進(jìn)，以保證其穩(wěn)定的試驗(yàn)性能。

1 試驗(yàn)機(jī)工作原理

該試驗(yàn)機(jī)針對(duì)軸承單個(gè)滾子設(shè)計(jì)，從研究滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度入手，強(qiáng)化主要的試驗(yàn)條件而弱化次要因素，以最大限度地減小不同因素的交叉耦合作用［5］。試驗(yàn)機(jī)原理如圖1所示，4個(gè)陪試滾子靠4個(gè)主軸精確定位的滾輪支承，試驗(yàn)滾子則處于4個(gè)陪試滾子的幾何中心，以保證其四線接觸受力均勻。外力F通過(guò)杠桿原理施加在加載輪上，經(jīng)陪試滾子傳遞到試驗(yàn)滾子上，試驗(yàn)滾子每轉(zhuǎn)1周承受4次接觸應(yīng)力相等的循環(huán)載荷［6］。

圖1 試驗(yàn)機(jī)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of test rig

壓力傳感器安裝在彈簧加載處，以準(zhǔn)確施加載荷；加速度傳感器安裝在加載輪軸的軸承處，以測(cè)量振動(dòng)值；熱電偶傳感器安裝在支承輪軸的下方，測(cè)量潤(rùn)滑油的甩油溫度；計(jì)數(shù)器用來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪軸的轉(zhuǎn)數(shù)，軟件后臺(tái)將其換算成試驗(yàn)滾子的轉(zhuǎn)速，以計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)［7］。

2 存在的問(wèn)題及改進(jìn)方案

2.1 滾子間存在滾滑現(xiàn)象

試驗(yàn)機(jī)所選電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為（965±10）r／min，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速明顯低于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可判別有滾滑現(xiàn)象。分析認(rèn)為該現(xiàn)象主要是由于重載條件下試驗(yàn)機(jī)的兩軸驅(qū)動(dòng)方式（圖2a）效率不高，從圖2a可以看出兩受力帶輪包角也不同，這也在不同程度上降低了傳動(dòng)效率?？紤]到試驗(yàn)機(jī)單軸加載，現(xiàn)將驅(qū)動(dòng)方式改為三軸同步驅(qū)動(dòng)（圖2b），兩驅(qū)動(dòng)軸同步輪與支承軸同步輪通過(guò)一根同步帶固定，電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶動(dòng)支承軸上的雙聯(lián)同步輪以保證三軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案Fig.2 Driving scheme of test rig

2.2 被試滾子發(fā)生軸向竄動(dòng)

改進(jìn)前的幾次試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了因試驗(yàn)滾子發(fā)生軸向竄動(dòng)導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)報(bào)警停機(jī)的現(xiàn)象。分析認(rèn)為：1）試驗(yàn)機(jī)所采用的單油路潤(rùn)滑使限制試驗(yàn)滾子軸向竄動(dòng)的另一側(cè)得不到較好的潤(rùn)滑冷卻效果，使得頂桿頭部的鋼球磨損較大，最終導(dǎo)致滾子軸向竄動(dòng)。從圖3a可以看出，不僅球頭磨損，而且由于冷卻不足，溫度過(guò)高使頂桿前端也發(fā)黑嚴(yán)重。2）由于頂針旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，造成滾子受力不均，嚴(yán)重時(shí)被試滾子飛出，導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。

圖3 試驗(yàn)機(jī)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)Fig.3 Lubricationmechanism of test rig

為解決上述問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)機(jī)油路及鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn)：1）在進(jìn)油路上添加冷卻風(fēng)機(jī)，滾子潤(rùn)滑處采用雙油管?chē)娪蜐?rùn)滑（圖3b），頂桿端部則采用鎢鋼材質(zhì)的鋼球。2）在下箱體壁兩側(cè)頂針桿上加雙側(cè)鎖緊螺母，進(jìn)一步鎖緊頂針桿，如圖4所示。利用改進(jìn)后的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定，與滾子接觸的鋼球表面完好，無(wú)竄動(dòng)現(xiàn)象再出現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性得到了保證。

圖4 頂針雙側(cè)鎖緊機(jī)構(gòu)Fig.4 Double lockingmechanism of thimble

2.3 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

由于滾子接觸疲勞壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)周期長(zhǎng)，依靠人工操作控制試驗(yàn)過(guò)程存在試驗(yàn)人員工作強(qiáng)度大的問(wèn)題，從而增加很多人為誤差，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)；而且試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，處理不及時(shí)將導(dǎo)致零部件的損壞。因此，充分利用現(xiàn)代傳感器、信號(hào)分析診斷等處理技術(shù)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行完善，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)的自動(dòng)化程度。

原試驗(yàn)機(jī)所加載荷通過(guò)計(jì)算彈簧壓縮量得出，此方法存在較大誤差，且不能時(shí)刻監(jiān)測(cè)載荷變化情況。為滿足不同載荷工況下的試驗(yàn)條件，增設(shè)壓力數(shù)據(jù)采集模塊，可直觀顯示試驗(yàn)所加載荷，試驗(yàn)過(guò)程中載荷變化也能得到及時(shí)修正。其具體的采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure block diagram of acquisition system

針對(duì)原試驗(yàn)機(jī)在滾子失效時(shí)不能及時(shí)自動(dòng)停機(jī)的狀況，對(duì)LabVIEW 程序中控制電動(dòng)機(jī)啟停的子程序進(jìn)行修改，由NI9401采集模塊的數(shù)字輸出控制信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)啟停，以按鈕的邏輯狀態(tài)作為激發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的依據(jù)，程序執(zhí)行循環(huán)時(shí)詢問(wèn)當(dāng)前按鈕邏輯狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如振動(dòng)峰值、峭度系數(shù)以及溫度一旦超過(guò)設(shè)定閾值，將按鈕的邏輯狀態(tài)置反，以此來(lái)改變繼電器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟停，子程序如圖6所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)啟停子程序框圖Fig.6 Subprogram block diagram for start and stop ofmotor

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)后機(jī)械部分的穩(wěn)定性及測(cè)控軟件分析系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)失效診斷的準(zhǔn)確性，對(duì)圓柱滾子進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析改進(jìn)后試驗(yàn)機(jī)的性能。

3.1 試驗(yàn)方法

采用改進(jìn)后的四線純滾動(dòng)圓柱滾子疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行圓柱滾子的加速壽命試驗(yàn)，自動(dòng)控制及診斷程序根據(jù)溫度和振動(dòng)信號(hào)識(shí)別試驗(yàn)機(jī)是否有部件失效，一旦發(fā)生失效，則程序做出判斷并停機(jī)報(bào)警。

如圖1所示，在生物毒性測(cè)試的基礎(chǔ)上Persoone等人[36]提出并完善毒性單位分級(jí)評(píng)價(jià)法，其原理是將測(cè)試結(jié)果最大半數(shù)抑制濃度EC50或最大半數(shù)死亡濃度LC50轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的毒性單位（TU）值來(lái)評(píng)價(jià)水質(zhì).該方法綜合利用多種生物毒性測(cè)試結(jié)果，計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果簡(jiǎn)潔易懂.

3.2 試驗(yàn)條件

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：（965±10）r／min。

潤(rùn)滑方式：40＃機(jī)油，油泵持續(xù)供油潤(rùn)滑，供油量為500 mL／min，潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力為0.8 MPa，油箱體積為20 L。

接觸應(yīng)力：3.5 GPa（加速壽命試驗(yàn)）。

陪試滾子：GCr15，2級(jí)精度，φ16 mm×16 mm。

試驗(yàn)滾子：GCr15，2級(jí)精度，φ10 mm×10 mm，凸度量分別為0，3μm。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)變化規(guī)律

改進(jìn)前、后所測(cè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如圖7所示，從圖中可以看出：改進(jìn)前轉(zhuǎn)速為935～955 r／min，波動(dòng)較大且不穩(wěn)定，說(shuō)明接觸副之間存在滾滑現(xiàn)象；改進(jìn)后轉(zhuǎn)速為（965±10）r／min，與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速基本吻合，證明滾滑現(xiàn)象明顯降低，可以實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)試驗(yàn)。

圖7 改進(jìn)前后轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.7 Comparison of rotational speed before and after improvement

同樣規(guī)格試驗(yàn)滾子在相同工況下的潤(rùn)滑油溫升如圖8所示，從圖中可以看出：改進(jìn)前，從起始溫度到穩(wěn)定試驗(yàn)溫度的滾子跑合階段，溫升坡度較陡，而改進(jìn)后的溫升坡度較平緩；對(duì)于穩(wěn)定階段的油溫而言，改進(jìn)后的油溫在55℃左右，比改進(jìn)前降低了10℃左右，可見(jiàn)改進(jìn)后冷卻效果有明顯改善。

圖8 溫升對(duì)比Fig.8 Comparison of temperature rise

3.3.3 振動(dòng)信號(hào)變化規(guī)律

有效分析滾子疲勞失效前后振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)圓柱滾子的失效機(jī)理有著重要作用，試驗(yàn)機(jī)分析系統(tǒng)對(duì)峰值和峭度系數(shù)這2個(gè)常用的時(shí)域參數(shù)進(jìn)行分析。從圖9可以看出，試驗(yàn)滾子失效時(shí)，振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形的峰值相比正常運(yùn)行時(shí)的幅值明顯增大，可由此診斷其可能存在疲勞失效。從圖10可以看出，試驗(yàn)滾子在啟動(dòng)時(shí)都有一段振動(dòng)幅值較大的階段，即跑合期；對(duì)比穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的2種曲線發(fā)現(xiàn)，凸度量為0時(shí)，滾子的振動(dòng)峰值在2g左右（g為重力加速度）；凸度量為3μm時(shí)，滾子的峰值則維持在1g左右，證明在同種工況下，具有凸度量的對(duì)數(shù)滾子不僅振動(dòng)峰值較小，而且滾子的疲勞壽命更長(zhǎng)。

圖9 試驗(yàn)滾子疲勞失效前后的振動(dòng)時(shí)域圖Fig.9 Time domain of vibration before and after fatigue failure of tested roller

圖10 不同凸度試驗(yàn)滾子的振動(dòng)峰值Fig.10 Vibration peak of tested rollerswith different convexities

3.3.4 滾子失效程度變化

試驗(yàn)機(jī)報(bào)警停機(jī)后，取下試驗(yàn)滾子觀察其失效程度，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出：滾子失效時(shí)，改進(jìn)前試驗(yàn)機(jī)未能及時(shí)停機(jī)，導(dǎo)致試驗(yàn)滾子大面積疲勞剝落；控制程序優(yōu)化后，滾子一旦出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，系統(tǒng)迅速判定失效并予以停機(jī)，表明改進(jìn)后系統(tǒng)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)控制功能。

圖11 滾子疲勞失效區(qū)域Fig.11 Fatigue failure areas of rollers

3.3.5 失效部位分析

3.5 GPa應(yīng)力作用下，不同凸度量試驗(yàn)滾子疲勞失效后的失效位置如圖12所示。從圖中可以看出：直素線滾子出現(xiàn)失效的位置是滾子端部，原因是試驗(yàn)滾子端部與陪試滾子接觸應(yīng)力產(chǎn)生突變，即邊緣效應(yīng)，從而導(dǎo)致端部與端部接觸區(qū)最易發(fā)生疲勞失效；而工程對(duì)數(shù)素線滾子出現(xiàn)的疲勞失效部位卻在滾子中部附近，由此可以看出對(duì)數(shù)素?cái)?shù)滾子的邊緣效應(yīng)明顯降低。

圖12 試驗(yàn)滾子失效部位Fig.12 Failure parts of tester roller

試驗(yàn)滾子與陪試滾子疲勞失效前后滾子表面的顯微對(duì)比如圖13所示（放大50倍）。從顯微圖中可以看出：試驗(yàn)滾子出現(xiàn)疲勞失效后，其工作表面會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，這就是導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)加劇的原因，由振動(dòng)傳感器識(shí)別信號(hào)并傳遞到測(cè)控系統(tǒng)再由診斷程序判別失效，予以停機(jī)；陪試滾子在試驗(yàn)滾子失效時(shí)并未出現(xiàn)較大點(diǎn)蝕坑，但與試驗(yàn)滾子接觸區(qū)域有明顯滾動(dòng)摩擦的痕跡，原因可能是試驗(yàn)滾子疲勞剝落的部分滾動(dòng)擦傷所致。

圖13 滾子表面疲勞失效前后的顯微圖Fig.13 Micrographs of roller surface before and after fatigue failure

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)軸承滾子四線接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)存在的不足進(jìn)行改造，通過(guò)改變其傳動(dòng)方式為三軸同步驅(qū)動(dòng)，并改善其潤(rùn)滑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)時(shí)滾子純滾動(dòng)，解決了潤(rùn)滑冷卻不佳等問(wèn)題。利用改造后的試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓柱滾子進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，改進(jìn)后的試驗(yàn)機(jī)可準(zhǔn)確判別滾子失效部位，并分析其失效機(jī)理。試驗(yàn)測(cè)試表明試驗(yàn)機(jī)性能穩(wěn)定，可以應(yīng)用于工程實(shí)際中。

在解決以上實(shí)際問(wèn)題之后，今后可以進(jìn)一步對(duì)加載方式和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行完善，如實(shí)現(xiàn)四軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步保證試驗(yàn)的純滾動(dòng)；此試驗(yàn)機(jī)可用于工程對(duì)數(shù)素?cái)?shù)滾子的疲勞壽命試驗(yàn)，通過(guò)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析凸度量對(duì)滾子疲勞壽命的影響，并對(duì)工程對(duì)數(shù)素線滾子生產(chǎn)的加工工藝做出相應(yīng)評(píng)價(jià)。