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      產品應用常識

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      顆粒對軸承性能的影響

      提供 來源:      日期:2017年08月03日
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       隨著對可靠性要求的提高,軸承成為工程設計中一個非常重要的部件。越來越嚴格的要求可能會使以往正常使用的軸承無法滿足現在的要求。雖然現在的軸承鋼材質量提高了、軸承設計取得了進步,而且生產過程受到了更好的控制,但對軸承供應商來說,提供合格的產品來占領新興的高科技市場(例如真空泵,壓縮機和醫 療設備等市場)仍是一項挑戰。在實際業務領域中,某些特殊情況已經要求軸承交付前的內部顆粒物降至微米級。

        除了某些行業的要求之外,個人客戶、終端用戶和工業主機客戶有時也會提出特殊要求,使現代軸承生產的優勢不復存在。例如現場運行過程中,由于暴露在嚴重污染的介質中、不正確的拆裝和不細致的維護,軸承很容易喪失原有性能。

        本文重 點論述與顆粒雜質相關的軸承清潔度問題。對生產商來說,嚴格控制顆粒含量是生產過程中的一個瓶頸,而在大多數應用領域,保證軸承工作環境的清潔也是用戶面臨的一項難題。雖然出發點不同,但終端用戶和供應商都清楚顆粒對軸承壽命的巨大影響,也希望能夠解決這個問題。

      顆粒對軸承性能的影響
        如上文所述,在生產方式改進并且鋼材質量提高之后,用Lundberg-Palmgren壽命公式計算出來的軸承壽命仍然達不到SKF在20世紀70 年代后期用實驗性方法測得的非常長的軸承壽命,即使Lundberg-Palmgren計算公式結合一些經驗法、增加的額定動載荷以及“壽命調整系數” 也是如此。新的實驗結果與Lundberg-Palmgren 公式計算壽命存在差異的原因在于Lundberg和 Palmgren得出結論所依據的實驗條件。所有實驗都是在當時所能達到的最清潔的實驗室條件下進行的。因此,他們假定污物顆粒不會對軸承壽命造成影響。但是實驗中,所用過濾器的絕 對過濾精度都不高于10 μm,所以Lundbcrg-Palmgren壽命公式實際上沒有排除由污物顆粒和粗糙接觸造成的來自表面的損傷。因此,試驗環境越清潔(視當前狀況而定),測得的軸承運行時問越長。 Ioannides和Harris據此作出了修正。新的壽命模型考慮了更多影響因素,包括表面損傷和顆粒污染。

        SKF《軸承綜合型錄》4000發布以后,新的壽命模型引入了壽命修正系數askf(在ISO 281:2007)和ONORM M 6320中分別表示為 aISO和aON),用于考慮環境條件的影H向,例如潤滑膜k、雜質η。和材料的疲勞載荷限度Pu。簡單表達為公式(1)和公式(2):

        Lma=al X aSKF X (C/P)p (1)

        aSKF=f(ηc x Pu/P,K) (2)

        新的壽命理論更重視來自表而的損傷,而不是傳統的因材料夾雜而產生的來自表面下的疲勞,因為現在大多數滾動軸承故障都是由來自表面的損傷造成的。而且存在于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒污染物又是造成此類故障的主要原因。在考慮材料性質(即彈性模量、屈服強度、極限強度和泊松比)和摩擦系數的前提下,根據有限元模型的分析,積存于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒在重載荷接觸時主要在入口區產生形變,在經過赫茲接觸區時幾乎不發生變化,而是在配合面留下壓痕。明顯可以看出,脆性顆粒被挾帶到接觸面時會破碎成小塊,而韌性顆粒在挾帶過程中發生嚴重形變,隨后在接觸面受到擠壓,如圖1所示。Wan和Spikes 用各種固體碎屑行了非常有意義的研究,實驗結果表明,標稱硬度低于軸承鋼材的大懸浮顆粒能夠進入接觸區,并損壞鋼材表面。這一發現與 Sayles等人的研究結果完全一致,如圖2所示。 Sayles等人的研究表明,即使是非常軟的碎片也會使硬配合面產生塑性變形。

        Gabelli等人的研究表明,在產生壓痕后的滾動過程中,在模擬的彈性流體動力潤滑(EHL) 接觸面上的凹痕會嚴重影響接觸壓力和油膜的厚度。Gabelli等人在研究中觀察接觸壓力的分布后發現,凹痕會引起高壓力峰值,且當凹痕位于接觸區時出現最 大壓力峰值。圖3所示為滾動接觸面帶有0.55 μm厚的油膜時,凹陷表面的接觸壓力。最 大赫茲壓力p0為1255 MPa。在凹痕肩區附近可以清楚地觀察到更高的壓力峰值。

        SKF研究人員發現,模擬EHL接觸面上的凹痕造成的高壓會引起很大的內應力,并使最 大內應力位置從表面下轉移至表面。圖4所示為接觸面中心凹陷表面的von Mises應力分布??梢钥闯?,最 大應力向表面移動,而且與其他條件相同的平滑赫茲接觸面相比,最 大應力的大小增加了。

        接觸面凹陷區附近周期性出現高應力可能會最終導致軸承表面發生疲勞故障,因為應力集中會增 大凹痕附近局部位置發生故障的風險。在總體疲勞風險相同的情況下,凹陷表面比平滑表面能夠抵抗的應力循環少,因此會縮短軸承壽命。

        需要說明的是,上述內容是針對滾動接觸面疲勞壽命縮短的情況。顆粒還能引起其他故障。例如軸承內部的顆粒會導致磨損,也就是說軸承元件會不斷損耗,最 后引發故障。因此,無論從理論還是實際的角度,減少軸承內部顆粒都會延長軸承壽命,提高軸承性能。

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