轴承疲劳寿命试验技术发展趋势李兴林,张仰平,张燕辽,曹茂来,李建平(杭州轴承试验研究中心,浙江　杭州　310022)摘要:结合国际国内轴承疲劳试验的现状,阐述了强化轴承疲劳寿命试验发展趋势。

随着全球经济一体化的发展,轴承寿命快速试验国际化势在必行。

关键词:滚动轴承;疲劳试验;中图分类号:TH133.3 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2005)02-0042-03 随着人们对轴承研究的不断深入,疲劳寿命及可靠性作为轴承最重要的性能,已引起各轴承生产单位及相关用户的广泛关注。

但由于影响疲劳寿命的因素太多再加上轴承疲劳寿命理论仍需完善,进行寿命试验无疑成为评定这项指标的唯一有效途径。

我国轴承寿命试验,相对于SK F、I NA/FAG、T imken、NSK、NT N、K OY O等国外公司起步较晚、规模较小。

目前正处于大量积累试验数据的阶段。

而对轴承寿命的各种影响因素及轴承失效机理等基础性理论研究尚嫌不足,与世界先进水平仍有较大差距。

随着我国加快建设轴承强国的步伐,用户提高对轴承寿命和性能的要求,轴承试验设备和试验方法将不断推陈出新,轴承寿命试验技术发展将呈现十分乐观的前景。

1　标准试验技术现代化1.1　标准试验技术自动化40多年来,我国轴承行业一直沿用前苏联50年代的规范用ZS型试验机进行寿命试验,其主要缺点是:试验载荷的加载系统稳定性差,测试手段落后,没有自动监控装置,试验过程中各数据的测试均靠人工完成,通常是“四班三运转”,这样既影响试验结果的准确性,同时又增加工作人员的劳动强度,时间和人力消耗大,远远不适应大量试验工作的需要。

新开发的轴承寿命试验机均不同程度地采用自动化技术来解决这一问题。

1.2　标准试验技术智能化智能化是自动化的进一步发展,可以根据标准,设定转速谱、载荷谱等以满足试验要求,同时试验结果可以用人工智能和专家系统等知识库技术来进行智能化处理,以达到多快好省的要求。

1.3　标准试验技术个性化基于标准试验的个性化试验是指轴承寿命试验时与标准轴承寿命试验有所“偏离”,以达到某种特定试验条件的特殊试验需要。

如在润滑油中加入金属粉末或污染物研究其对轴承寿命的影响。

2　模拟试验技术模块化20世纪40年代美国就对产品的设计开始采用单因素环境模拟的研制试验与鉴定试验,以检验设计的质量与可靠性。

至70年代发展到采用综合环境模拟可靠性试验(CERT)和任务剖面试验。

为检验工艺则采用不带设计裕度的验收模拟试验。

随着环境模拟试验技术的发展与成熟,各国政府部门及军兵种相继颁布了一系列的国标、军标,以严格的法规形式来保证产品的质量和可靠性,其中最有代表性的如美国的环境模拟试验军标MI L-ST D-810,可靠性试验军标MI L-ST D-781和空间飞行器试验军标MI L-ST D-1540及其修订版,具体产品型号则根据这些标准与型号的特点制定详细的试验大纲。

长期以来环境模拟试验成为保障产品可靠性的主要手段。

模拟试验技术的特点是:模拟真实环境,加上设计裕度,确保试验过关。

因此,环境模拟的真实程度和设计裕度的大小便成为两个关键因素。

要提高可靠性就必须对环境进行更精确的模拟和加大设计裕度,但这样一来便使难度增大,周期拖长和成本增加。

这种方法的不足之处是对设计和工艺缺陷未ISS N1000-3762 C N41-1148/TH 轴承Bearing2005年第2期2005,N o.2 42-43　作专门处理,只分别通过鉴定试验与验收解决,因此潜在缺陷残留量仍不少,随时都可能在外场使用时出现故障,可靠性的增长靠自然反馈缓慢地实现,这时木已成舟,留给设计修改的时间与空间都极其有限,从而使市场竞争的优势大为降低。

在我国轴承行业,由于没有深刻全面理解模拟试验过程,模拟试验技术有被误导的倾向,片面夸大了模拟试验的作用。

由于环境模拟耦合作用的复杂性和高成本,模拟试验技术呈现积木式、模块化的发展趋势。

3　激发试验技术白日化激发试验(Stimulation T est)又称环境应力激发试验,与模拟试验(Simulation T est)的思路相反,它是用人为的施加环境应力的方法,加速激出并清除产品的潜在缺陷来达到提高可靠性的目的,因此试验时不仅不求获得通过,反而要求激出的潜在缺陷越多越好,这一思路虽早为人知,但发展却比模拟试验慢得多。

20世纪50年代的老化试验便是激发试验的最初形式,所加应力有高温、温度循环和温度冲击等,至70年代后发展成当今广义的环境应力筛选。

由于试验的目的是激发、清除缺陷,故所加应力不必模拟真实环境,只要激发的效率越高越好,这样一来试验就简单多了,根据经验至今公认为最基本最有效的应力是高温变率的温度循环和宽带随机振动。

这里应着重指出的是自从1979年美国海军颁布了海军生产筛选大纲NAVM AT P-9492后收到了惊人的效果,产品可靠性获得成倍的提高。

1982年美国环境科学学会又颁发了指导性文件《电子产品环境应力筛选指南》,使应力筛选进入了一个蓬勃发展的时期。

在此期间发表了大量的文献,其中有人也试图用“军标”的形式来加速这一技术的发展,但这种尝试是错误的也是极其有害的,极容易把问题搞混淆,重新把问题拉回到“模拟”的轨道,把“激发缺陷”又变成“试验通过”。

因为“获得通过”有时是由于筛选方案不当或应力量级太小所致,而产品的可靠性并未获得真正的提高,故应力筛选只能用“指南”的形式执行,不同的缺陷类型和不同的失效机理必须使用不同的筛选方案而无统一的标准可言。

要强调的另一点是当今的应力筛选方法都是在设计无缺陷的前提下,针对生产过程的缺陷的,实际上设计缺陷除用鉴定试验外并无其他专门的方法检测和清除,因此专门研究设计缺陷的排除以提高产品的可靠性仍有很大的潜力可挖。

我国轴承行业还很少听说轴承寿命激发试验,更少有做过轴承寿命激发试验的。

我们在与美国某大公司交流时,了解了他们用激发试验技术测试中国轴承寿命指标的情况。

随着中国加入WT O,对外开放的不断深入,轴承寿命激发试验技术将大白于中国轴承行业。

4　快速试验技术国际化最先从事这方面工作称得上先驱者的是H obbs G K,G ray K A和C ondra L W等人,他们称这种试验为高加速寿命试验(H A LT)和高加速应力筛选(H ASS)。

前者针对设计,后者针对生产,方法的核心是施加大应力,一步步地加,一次次地排除缺陷,故也叫步进应力法,以此获得高可靠性。

从20世纪80年代末至90年代初,相继在各工业部门推广使用,无一例外地取得了很大的成功,只是由于商业竞争与军事工业保密的原因至今仍有许多重大成果未解密发表,连名称尚未统一,如步进应力试验(Step Stress),高加速寿命试验(H A LT),应力寿命试验(STRIFE),应力裕度和强壮试验(S M ART)和可靠性强化试验(RET)等。

波音公司把RET当作这一试验技术的统称是较为合理的,因为它突出了强化试验的特点。

RET得到迅速发展的原因还在于90年代市场可靠性观念的更新和关键技术的突破。

C ondra L在其系列论文中说,美国生产厂家在80年代认识到质量的重要性,深知市场只接受质高价廉的产品,到90年代又认识到可靠性的重要性,深知市场对产品不仅要求高的开箱率,而且要求在设计寿命期内确保性能良好不变。

这是新一轮对可靠性的挑战,而RET正是满足这一挑战的最好方法。

C ondra指出按传统的可靠性定义去应付瞬息万变的动态市场显得太被动了,厂家只对用户的条件(规范)负责,不对产品的使用负责必然导致在市场中的失败。

于是90年代的一种进取性的市场可靠性定义便应时而生。

一种可靠的产品应随时都能完成用户需要其完成的任务。

这样一来,厂家便变被动为主动,了解用户对产品的要求,关注市场的发展,不断改进更新产品,以上乘的质量可靠性换(下转第38页)・34・李兴林等:轴承疲劳寿命试验技术发展趋势 外圈窄端面对应的挡肩直径D b取值原则是D b min不超过圆锥外圈大内径。

一般可按D b min=E +2[arctanα+r7]计算后加以圆整得出。

外圈宽端面安装用退刀槽宽度S a最小值按如下公式计算S a min=B b+a0-T min-l b1cosθ+[0.5(D c-d1′)-l b1tanθ]tanα式中　T———装配高 上式近似地计算出轴承保持架对于外圈的凸出量,然后给出适当的裕量得出S a的最小值。

外圈窄端面安装用退刀槽宽度S b的最小值按公式计算:S b min=T-C。

计算后圆整到小数点后一位得出。

式中其他符号的含义见图2、图3,计算值经过圆整即为标准规定值,其中d b max小于国外标准取值,D b min、S b min大于各国规定的最小值,这是由于我国轴承内部设计的差异引起的,比如α、β角选取不一致,小挡边宽度不一致等,本标准使用1993版《加强型圆锥滚子轴承优化设计统一图册》,与82版优化设计统一图册相比有些参数值有些改变,比如d3′、E、a0、r6′、r7等参数值的改变,使得d b max、D b min的计算值越来越接近国外标准。

对于非加强型圆锥滚子轴承,由于轴承结构落后,轴承承载能力低于加强型结构,在我国已属淘汰产品,标准未将其列入。

2.2.6　推力球轴承、推力调心滚子轴承安装尺寸对于推力轴承,标准给出了轴肩直径d a和挡肩直径D a两个安装尺寸,原则上轴肩直径d a必须大于推力轴承的中径,挡肩直径D a必须小于推力轴承的中径,标准给出的数值按下式计算并经修约而成:轴肩直径　d a min=12(d+D)+A外壳孔挡肩直径　D a max=12(d+D)-A式中A值按15×D-d2计算,当计算值在8 mm以下时取该值;当计算值大于8mm时,取比计算值小1～2mm的值。

2.2.7　带紧定套轴承安装尺寸对于紧定衬套内径不超过100mm的紧定套,可用相配的锁紧螺母对滚动轴承施加轴向压力套装;对于紧定衬套内径大于100mm的紧定套,应采用辅助液压安装措施,以此代替锁紧螺母压装轴承。

自紧定衬套内径大于200mm起,采用液压方法可便于滚动轴承的安装和拆卸,为将带紧定套轴承精确地固定的轴上,一般要使用隔圈,隔圈的内部尺寸应能保证轴承轴向精确定位,并易于紧定套的拆卸,本标准规定了隔圈的内部尺寸。

(编辑:聂龙宣)(上接第43页)取不断扩大的市场占有份额,获取丰厚的利润回报,因此可靠性便不再是一种成本负担,相反可靠性正是商家追求的一种资产、一种财富。

但是,传统的可靠性试验既极费钱又极费时,必须开发一种新的经济有效的替代法来适应这一需求,这便是RET法。

RET技术的理论依据是故障物理学(Physics of failure),把故障或失效当作研究的主要对象,通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。