在含雜質汙染的潤滑（huá）條件下評估（gū）軸承性能的實驗和分析（xī）方（fāng）法

2009-09-23

　　來源（yuán）：鐵姆（mǔ）肯公司
　　摘要：潤滑劑（jì）中的雜質汙染是軸承和齒輪（lún）過早失效的（de）主要原因，並（bìng）由此導致設備停機修理（lǐ）、擔保索（suǒ）賠和生產損失費用的增加。為了幫助設計工程（chéng）師們（men）分析和開發出對這類汙染較為不敏感的設備，己經建立了各（gè）種不同（tóng）的實驗和預測的方法。
　　本文提（tí）供了潤滑劑中雜質汙染的一個（gè）概述。本文還提供了（le）關於不（bú）同圓錐滾子（zǐ）軸承在雜質汙染的操作條件下壽命試驗結果和（hé）預測分析方法比（bǐ）較的Z新數據。作為基準（zhǔn），對（duì）在這些領域先前所（suǒ）做的研究作了概要的總結並已被引用。近（jìn）來的研究改（gǎi）進了（le）那種分析方法（使（shǐ）用一種表麵特征方法），使得這種方法與雜質條件（jiàn）下軸承試驗壽命相關聯，並指出要如何對軸承本身進行設計和製造改良。這在設計中已（yǐ）產生了效果，使雜質汙染環境（jìng）下的軸承壽命得到了改善（shàn）。
　　前言：關（guān）於雜質汙（wū）染對軸承性能的主要有害影響，已經發表了眾多文獻［8，11］，而對於可使軸承性能Z佳化的製造工藝、材料及其冶（yě）煉方法，也已提出了許多理論。本文（wén）將不同軸（zhóu）承產品的某些實驗性能結（jié）果與用作預測和評估這一性能的分析方法做出切實的比（bǐ）較，並對當前（qián）關於雜質汙（wū）染對軸承壽命的影響量化方法進行了初步陳述。
　　這些方法中大多數都基（jī）於（yú）確（què）定潤滑劑中的雜質含（hán）量的技術，而非滾動（dòng）接觸表麵所承受的損害程度（dù）。其推理（lǐ）在於：當知道了潤（rùn）滑（huá）劑係統的（de）汙染含（hán）量時，就可了解到對係統部件的損害等（děng）級。根據現場試驗，已得出（chū）部分結果，將潤滑劑分析方法直接（jiē）與壽命預測相聯係。因此，一種采用直接的、表麵特征的新（xīn）的壽命預測模型也（yě）被提出（chū），並討論了它與壽命試驗（yàn）結果的關係。該模型是先前的方法［12，13］的延伸，它將應（yīng）力為基礎的分析（xī）方法與雜質壓痕表麵製圖方法聯係起來（lái），目的在於更加（jiā）精確地（dì）獲取（qǔ）在特定雜質環境中出現的（de）實際的雜質損害。
　　汙染特征
　　當前，設備設計工程師（shī）們有許多汙染潤滑（huá）劑分析工具，這可幫助（zhù）他們評估雜質（zhì）對機械磨（mó）損的有害（hài）影響。這些（xiē）工具采用多種方法（fǎ）， 包括鐵粉記錄儀（yí）方法［1］、重力過濾方法［2］、原子吸（xī）收光譜儀［3］、和SEM（EDAX）光譜分析法（fǎ），來監控性能（néng）的總體損失和分析磨損顆粒和汙染。這（zhè）些方法的目的（de）都在於了解材料的成分和潤滑劑汙染的特性。
　　另外，顆粒尺寸和計（jì）量（liàng）技術都可用於確定顆粒尺寸分布及其濃度等級。這（zhè）些技術（shù）應用手動的顯微鏡方法（fǎ）與可用於自動直接計量的（de）光散射法［5］，這裏提到的大（dà）多數分析手段都可用於監控，並了解（jiě）設備失效的（de）演（yǎn）變進程以及潤滑劑汙染的等級，以（yǐ）便進行預測和（hé）預防維護。
　　ISO  4406  額定值方法通常用於確定汙染等級。許多工程師采用這一額定值方法，並將它（tā）與（yǔ）性能預測直接聯係起來。雖然上述技術和方法（fǎ）幫助了解磨損（sǔn）機理和磨損（sǔn）速率，但他們（men）不能有效幫助評估雜質損害對成品齒輪和軸承表（biǎo）麵（miàn）的影響（xiǎng），這些影（yǐng）響涉及到材料的疲勞壽命（mìng）。
　　表麵特征方法
　　為（wéi）了評定被雜（zá）質汙染的潤滑（huá）環境對表麵的有害影響，已經開（kāi）發了一種（zhǒng）使用表麵損害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel  在資料［6］中（zhōng）描述了這一方法。它提供了一種確定汙染影響的（de）實際可行的方法，並命名為（wéi）“雜質特征分析”。
　　汙染潤滑劑的分析
　　以下（xià）實地研究就是這種分析方法優勢的一種實例，即這種表麵特征方法可以使用於評（píng）估設備係統。與設備製造（zào）廠合作，將其裝置配合樣品潤滑係統一起進行一段時間的現場試驗。
　　確定顆粒尺寸分（fèn）布和濃度等級用的標準方法，可在實際的用戶應用領域中，用於監（jiān）控其（qí）汙染等級。在長期使用後，軸承從這些現場裝置中拆（chāi）卸下來。采用外觀（guān）檢查和表麵特征方法，其軸承表麵被雜質（zhì）損害的（de）情況隨即能被檢驗出來，其損害等級也可量（liàng）化（huà）。表 1顯示（shì）了在使用中產生的典型的顆粒尺寸分（fèn）布以（yǐ）及濃度。圖1顯示了使用了相同（tóng）一段時間後的軸承受力表麵的（de）典型特（tè）征。


圖 1：帶凹（āo）痕的典（diǎn）型軸承受載（zǎi）荷（hé）表麵顯微組織圖

　　表 1 
　　單（dān）獨的外觀比較顯示：潤滑劑分析並未說（shuō）明預期的表麵損害的等級。通過將表1中的數據與觀測到的損壞情（qíng）況進行比較，潤滑劑樣品很顯然未預測到尺寸比300ｕm大得（dé）多的任（rèn）何（hé）顆粒。但是，某（mǒu）些壓痕直徑接近於6mm  的外觀（guān）比較（jiào）顯（xiǎn）示了大顆粒雜質的存在，這些顆粒的尺（chǐ）寸比潤滑劑樣品中300ｕm顆粒的尺（chǐ）寸大約大100倍。這一雜（zá）質印記分（fèn）析方法，即由文獻資料［6］提及的詳細（xì）方法，可應用於更加精確地描（miáo）述其表麵損害。該直接的表（biǎo）麵（miàn）分析方法指出（chū）：預測的壽（shòu）命（mìng）降低率為42％，而潤滑劑分析結果並未（wèi）顯示出任何重大（dà）的有害影響。另外，表麵分析結果與實際的現場性能更加相配。該實例說明了在將性能與汙染損害相（xiàng）關聯時，表麵特征分析很（hěn）必要。可以得出這樣的結（jié）論：至（zhì）少對於嚴重汙染的係統，單（dān）一的潤滑（huá）劑分析，就（jiù）軸承損害與Z終的現場使用關係而言，它不是一種可靠的（de）方（fāng）法。
　　產（chǎn）品性能比較
　　作為評定和預（yù）測軸承在雜質汙染的條件下性能的評估過程（chéng）的一部分，進行了許多（duō）軸承（chéng）壽命試驗。為了對這（zhè）些試驗進行比較，采用了標準化方法進（jìn）行雜質損害［7］。被試驗的軸承要經過預先壓痕處理，在試（shì）驗過程中不再添加雜質。在圖2中，顯示了五家主要的圓錐滾子（zǐ）軸承製造廠的產品性（xìng）能比較。該項試驗曾在文獻資料（liào）［11］中（zhōng）有（yǒu）過報導，並在被（bèi）認為是標準的產（chǎn）品上進行了試驗（yàn），對於給定的每一家製造廠，產品的製造都采（cǎi）用通用的常規製造工藝。該組（zǔ）內試（shì）驗結果的變化係數為 3，軸承（chéng）A具有相對Z高的性能。軸承B 和 E  采用了全淬透材料和工藝（yì）。軸承 A，C  和D是部（bù）分或全部由（yóu）表麵滲碳的部件所製成。

圖 2：取自不同製造廠的5 種（zhǒng）通用工藝軸承（chéng）的壽命試驗比較，軸承外徑為73 mm
  　　65% 置信帶
　　為了達到統計比較的目（mù）的，壽命試驗結果以65%置信帶方式表示。置信帶的寬度的計算是以樣品尺寸和試驗失效的散布情況為基礎的，而且（qiě）它是（shì）威波爾斜率的（de）函（hán）數。當這些帶寬在試驗組之間有重疊時（shí），在90%可信度時，從統計學上說，不可能提出性能上重要的差別。
　　常規軸承對比由不同的製造廠製作（zuò）的特殊的抗雜質軸承的雜質試驗
　　對於特殊的軸承產品（pǐn）（圖3、4和5）也進行了可比（bǐ）性的雜質損（sǔn）害試驗。該壽命試驗是將來自一家製造廠的（de）常規的產品（軸承A）與來自兩家或多家其它製造廠的特殊的抗雜質特（tè）產品進行了對比。在此，特殊的抗雜質的產品，其改良（liáng）後的（de）壽命達到（dào）常規加工的產品的10倍。進（jìn）行了3種單獨（dú）的試驗（圖3為（wéi）試（shì）驗1，圖4 為試驗2，圖 5 為試驗3）。在這些（xiē）單獨試驗之間，其（qí）試驗條件（jiàn）和軸承都是不同的。

圖 3：常規製造工藝軸（zhóu）承與另一（yī）家製造商的特殊的”抗雜質”軸承的壽命試驗比較，軸承（chéng）外徑為（wéi）83 mm。
　　　圖3表示雜質損害試驗的標準化結果，其試驗條件與圖2中試驗的條件完全相同。這些結果在先前的文獻資料［7］中曾（céng）作過報導。這表明：來自一家（jiā）製造廠（chǎng）的常規加工工藝（yì）的軸承A，其壽命試驗結果略高於來自另一家（jiā）製（zhì）造廠的特殊的抗雜（zá）質（zhì）加（jiā）工工藝的壽命試驗結果。
 
圖 4：取自（zì）其它製造廠的、常（cháng）規製造工藝軸承與特殊的”抗雜質”軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為68 mm。
　　圖4表示（shì）雜質（zhì）損害試驗的標準壽命試驗結果，除了試（shì）驗介質（zhì）改變外，其它試驗條件（jiàn）與圖2中試驗條件相似。這一試驗僅產（chǎn）生了輕微的雜質損害。雜質特征分析應用於常規的軸承A，且僅用於預測因雜質而產（chǎn）生的、Z低壽命降低。在這些條件下，來自一家製造廠的、釆（biǎn）用常（cháng）規加工工藝（yì）的軸承A，其性能（néng）結果（guǒ）相等於來自另（lìng）一家製造廠的、特殊的抗雜質加工（gōng）工藝軸承的性能。

圖 5：取自其它製造（zào）廠的、常規製造工藝軸承與特殊的“抗雜質” 軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為318 mm。
　　應用了一（yī）組不同的壽命試驗條件，還應用（yòng）了一種新（xīn）的雜質介質和新的方法。這些變化的產生（shēng），其部（bù）分原（yuán）因是由於（yú）采用了較大的試驗軸承（chéng），並導致中等（děng）至嚴重的雜質損害（hài）。雜質特征分（fèn）析應用於常規的軸承A，並（bìng）預測到壽命降低率為3倍。在這些條件下，軸承A的壽命試驗結果（guǒ）大大地超過了另外一家製造廠的、特殊的抗雜質工藝的試驗結果。從此試（shì）驗中得出的一個結論是：在由不同製造廠製成的軸承中所使用的製造工藝、材料和冶煉方法上的差別影響著在高雜質環境中運行（háng）的軸承疲勞壽命。
　　在雜質試驗中提升性能等級
　　依靠研究其獨特的、專供生產軸承A所使用的冶煉設計和加工參數（shù）的辦法，開發出了（le）改（gǎi）良（liáng）型的抗雜質方法。其目（mù）的在於提高軸承的強度、延展性和（hé）韌性（xìng）的機械性能，特別是在功能性（xìng）接（jiē）觸（座（zuò）圈）表麵的（de）機械性能。該方法涉及到對主要設計規（guī）範的改變，緊密控（kòng）製工藝控製極限（xiàn）值，特別是（shì）在熱（rè）處理期間。Z終根據統（tǒng）計數據顯示出了性能上的顯著（zhe）提高，正如圖6所示。專有的技術規範包括選擇各項參數，這涉及（jí）到材料化學、殘留粵氏體，微觀組織，近（jìn）表麵性能的後熱處理控製（zhì）。這（zhè）一新的抗雜質設計和加工方法的（de）試驗性能結果（guǒ）顯示（shì）於圖6中。所示的壽命試（shì）驗是在外徑為中等尺寸248 mm的軸承上進（jìn）行的，對（duì）於該軸承，大量的試驗經驗在先前已經積累了。
　　在這一特定的試驗方案中，兩組具有雜質壓痕的（de）常規軸承的壽命比不帶壓痕（hén）的軸承的預測壽命（mìng）小2 至3 倍。采用的是雜質印記分析方法，並預測（cè）這（zhè）些基本軸承的雜質壽命降低率在o.4~0.5 之間。預測的結果值表示在圖6中。


圖（tú） 6：一家製造廠的（de） ”抗雜質（zhì）”軸（zhóu）承與常規的、基本的加工工藝軸承的（de）壽命試驗（yàn）比較，軸承外（wài）徑為248 mm。
　　抗雜質的軸承所顯（xiǎn）示的（de）性能遠高於（yú）基本組別的軸承性能，對於不帶有雜質損害的預測的壽命而言，65%置信帶的上半部分與（yǔ）在沒有雜質環境下的軸承預測壽命線相交（jiāo）。因此，對於給定的試驗嚴格性，新的抗雜質的軸（zhóu）承降低了雜質的影響，並將（jiāng）軸（zhóu）承的總體（tǐ）平（píng）均壽命比由常規加工工藝製作（zuò）的兩組基本軸承的壽命（mìng）提（tí）高了2.3 倍。該抗雜質的軸（zhóu）承目前在雜質環境中的壽命提高了2 倍。
　　壽命預測模型
　　雜質（zhì）壽命（mìng）預測手段的理論基礎由Ai在［12］中陳述，在此文獻中確（què）定了雜質壓痕對（duì）軸承滾道接觸應力和疲勞壽命的影響。采用以軸承A為代表的、性能特征的軸承，以可控的雜質壓痕軸承試驗的方法，對該模型（xíng）進（jìn）行了驗證。由於在實際使用中，雜質的顆粒（lì）尺寸範圍很大，為了確定含有真實顆粒尺寸分布的潤滑劑汙染的影響，巳經建立了（le）一個程序。采用了兩種方法（fǎ）。種方法模擬顆粒尺寸的雜質分布，它相當於ISO 4406 規（guī）範中的（de）顆粒尺寸（cùn）分布。
　　正如作者 N i x o n 在文獻［ 7 ］中所解釋的那樣， ISO13/10、ISO15/12、ISO17/14、ISO18/16和ISO21/18的52100鋼材雜質顆粒分布（bù）與潤（rùn）滑劑混合在（zài）一起（qǐ）後（hòu），就可供壓痕軸承（chéng）使用。舉例說（shuō），圖7表示：其顆（kē）粒分布用於ISO4406 21/18和15/12清（qīng）潔度等級。
　　這些分布是從分析以及（jí）雜質汙染了的、使（shǐ）用過的潤滑油的ISO4406特征中形成的。為了獲取壓痕的尺寸及其表麵密度（dù），可將其光學映像，因而，為每一種壓痕狀態（tài）得到了雜（zá）質特征分析外形（xíng）圖（tú）。包括（kuò）壓痕尺寸和表（biǎo）麵密度在內的數據文件資料妥善進行保存（cún），以（yǐ）供應用工程師們對這些環境中（zhōng）通常使用的軸承進行壽命（mìng）分（fèn）析。

圖（tú） 7 兩種特殊的ISO規範的顆粒尺寸的分布

第2種方法是從現場實際使用中獲取軸承（chéng），並通過（guò）光學映（yìng）像來描述這些軸承上壓痕的尺寸和表麵密圖度，以供今後壽命分析之用。通常，這些軸承尺寸較大，在（zài）比較嚴重汙染（rǎn）的條（tiáo）件下運行，這些軸承尚不能以ISO4406的規範（fàn）加（jiā）以十（shí）分透徹地描（miáo）述。這些具有壓痕表麵的照片，可（kě）供工程師（shī）們用於選擇軸承滾圈表麵損害（hài）（這種損害通常在他們的實際應用中就可（kě）找到（dào））的等級。在標準的壽命試驗機上進行的、典型的壽命試驗潤滑（huá）劑的分析表明：其（qí）基本的清潔度等級為ISO 15/12 。對於這一（yī）清浩度等級，其雜質壽命係數為1.0。更加清潔的潤滑（huá）劑會提供更（gèng）長的壽命，但帶有更多雜質的潤滑劑，則（zé）會降低其壽命。為了確定壽命降低係數（shù）（壽命降低（dī）率（lǜ）），可以以下方式使用壓痕雜質印（yìn）記分析（xī）數（shù）據文件。對於（yú）各種（zhǒng）應（yīng）用狀態下的滾動元件的（de）接觸載荷首先要加以確定，以便再（zài）確定其接（jiē）觸應力和接觸麵積。然（rán）後，就可確定壓痕的尺寸和數量在該環境（jìng）中對軸承壽命的影響。  圖8 表示了關於一（yī）個孔徑為33mm的圓錐滾子軸承的雜質壽命係數（a3D）的一張圖（tú）表，可供不同的潤（rùn）滑劑清潔度等級使（shǐ）用，徑向載荷以 C%(90) 額定值表（biǎo）示。在重載條件下，雜質等級改變後的影響會被降低（dī），因為，當與輕載荷條件下對改（gǎi）進總體應力水平的較大的影響（xiǎng）相比，其對總體應力（lì）水平的基本影響會降低。圖2表明：由全淬透（tòu）鋼製成的軸承與由滲碳鋼製 成的軸承（chéng）相比，前者對雜質壓痕更（gèng）為敏感。圖6 表明：表麵滲碳的軸承甚至更抗雜質。圖9表明：對於中等汙染（rǎn）的環境，由這些材（cái）料製成的軸承與表麵滲碳（tàn）的軸承相比，在典型的雜質壽命係數方麵（miàn）存（cún）在（zài）著差異。由全淬透的鋼材製成（chéng）的軸承，其壽命比表麵滲碳軸承的壽命稍低一（yī）些。可以預期的是：抗雜質軸承的微觀組織對於在更加汙染的環境中軸承壽命的改進更為有效。

圖 8：雜質（zhì）壽命調節 VS 載荷和不同的 ISO 規範

圖 9：各種（zhǒng）軸承材（cái）料的相對的雜質壽命係數
相當數量的雜質壓（yā）痕軸承已在作者推薦（jiàn）的壽命試驗機上進行了壽命試驗。圖10［15］表示了由雜質壓痕引（yǐn）發的、以實驗（yàn）方法確定的壽命降低係數與本方法預測的壽命降低係數（shù）之間的關係。對於作（zuò）者推薦的軸承產品，本模型提供了實際（jì）的雜質壓痕和其後的疲勞損（sǔn）壞之間的切實可行的（de）聯係（xì）。
  
圖 10：實驗結（jié）果值與模（mó）型預測值的比（bǐ）較
　　結（jié）論
　　通過本次實驗性的（de）試驗和分析實踐，可以得出以下的結論和觀察結果：
　　（1）對於嚴重汙染的係統，單一的潤滑劑分析方法（fǎ）不可能是一種可將軸承損害與Z終的現場使（shǐ）用聯（lián）係起來的可靠的方法。
　　（2）用以評估雜質損害敏感度的軸承（chéng）疲勞壽命試驗可以作為一種有用的手段，以區分不同產品的性能等（děng）級（jí）。
　　（3）標準化（huà）的雜質壽命試驗表明：來（lái）自不同製造廠的、常（cháng）規的和抗雜質（zhì）的軸承（chéng）在等級上表現出很大的差別。在進行有關相對的產品體係中雜質耐受度對比時，以及在應用性能預測工具時，上述提及的差（chà）別（bié）都應加以考慮。
　　（4）包含在雜質印（yìn）記分析中的損害的直接（jiē）測定方法被期待在損傷差異的定（dìng）量分析上比包括潤滑汙（wū）染分析的其（qí）他方法提（tí）供（gòng）更高的精確。
　　（5）雜（zá）質印記分析為設備在汙染環境中成功和不成功的運行性能的比較提供了（le）一種手（shǒu）段。
　　（6）新的壽命預測模型在實（shí）際的雜（zá）質壓痕和其後的疲（pí）勞損壞之間提供了切（qiē）實可行的聯係。
　　致謝
　　全體作者向鐵姆肯公司允許發表本（běn）結果表（biǎo）示衷心感謝！
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