[摘要]　通過(guò)對(duì)復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的疲勞試驗(yàn)，研究了短纖維注射成型工藝研制的玻纖/尼龍66滾動(dòng)軸承的疲勞壽命和失效形式，為復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。
關(guān)鍵詞　復(fù)合材料　滾動(dòng)軸承　疲勞試驗(yàn)　失效分析

Test Research on the Fatigue of the Composite
Material for Rolling Bearings

Zhang Li　Yang yong　Zhang Heng　
（Loyang Institute of Technology）

［Abstract］　This paper deals with a fatigue test of the composite material for rolling bearings,and analyses the fatigue life and fatigue failure of glass-fiber/nylon 66 composite rolling bearings formed by injection.The valuable testing method is obtained for the design and application of composite rolling bearings.
Keywords　composite　rolling bearings　fatigue test　fatigue failure

1　前言
2　試驗(yàn)研究
2.1　試件和試驗(yàn)設(shè)備
　　試驗(yàn)采用25套204型復(fù)合材料滾動(dòng)軸承，試驗(yàn)復(fù)合材料滾動(dòng)軸承由短玻纖增強(qiáng)的尼龍66制成，制作工藝采用可熔性合金型蕊注射成型^［2］。
　　試驗(yàn)設(shè)備選用JB-30型滾動(dòng)軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)。
2.2　試驗(yàn)方法
　　軸承疲勞壽命是非常離散的，要用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法處理數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單方便的截尾試驗(yàn)法。
　　設(shè)試驗(yàn)軸承為n套，其中有r套軸承已破壞，其壽命分別為L(zhǎng)₁，L₂，…，Lr。其余的（n-r）套軸承已分別試驗(yàn)了Lr+1,Lr+2,…Ln時(shí)間，尚未破壞。此時(shí)可以不再進(jìn)行試驗(yàn)，用已得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算原壽命分布的參數(shù)估計(jì)值。截尾試驗(yàn)法有定時(shí)和定數(shù)兩種，本試驗(yàn)采用定數(shù)截尾法。設(shè)事先給定應(yīng)得到疲勞破壞的軸承套數(shù)r，又稱為截尾數(shù)，試驗(yàn)到所給定的截尾數(shù)后停試，且應(yīng)使未疲勞破壞軸承的壽命大于疲勞破壞軸承中壽命zui長(zhǎng)的值。
　　在204型復(fù)合材料滾動(dòng)軸承上施加徑向載荷588N，油潤(rùn)滑，給定截尾數(shù)為15。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為12800r/min，所有試件的試驗(yàn)頻率和溫度環(huán)境相同。另外，為了便于比較，同時(shí)對(duì)25套尼龍66制成的204塑料軸承進(jìn)行試驗(yàn)，施加徑向載荷為392N，20^＃油潤(rùn)滑，給定截尾數(shù)和試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速與復(fù)合材料軸承相同。
2.3　處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)
　　對(duì)疲勞壽命的研究發(fā)現(xiàn)，韋布爾（Weibull）分布比正態(tài)分布更接近于疲勞破壞規(guī)律。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，滾動(dòng)軸承的壽命符合兩參數(shù)韋布爾分布。軸承壽命L₀的破壞概率用韋布爾函數(shù)表示為^［4］：
　　　　F（L₀）=1-exp［-（L₀/β）^e］
其中L₀=10⁶轉(zhuǎn)，e是斜率參數(shù)，β為特征壽命參數(shù)。本文采用*線性不變估計(jì)法估算參數(shù)e和β^［3］，對(duì)復(fù)合材料軸承,e=5.756，β=4.467×10⁶；對(duì)塑料軸承，e=3.02,β=7.104×10⁶。
2.4　疲勞破壞的監(jiān)測(cè)
　　本試驗(yàn)使用表面溫度計(jì)，采用溫升監(jiān)測(cè)法及聲響判斷法來(lái)判斷滾動(dòng)軸承的疲勞破壞。
　　軸承運(yùn)轉(zhuǎn)后，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間產(chǎn)生摩擦熱，軸承的溫度從原始溫度逐漸上升。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達(dá)到平衡，溫度保持不變。軸承發(fā)生疲勞破壞時(shí)，摩擦加劇，產(chǎn)生的熱也增加，溫度再逐步上升。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的溫度變化如圖1所示。T₁為室溫，18℃左右；T₂為軸承正常運(yùn)行時(shí)的溫度，38℃左右；t₁為初始運(yùn)行時(shí)間，約50min；t₂為正常運(yùn)行時(shí)間，約150min。　　復(fù)合材料滾動(dòng)軸承具有良好的耐磨損性、耐腐蝕性、耐熱性及尺寸穩(wěn)定性，并能減振降噪且成本低，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域中獲得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。但復(fù)合材料的疲勞性能與金屬材料有明顯不同^［1］。復(fù)合材料對(duì)加載頻率和試驗(yàn)溫度很敏感，而且疲勞壽命實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更離散，所以把金屬疲勞的試驗(yàn)方法用于復(fù)合材料顯然是不適合的。本文對(duì)復(fù)合材料滾動(dòng)軸承進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，提供了一種簡(jiǎn)單方便的測(cè)試方法，以保證復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的安全可靠性，促進(jìn)復(fù)合材料滾動(dòng)軸承在工業(yè)上的應(yīng)用和發(fā)展。
 

Fig.1　The effects of the time and the temperature on the bearing

圖1　軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程與溫度變化圖
 

　　為了保證疲勞破壞的判斷準(zhǔn)確無(wú)誤，同時(shí)采用聲響判斷法。在試驗(yàn)時(shí)，用傳聲工具接觸安裝軸承的零件，聽(tīng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的聲音變化，根據(jù)軸承疲勞破壞前后聲音的變化來(lái)判斷軸承是否破壞。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1　疲勞壽命
　　對(duì)方程（1）取兩次自然對(duì)數(shù)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，（1）式變?yōu)橹本€方程。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作出204型復(fù)合材料和工程塑料滾動(dòng)軸承的疲勞破壞概率圖，如圖2所示。
　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承疲勞壽命的規(guī)定^［5］，一批軸承中90%的軸承在疲勞剝落前能夠達(dá)到和超過(guò)的運(yùn)轉(zhuǎn)總轉(zhuǎn)數(shù)（以10⁶轉(zhuǎn)計(jì)）。
　　由圖2可知，對(duì)10%的破壞概率，204型復(fù)合材料滾動(dòng)軸承在施加588N的載荷下的額定疲勞壽命為3.1×10⁶轉(zhuǎn)。而204型工程塑料滾動(dòng)軸承在施加392N的載荷下的額定疲勞壽命為2.2×10⁶轉(zhuǎn)^［6］。顯然，復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的負(fù)荷能力相對(duì)于塑料軸承提高了50%，而疲勞壽命仍有較大的提高。

Fig.2　The probability of fatigue failure of model
204 composite material rolling bearings

圖2　204型復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的疲勞破壞概率圖
 

3.2　疲勞斷口特征
　　根據(jù)復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的疲勞破壞試驗(yàn)，對(duì)疲勞斷口進(jìn)行了微觀觀察，提出復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的四種失效形式。
3.2.1　表面疲勞
　　表面疲勞包括滾動(dòng)接觸疲勞、點(diǎn)蝕、片狀脫落和片狀剝落。
　　滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)接觸疲勞失效是由反復(fù)多次超過(guò)材料表面或次表面忍耐強(qiáng)度的應(yīng)力造成的。這些重復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合材料外圈滾道表面或次表面附近產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的擴(kuò)展延伸導(dǎo)致滾道材料碎屑剝落下來(lái)，留下點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕現(xiàn)象由表面接觸應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)決定。隨著應(yīng)力或循環(huán)次數(shù)的增加，一種類似點(diǎn)蝕的現(xiàn)象剝落發(fā)生了，如圖3所示，剝落破壞具有不規(guī)則的象彈坑那樣較大凹坑的特點(diǎn)。

Fig.3　The sheet breaking-off

圖3　片狀剝落　10×

3.2.2　塑性流動(dòng)
　　塑性流動(dòng)發(fā)生于鋼球和滾道的接觸應(yīng)力超過(guò)其表面和次表面忍耐強(qiáng)度并導(dǎo)致軸承幾何變形之時(shí)，表面變形是塑性流動(dòng)的一種形式。其它的塑性流動(dòng)有空腔和涂抹等。在重載和高速條件下，軸承的溫度將會(huì)變得很高，使內(nèi)外圈發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，引起滾道和軸肩的塑性融化，如圖4所示。

Fig.4　Plastic melting of roll way nest and shaft shoulders

圖4　滾道和軸肩的塑性融化　×10

3.2.3　磨損
　　磨損是大量的軸承材料從接觸表面均勻或不大均勻地磨下來(lái)，這種失效形式的特點(diǎn)是在潤(rùn)滑液中和接觸表面上存在著磨損的廢渣，它能引起鋼球和滾道的間隙增大。
3.2.4　相關(guān)失效
　　磨損也可能發(fā)生于軸承外圈和軸承夾具之間，由它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起。
　　對(duì)一套軸承而言，其失效形式可超過(guò)一種，即可能同時(shí)發(fā)生兩種或兩種以上的失效。

4　結(jié)論
　　（1）本文選用25套復(fù)合材料滾動(dòng)軸承進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用定數(shù)截尾試驗(yàn)法，用*線性不變估計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)估算軸承壽命的韋布爾分布兩參數(shù)，方法簡(jiǎn)單易行。
　　（2）玻纖增強(qiáng)尼龍66的204型復(fù)合材料滾動(dòng)軸承在載荷588N，轉(zhuǎn)速12800r/min，油潤(rùn)滑的條件下，其額定疲勞壽命為3.1×10⁶轉(zhuǎn)，證明了復(fù)合材料制造滾動(dòng)軸承的可行性。
　　（3）對(duì)疲勞破壞的復(fù)合材料滾動(dòng)軸承進(jìn)行了觀察，提出了表面疲勞、塑性流動(dòng)、磨損和相關(guān)失效四種失效形式。為復(fù)合材料滾動(dòng)軸承的性能、使用壽命和可靠性設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。