復合材料滾動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)域中獲得愈來愈廣泛的應用。但復合材料的疲勞性能與金屬材料有明顯不同^［1］。復合材料對加載頻率和試驗溫度很敏感，而且疲勞壽命實測數(shù)據(jù)更離散，所以把金屬疲勞的試驗方法用于復合材料顯然是不適合的。本文對復合材料滾動軸承進行了疲勞試驗研究，提供了一種簡單方便的測試方法，以保證復合材料滾動軸承的安全可靠性，促進復合材料滾動軸承在工業(yè)上的應用和發(fā)展。

     2試驗研究

     2.1試件和試驗設備

     試驗采用25套204型復合材料滾動軸承，試驗復合材料滾動軸承由短玻纖增強的尼龍66制成，制作工藝采用可熔性合金型蕊注射成型^［2］。

     試驗設備選用JB-30型滾動軸承疲勞試驗機。

     2.2試驗方法

      軸承疲勞壽命是非常離散的，要用數(shù)理統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)。本試驗采用簡單方便的截尾試驗法。

      設試驗軸承為n套，其中有r套軸承已破壞，其壽命分別為L₁，L₂，…，Lr。其余的(n-r)套軸承已分別試驗了Lr+1,Lr+2,…Ln時間，尚未破壞。此時可以不再進行試驗，用已得到的試驗數(shù)據(jù)計算原壽命分布的參數(shù)估計值。截尾試驗法有定時和定數(shù)兩種，本試驗采用定數(shù)截尾法。設事先給定應得到疲勞破壞的軸承套數(shù)r，又稱為截尾數(shù)，試驗到所給定的截尾數(shù)后停試，且應使未疲勞破壞軸承的壽命大于疲勞破壞軸承中壽命最長的值。

      在204型復合材料滾動軸承上施加徑向載荷588N，油潤滑，給定截尾數(shù)為15。試驗機轉(zhuǎn)速為12800r/min，所有試件的試驗頻率和溫度環(huán)境相同。另外，為了便于比較，同時對25套尼龍66制成的204塑料軸承進行試驗，施加徑向載荷為392N，20^＃油潤滑，給定截尾數(shù)和試驗機轉(zhuǎn)速與復合材料軸承相同。

      2.3處理試驗數(shù)據(jù)

      對疲勞壽命的研究發(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。大量的試驗結(jié)果表明，滾動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)。本文采用最佳線性不變估計法估算參數(shù)e和β^［3］，對復合材料軸承,e=5.756，β=4.467×10⁶；對塑料軸承，e=3.02,β=7.104×10⁶。

      2.4疲勞破壞的監(jiān)測

      本試驗使用表面溫度計，采用溫升監(jiān)測法及聲響判斷法來判斷滾動軸承的疲勞破壞。

      軸承運轉(zhuǎn)后，各相對運動表面之間產(chǎn)生摩擦熱，軸承的溫度從原始溫度逐漸上升。軸承運轉(zhuǎn)一定時間后產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達到平衡，溫度保持不變。軸承發(fā)生疲勞破壞時，摩擦加劇，產(chǎn)生的熱也增加，溫度再逐步上升。軸承運轉(zhuǎn)過程的溫度變化如圖1所示。T₁為室溫，18℃左右；T₂為軸承正常運行時的溫度，38℃左右；t₁為初始運行時間，約50min；t₂為正常運行時間，約150min。

圖1軸承運轉(zhuǎn)過程與溫度變化圖

為了保證疲勞破壞的判斷準確無誤，同時采用聲響判斷法。在試驗時，用傳聲工具接觸安裝軸承的零件，聽軸承轉(zhuǎn)動時的聲音變化，根據(jù)軸承疲勞破壞前后聲音的變化來判斷軸承是否破壞。

    3試驗結(jié)果與分析

    3.1疲勞壽命

      過程(1)取兩次自然對數(shù)，在雙對數(shù)坐標上，(1)式變?yōu)橹本€方程。根據(jù)試驗結(jié)果，作出204型復合材料和工程塑料滾動軸承的疲勞破壞概率圖，如圖2所示。

      根據(jù)國際標準對軸承疲勞壽命的規(guī)定^［5］，一批軸承中90%的軸承在疲勞剝落前能夠達到和超過的運轉(zhuǎn)總轉(zhuǎn)數(shù)(以10⁶轉(zhuǎn)計)。

      由圖2可知，對10%的破壞概率，204型復合材料滾動軸承在施加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，復合材料滾動軸承的負荷能力相對于塑料軸承提高了50%，而疲勞壽命仍有較大的提高。

圖2204型復合材料滾動軸承的疲勞破壞概率圖

3.2疲勞斷口特征

      根據(jù)復合材料滾動軸承的疲勞破壞試驗，對疲勞斷口進行了微觀觀察，提出復合材料滾動軸承的四種失效形式。

      3.2.1表面疲勞

      表面疲勞包括滾動接觸疲勞、點蝕、片狀脫落和片狀剝落。

      滾動軸承的滾動接觸疲勞失效是由反復多次超過材料表面或次表面忍耐強度的應力造成的。這些重復應力導致復合材料外圈滾道表面或次表面附近產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的擴展延伸導致滾道材料碎屑剝落下來，留下點蝕。點蝕現(xiàn)象由表面接觸應力和循環(huán)次數(shù)決定。隨著應力或循環(huán)次數(shù)的增加，一種類似點蝕的現(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。

圖3片狀剝落10×

    Fig.3Thesheetbreaking-off

3.2.2塑性流動

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

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，這種失效形式的特點是在潤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，由它們之間的相對運動引起。

       對一套軸承而言，其失效形式可超過一種，即可能同時發(fā)生兩種或兩種以上的失效。

    4結(jié)論

       （1）本文選用25套復合材料滾動軸承進行疲勞試驗，采用定數(shù)截尾試驗法，用最佳線性不變估計法進行數(shù)據(jù)處理來估算軸承壽命的韋布爾分布兩參數(shù)，方法簡單易行。