[摘要]　通過對復(fù)合材料滾動軸承的疲勞試驗，研究了短纖維注射成型工藝研制的玻纖/尼龍66滾動軸承的疲勞壽命和失效形式，為復(fù)合材料滾動軸承的設(shè)計和應(yīng)用提供有價值的參考。
關(guān)鍵詞　復(fù)合材料　滾動軸承　疲勞試驗　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　試驗研究
2.1　試件和試驗設(shè)備
　　試驗采用25套204型復(fù)合材料滾動軸承，試驗復(fù)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(shè)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(shè)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(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長的值。
　　在204型復(fù)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(fù)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*線性不變估計法估算參數(shù)e和β^［3］，對復(fù)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。　　復(fù)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(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(fù)合材料顯然是不適合的。本文對復(fù)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(fù)合材料滾動軸承的安全可靠性，促進復(fù)合材料滾動軸承在工業(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　軸承運轉(zhuǎn)過程與溫度變化圖
 

　　為了保證疲勞破壞的判斷準(zhǔn)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
　　對方程（1）取兩次自然對數(shù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)上，（1）式變?yōu)橹本€方程。根據(jù)試驗結(jié)果，作出204型復(fù)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)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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。

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)合材料滾動軸承的疲勞破壞試驗，對疲勞斷口進行了微觀觀察，提出復(fù)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(fù)多次超過材料表面或次表面忍耐強度的應(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，這些裂紋的擴展延伸導(dǎo)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(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。

Fig.3　The sheet breaking-off

圖3　片狀剝落　10×

3.2.2　塑性流動
　　塑性流動發(fā)生于鋼球和滾道的接觸應(yīng)力超過其表面和次表面忍耐強度并導(dǎo)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。

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，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
　?。?）本文選用25套復(fù)合材料滾動軸承進行疲勞試驗，采用定數(shù)截尾試驗法，用*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。
　?。?）玻纖增強尼龍66的204型復(fù)合材料滾動軸承在載荷588N，轉(zhuǎn)速12800r/min，油潤滑的條件下，其額定疲勞壽命為3.1×10⁶轉(zhuǎn)，證明了復(fù)合材料制造滾動軸承的可行性。
　?。?）對疲勞破壞的復(fù)合材料滾動軸承進行了觀察，提出了表面疲勞、塑性流動、磨損和相關(guān)失效四種失效形式。為復(fù)合材料滾動軸承的性能、使用壽命和可靠性設(shè)計提供有價值的參考。