滚动轴承的疲劳可靠性
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滚动轴承疲劳试验方案引言:滚动轴承是机械装置中常见的传动元件之一,其工作条件较为苛刻,需要经受高速旋转和重负荷的考验。
为了确保滚动轴承的可靠性和寿命,疲劳试验是不可或缺的一环。
本文将详细介绍滚动轴承疲劳试验方案,包括试验目的、试验方法、试验步骤以及试验结果的评估。
一、试验目的滚动轴承疲劳试验的主要目的是模拟实际工作条件下的轴承使用过程,评估其在长时间高速旋转和重负荷下的疲劳寿命。
通过试验,可以验证轴承的设计和制造质量,为产品的改进和优化提供依据。
二、试验方法1. 试验设备准备:a. 试验机:选择适当的试验机,能够提供满足试验要求的转速范围和负荷条件。
b. 轴承样品:选择符合试验要求的轴承样品,确保样品的代表性和一致性。
c. 测量设备:包括转速计、负荷计、温度计等,用于对试验过程中的参数进行监测和记录。
2. 试验参数确定:a. 转速范围:根据实际工作条件确定试验中的转速范围,考虑到轴承在高速旋转下的疲劳寿命变化规律。
b. 负荷条件:根据轴承的额定负荷和实际工作负荷确定试验中的负荷条件,考虑到轴承在重负荷下的疲劳寿命变化规律。
3. 试验步骤:a. 安装轴承样品:将选取的轴承样品正确安装在试验机上,确保轴承位置和轴向负荷的准确度。
b. 设置试验参数:根据试验要求,设定转速和负荷条件,确保试验过程中参数的稳定性。
c. 运行试验:启动试验机,使轴承样品在设定的转速和负荷条件下运行,连续工作一定时间。
d. 监测记录:在试验过程中,及时监测和记录轴承样品的转速、负荷和温度等参数。
e. 试验终止:根据试验要求,确定试验的终止条件,如达到设定的寿命或出现严重故障等。
f. 试验结果评估:根据试验数据和评估标准,对试验结果进行分析和评估,得出轴承的疲劳寿命。
三、试验结果评估根据试验的目的和要求,对试验结果进行评估是十分重要的。
评估的主要内容包括:1. 疲劳寿命:根据试验数据和评估标准,确定轴承的疲劳寿命,评估其是否符合设计要求和使用要求。
轴承寿命以及计算00轴承在承受负荷旋转时,由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用,即使使用条件正常,也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现鱼鳞状损伤(称做剥离或剥落)。
出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“(疲劳)寿命”。
即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承,在同样条件下旋转时,轴承的(疲劳)寿命仍会出现较大的差异。
这是因为材料疲劳本身即具有离散性,应从统计的角度来考虑。
于是就将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时,其中90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做“轴承的基本额定寿命”(即可靠性为90%的寿命)。
在以固定的转速旋转时,也可用总旋转时间表示。
但在实际工作时,还会出现滚动疲劳损伤以外的损伤现象。
这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。
二、轴承寿命的计算1、基本额定动负荷基本额定动负荷表示轴承耐滚动疲劳的能力(即负荷能力),是指大小和方向一定的纯径向负荷(对于向心轴承)或中心轴向负荷(对于推力轴承),在内圈旋转外圈固定(或内圈固定外圈旋转)的条件下,该负荷下的基本额定寿命可达100万转。
向心轴承与推力轴承的基本额定动负荷分别称做径向基本额定动负荷与轴向基本额定动负荷,用Cr与Ca表示,其数值录入轴承尺寸表。
2、基本额定寿命式1表示轴承的基本额定动负荷,当量动负荷及基本额定寿命之间的关系。
轴承以固定的转速时,用时间表示寿命更为方便,如式2所示。
另外,对于铁路车辆或汽车等用行车距离(km)表示寿命较多,如式3所示。
因此,作为轴承的使用条件,设当量动负荷为P,转速为n,则满足设计寿命所需要的轴承基本额定动负荷c可由式4计算。
从轴承表选出满足c值的轴承,即可确定轴承的尺寸。
机械要求的轴承必需寿命请参考表4。
3、根据温度进行的基本额定动负荷的修正与轴承的尺寸稳定处理轴承在高温下使用时,材料组织会发生变化、硬度降低,基本额定动负荷将比常温下使用时减小。
材料组织一旦发生变化,即使温度恢复到常温也不会复原。
滚动轴承疲劳寿命威布尔分布三参数的研究滚动轴承是一种常用的机械设备,其在工作过程中承受着频繁的载荷和运动,因此疲劳寿命是滚动轴承设计和使用的一个重要指标。
研究滚动轴承疲劳寿命的威布尔分布三参数是对其可靠性的评估和预测,本文将对该问题进行研究。
首先,我们来分析什么是滚动轴承的疲劳寿命。
滚动轴承在工作中承受着不断变化的载荷和运动,其中绝大部分的寿命消耗是由疲劳破坏引起的。
疲劳寿命是指在给定工况下,滚动轴承能够承受的循环载荷次数,即在此次数后滚动轴承有一定概率出现疲劳失效。
威布尔分布是用来描述失效时间的概率分布模型,由于滚动轴承疲劳失效是一个随机性事件,因此可以采用威布尔分布来建模。
威布尔分布的形式为:F(t) = 1 - exp(-((t/β)^γ))其中,F(t)表示在时间t内发生失效的概率,β是尺度参数,γ是形状参数。
β和γ的取值决定了失效时间的分布形态。
当γ=1时,威布尔分布退化为指数分布。
当γ>1时,表明失效率随时间而逐渐增加,而γ<1时,表明失效率随时间而逐渐减小。
为了研究滚动轴承疲劳寿命的威布尔分布三参数,我们可以通过实验数据拟合得到β和γ的值。
常用的拟合方法有最小二乘法和最大似然法。
最小二乘法是通过使拟合曲线和实验数据的残差平方和最小来确定参数值,而最大似然法是通过最大化似然函数来确定参数值。
在实际的研究中,我们可以选取一批滚动轴承样本,通过施加不同的载荷和运动条件,记录每个样本的失效时间。
然后,利用拟合方法对实验数据进行处理,得到β和γ的估计值。
最后,根据估计值,可以绘制威布尔分布的概率密度函数和累积分布函数,进一步分析滚动轴承的疲劳寿命特性。
此外,除了实验数据的拟合研究,还可以采用数值模拟的方法对滚动轴承的疲劳寿命进行研究。
数值模拟可以通过建立滚动轴承的有限元模型,模拟不同工况下的载荷和运动状态,计算滚动轴承的应力和应变分布,进而预测疲劳寿命。
其中,威布尔分布三参数也可以被考虑进数值模拟中,从而实现对滚动轴承疲劳寿命及其分布特性的预测。
基于可靠性的滚动轴承寿命预测技术研究滚动轴承作为机械设备中最常见、最重要的部件之一,承担着支撑和减摩的重要任务。
然而,在高速、高负荷、长时间运转的情况下,滚动轴承往往会出现损耗、磨损、变形等问题,从而影响机械设备的稳定性和持续运转能力。
因此,掌握并应用可靠的滚动轴承寿命预测技术,对于提高机械设备的运转效率和性能具有十分重要的意义。
一、滚动轴承寿命预测的必要性滚动轴承作为机械设备的关键部件之一,其使用寿命的长短直接影响到机械设备的正常运转和使用寿命。
一旦滚动轴承出现故障或损耗,就会对设备的运转效率和生产率造成严重影响,甚至需要进行设备更换和维修,不仅浪费时间和资金,还会给生产带来严重影响。
因此,掌握滚动轴承寿命预测技术,可以在滚动轴承出现故障之前提前发现并进行维修或更换,从而提高设备的使用寿命和稳定性。
二、基于可靠性的滚动轴承寿命预测技术在滚动轴承寿命预测技术中,基于可靠性的技术应用非常广泛。
该技术主要通过对滚动轴承运行状态的监测和分析,确定其失效时隙和失效概率,从而判断滚动轴承的可靠性和寿命。
具体来说,基于可靠性的滚动轴承寿命预测技术包括以下几个方面的内容:1、滚动轴承负荷分析滚动轴承使用寿命的长短与其受力情况有着密切的关系。
因此,在进行滚动轴承寿命预测时,需要对轴承的载荷进行分析,从而了解其受力情况。
一般来说,滚动轴承的载荷主要包括径向载荷和轴向载荷,而载荷的变化可能会导致滚动轴承的损耗和磨损,对其寿命造成不利影响。
2、滚动轴承振动分析滚动轴承受力时,会发生振动现象,而振动的幅度和频率也会对轴承寿命产生重要影响。
因此,在进行滚动轴承寿命预测时,需要对该轴承进行振动分析,确定其振动频率和振幅,对其寿命进行评估和预测。
3、滚动轴承温度分析滚动轴承在工作时会发生摩擦,从而产生热量,使其温度不断升高,因此,滚动轴承的寿命也会随温度的升高而减短。
因此,通过对轴承温度的监测和分析,可以判断轴承的寿命和可靠性。
滚动轴承的寿命1,轴承的寿命在滚动轴承运转过程中,会发生故障和损坏,若预先采取有效的措施,很多损坏是可以防止的。
但即使是润滑良好,安装正确,无尘埃、水分和腐蚀介质的侵入,且载荷适中,由于轴承长期在交变接触应力作用下,滚动表面会发生疲劳剥落,这种损坏是不可避免的。
滚动轴承寿命一般是指疲劳寿命。
疲劳寿命是滚动轴承最重要的性能指标,轴承的设计和应用都需要分析计算疲劳寿命。
对给定的轴承尺寸和负荷条件追求最长的疲劳寿命是一般轴承设计的目标。
选用轴承时,根据工况确定轴承额定动载荷c,进而确立轴承的型号,再验算轴承的疲劳寿命是否满足工况要求。
除疲劳寿命外,轴承失效形式还有压痕、烧伤、断裂、裂纹、崩裂、腐蚀、锈蚀和磨损等多种,产生的原因是轴承选用不当,安装、使用、支承设计、润滑、维护保养方面不合理。
轴承寿命计算指疲劳寿命的计算。
另外本章还讲述了轴承磨损寿命的估算法。
1.1.1 疲劳寿命与额定寿命疲劳寿命是指轴承工作到滚动工作表面出现疲劳剥落为止的累计工作小时或运转的总转数,以106转计,是指单个轴承而言。
轴承的疲劳寿命,即使是同样尺寸、结构、材料、热处理、加工方法的同一批轴承,在同一条件下运转,也是非常离散的,最长与最短的寿命可能相差数十倍甚至百倍。
试验研究得出,寿命分布服从一定的统计规律,要用数理统计方法处理数据,以计算在一定损坏概率下的轴承寿命。
额定疲劳寿命,是指同一型号的一批轴承,在同一条件下运转,其中90%的轴承能够不出现疲劳剥落的运转总转数,以610转计。
或在一定旋转速度下的工作小时数,记作10L 。
1.1.2 基本额定动载荷C 和当量动载荷额定动载荷c 是指在轴承内圈旋转、外圈静止的条件下,额定寿命为100万转时轴承能够承受的载荷。
对于向心轴承是纯径向载荷,对于推力轴承是指中心轴向载荷,它是表示滚动轴承的载荷能力,是轴承的一项主要性能参数,是选择轴承的主要技术依据。
每种轴承的额定动载荷都已按GB6391-94(等同ISO281/1-1977)计算,且标明在产品样本中。
滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验技术现状及发展滚动轴承是广泛应用的重要机械基础件,其质量的好坏直接影响到主机性能的优劣,而轴承的寿命则是轴承质量的综合反映,在中国轴承行业“十一五”发展规划中,重点要求开展提高滚动轴承寿命和可靠性工程技术攻关;低载荷、高转速的传统轴承寿命试验方法周期长、费用高且试验结果的可靠性差,而强化试验则在保持接触疲劳失效机理一致的前提下,大大地缩短试验时间,降低了试验成本,从而加快了产品的开发周期和改进步伐,因此轴承寿命强化试验受到越来越多的关注、研究和应用;轴承快速寿命试验包含了比轴承寿命强化试验更为广泛的内涵,它不仅在寿命试验方面,而且在寿命试验的设计,寿命数据的处理、分析,寿命的预测评估,轴承失效的快速诊断、分析、处理等系统技术方面具有更新更广的内容;轴承寿命理论的现状及发展早在1939年,Weibull提出滚动轴承的疲劳寿命服从某一概率分布,这就是后来以其名字命名的Weibull分布,认为疲劳裂纹产生于滚动表面下最大剪切应力处,扩展到表面,产生疲劳剥落,Weibull给出了生存概率S与表面下最大剪切应力τ、应力循环次数N和受应力体积V的关系:1瑞典科学家Palmgren经过数十年的数据积累,于1947年和Lundberg一起提出了滚动轴承的载荷容量理论,又经过五年的试验研究,该理论才得以完善;该理论认为接触表面下平行于滚动方向的最大交变剪切应力决定着疲劳裂纹的发生,考虑到材料冶炼质量对寿命的影响,同时指出:应力循环次数越多、受力体积越大,则材料的疲劳破坏概率就越大,提出了统计处理接触疲劳问题的指数方程:2式中 S——轴承使用寿命τ0——最大动态剪切应力振幅z0——最大动态剪切应力所在的深度c、e、h——待定指数,由轴承试验数据确定V——受应力体积N——应力循环次数,以万次计经过推导和大量轴承试验数据分析,获得Lundberg-Palmgren额定寿命计算公式:3式中 L10 ——基本额定寿命,百万转Cr ——基本额定动载荷,NP ——当量动载荷,Nε——寿命指数,球轴承取3,滚子轴承取10/3该公式1962年已由ISO列为推荐标准,并于1977年修正为正式的国际标准ISO 281/1-1977;L-P模型能很好地解释滚动轴承失效机理和预测寿命,但是随着技术的发展,特别是炼钢技术的极大提高,使得轴承的实际寿命比计算寿命大很多,人们经过研究发现轴承经过长时间的运转后,也可以从表面产生裂纹,然后向深处扩展;20世纪70年代初,Chiu P和Tallian T E提出了考虑表面的裂纹生成方式的接触疲劳工程模型,该模型可以解释一些L-P模型难以解释的问题,例如表面粗糙度、弹流油膜厚度、切向摩擦牵引力以及润滑介质存在污染物等情况对接触疲劳的影响;20世纪80年代,Ioannides E和Harris T A在引进了材料疲劳极限应力和考虑应力体积内各点应力及其深度的情况下,给出了I-H模型,该模型比L-P模型考虑的更加细致和接近实际情况;但Zaretsky E V认为该模型高估了轴承的寿命;Zaretsky E V提出的基于Weibull模型基础上的修正模型、Cheng W Q和Cheng H S提出的用疲劳裂纹产生的时间来表示轴承寿命的C-C模型、Tallian T E提出的T模型、Yu W K和Harris T A提出的Y-H模型都从不同的角度提出了对寿命的预测方法; 20世纪80年代,瑞典SKF轴承公司的研究人员在L-P理论的基础上得出了通用的轴承寿命计算模型,而L-P模型仅是该理论模型的一种特殊情况;该新寿命理论数学模型在1984年ASME/ASCE联合润滑会议上发表;该理论可用下式表示:4式中σu——为材料疲劳极限应力σ——疲劳裂纹产生的诱发应力,可为最大交变剪切应力,最大静态剪应力,最大八面剪切应力VR——受应力体积区域Z'——为应力σ所在的平均深度N——应力循环次数,以百万次计SN——轴承使用概率A——常数c、e、h——待定指数,由轴承试验数据确定该理论引入了局部应力和材料疲劳极限的概念,计算的出发点是局部应力,更加符合疲劳强度的设计思路,按照该理论,计算额定寿命简化式可表示为:5其中aSKF为寿命调整系数,它包括了润滑、污染、疲劳极限和轴承当量动载荷之间的复杂关系,它的值由污染系数ηc、轴承疲劳极限载荷Pu、当量动载荷P 和粘度系数K之间的函数关系给出;ηc系数则考虑了润滑剂的污染及其对轴承寿命的影响;目前这一理论仅在SKF内部使用;在国际标准ISO 281:1990中也给出了修订的额定寿命计算式:Lna=a1axyzL106该修订公式中的修正系数axyz考虑到材料、润滑、环境、杂质颗粒、套圈中内应力、安装和轴承载荷等因素对轴承寿命的影响;目前该修正式已被我国正式引用并作为我国滚动轴承行业产品寿命的推荐性文件;科学准确地预测轴承疲劳寿命一直是机械工程学者关心又难以解决的难题,三参数Weibull分布和修正的Palmgren-Miner疲劳损伤累积法将是滚动轴承应用中亟待研究的课题,同时建立关于轴承疲劳机理研究、失效因素分析、材料冶炼加工工艺、试验数据分析等的数据库也是任重道远;轴承寿命快速试验机的现状及发展20世纪早期,我国轴承行业一直沿用前苏联的ZS型轴承寿命试验机进行轴承寿命试验,这种试验机的性能已明显落后于试验发展需要;从美国引进的F&M 5″新型滚动轴承疲劳寿命试验机除了价格昂贵外,还采用气动高压动力源和60Hz的电频率,不太适合中国的国情;因此在20世纪的90年代,在吸取国外先进试验机的基础上,杭州轴承试验研究中心研制了新一代自动控制滚动轴承疲劳寿命强化试验机B10-60R及其改进的ABLT系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机,大大地推进了中国轴承行业轴承寿命试验系统技术的进步;1. ZS型和F&M 5″型滚动轴承疲劳寿命试验机主要性能参数ZS型滚动轴承疲劳寿命试验机的主要性能参数见表1ZS型和F&M 5″型滚动轴承疲劳寿命试验机的性能比较见表2;2. ABLT-1B10-60R型滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数与ZS型和F&M 5″型滚动轴承疲劳寿命试验机相比,ABLT-1B10-60R型试验机主要作了如下改进:1在 F&M 5″型试验机的基础上,设计一套在径向和轴向都装有薄膜油缸的试验头座组合件,加载油缸传递推力时有调整件和补偿件,保证了精度;设置手动辅助返回动作机构,以利试验头的顺利装拆等;2传动轴由两套深沟球轴承悬臂支撑,传动轴一端固定,一端游动,用弹簧消隙,电动机座部件支撑倒悬,结构紧凑,增加减振措施,增强了稳定性;3加载系统采用薄膜式液压缸,占用空间小、成本低,同时液压缸进出油口安装电磁换向阀,便于自动控制;4温度记录装置和振动信号处理装置等附属装置挂于机架上;该型号试验机的主要性能参数如表3所示;3. ABLT系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机主要性能参数在消化吸收和改进各种轴承寿命试验机的基础上,我国自行设计研制的ABLTAccelerated Bearing Life Tester系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机,具有完全自主知识产权的新型轴承寿命试验技术和方法,通过个性化设计,能满足大多数滚动轴承疲劳寿命强化试验的需要;其主要性能参数如表4所示;20世纪90年代以前,我国的轴承行业一直沿用前苏联的ZS型试验机和试验规范进行轴承的寿命试验,该试验技术试验精度低、加载系统不稳定、没有自动控制系统,远远不能满足大量试验工作的需要;ABLT-1寿命强化试验机试验技术一定程度地采用了自动化控制技术,具有操作方便、精度大大提高、使用可靠、减少了劳动强度;ABLT系列疲劳寿命强化试验机吸收了以前试验技术的优点,进一步加强和完善了自动化控制水平;目前这一轴承寿命强化试验系统技术已被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、宁波摩士轴承研究院、重庆长江轴承工业有限公司、中国石化润滑油公司天津分公司、杭州诚信汽车轴承有限公司等国内外众多用户广泛认可并应用;在ABLT系列试验机的基础上,进一步开发A2BLT+F2ASTAutomatic Accelerated Bearing Life Tester & Fast Failure Analysis System Technology 寿命强化试验机和进一步研究开发包括快速失效诊断技术、快速失效分析技术、快速失效处理技术等三大方面技术,将是我们轴承行业试验机研发的下一个重要的课题;轴承快速寿命试验技术现状及发展由于影响轴承寿命的因素太多、太复杂,而轴承疲劳寿命理论仍需进一步完善,因此进行寿命试验成为评定轴承寿命的主要手段;相对于SKF、INA/FAG、Timken/Torrington、NSK等国外公司,我国轴承寿命试验起步较晚,对失效机理等基础理论研究不足,目前尚处于大量积累试验数据的阶段;但是经过十几年的努力和发展,我国的轴承寿命试验技术已经得到了较大的发展并有很大的发展前景;早在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,用来检验设计的质量和可靠性;20世纪70年代,则开始采用综合环境模拟可靠性试验、任务剖面试验和验收模拟试验;在此后的很长时间内这些试验方法成为保障产品可靠性的主要手段;但由于环境模拟耦合作用的复杂性、高成本以及试验结果的滞后性,使得该类模拟试验技术丧失了一定的优势;与模拟试验的思路相反,环境应力激发试验则是用人为的施加环境应力的方法,加速激出并清除产品潜在缺陷来达到提高可靠性的目的;从早期的高温、温度循环、温度冲击等激发试验的形式,发展为现在公认的高温变率的温度循环和宽带随机振动,试验所施加的应力不必模拟真实环境,只要激发的效率越高越好;随着该试验技术的蓬勃发展,有人试图用标准的形式来加速这一技术的发展,但这种思路容易将试验方法重新拉回到模拟试验的轨道上去,况且不同的缺陷类型和不同失效机理必须使用不同的应力筛选方案来进行,因此这种以标准试验方法来规范试验的方法是不可取的;目前轴承行业广泛采用的可靠性强化试验技术是依据故障物理学,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;实践证明,该方法效果显着,并且与常规试验技术具有等效性和可比性;前苏联、瑞典的SKF、日本的NSK、NTN、英国的RHP现为日本NSK-RHP、奥地利的STEYR现为SKF-STEYR、美国的SKF和F&M公司均采用加大试验载荷来达到快速试验的目的;日本和欧美等国家的深沟球轴承强化试验中所采用的试验载荷已经接近或超过额定载荷的一半,如表5所示;模拟试验技术近年来得到广泛的重视,但是模拟试验成本较高、周期太长和模拟耦合的复杂性,使得模拟试验呈积木式、模块化方向发展;激发试验技术虽然国外有一定的研究,但是国内轴承行业目前还很少做过该类试验,同时这种试验方法目前都是在设计没有缺陷的前提下,针对生产过程的缺陷,对于设计缺陷还不能很好的排除;试验技术的智能化和个性化将是轴承寿命试验技术将来的发展方向,根据特定的试验条件,设定转速谱和载荷谱等以满足试验的要求,同时应用人工智能和专家系统等知识库技术来进行智能化处理;2005年10月,第一作者曾赴欧洲考察三周,在德国慕尼黑技术大学等培训学习汽车模拟试验技术,并实地考察了INA/FAG 轴承公司、KLUBER润滑脂公司及其测试中心的模拟试验现场情况,对此有了更深刻的感悟;轴承寿命试验数据处理及发展由于轴承寿命非常离散,一批同结构、同材料、同热处理、同加工方法的轴承在相同的工况下,其最高寿命和最低寿命相差几十倍甚至更多,因此对疲劳寿命试验数据需要用数理统计方法进行处理;近似服从滚动轴承疲劳寿命的理论分布有韦布尔W. Weibull分布以及对数正态分布寿命值取对数后符合正态分布等,但由于韦布尔分布更加接近于寿命试验结果,而且数据处理比较方便,所以目前论述轴承寿命的分布时,绝大多数用二参数的韦布尔分布,其分布函数为:7式中 FL——在规定的试验条件下,轴承运转到L小时而破坏的概率b——韦布尔分布斜率,描述轴承寿命的离散性和稳定性v——韦布尔分布的特征寿命,即当FL=时对应的轴承寿命小时数L——轴承出现疲劳破坏时运转小时数;早期国内主要依据JB/T7049-1993标准中提出的数据处理方法,利用最佳线性不变估计、最大似然估计法或Weibull图法,估计出轴承寿命的韦布尔参数b和V,从而求出试验寿命和可靠性等参数;这种方法较为准确,适合于完全试验、定数截尾试验、分组淘汰等试验的数据处理,但是使用该方法需要一定数量的试验数据,否则不能准确地估计出真实的轴承寿命;JB/T7049-1993现修订为JB/T50013-2000;JB/T50093-1997推荐了另外一种数据处理思路,即先假设韦布尔斜率,设置了质量系数、检验水平、接受门限、拒绝门限等参数,从而减少了很多以前烦琐的数据处理,较适用于定时截尾的试验方法,可以减少试验失效套数,减少试验时间,节约试验费用,但是使用范围有一定的局限性,且与别的数据处理方法的处理结果有一定的差距;第一作者用JB/T50093-1997规定的方法、图估计法、最佳线性无偏估计法、最佳线性不变估计法、最大似然估计法以及最小二乘法等六种方法对几组试验数据进行处理,得到b和v的估计值并加以比较,结果表明最小二乘法的偏差较大,其他几种方法的估计结果差别不大,因此用以上几种方法对轴承寿命进行估算时,关键还是收集数据的正确性;无失效数据的bayes分析法和无失效数据的配分布曲线法正在受到人们的关注和研究;杭州轴承试验研究中心有限公司企业博士后科研工作站试图与国内外着名高等院校合作,以市场为导向,产学研合作共赢的合作模式,在滚动轴承性能寿命的检测试验、故障诊断、寿命预测等相关领域进行研发攻关;随着轴承寿命试验数据处理技术的创新,必将促进滚动轴承快速寿命试验的发展;本篇文章来源于“中国金属加工在线”本篇文章来源于“中国金属加工在线”。
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滚动轴承的疲劳可靠性
化工过程机械邓坤军612080706048
摘要:
以可靠性理论为出发点,研究了滚动轴承在不同可靠度要求时的设计计算方法,找出了轴承寿命与可靠度间的关系及基本额定动载荷与可靠度间的关系。
对从事可靠性设计的工程技术人员有一定的参考价值。
1 引言:
滚动轴承是一种应用相当广泛的标准零件,在它的选用设计中,通常要进行抗疲劳点蚀的寿命计算。
目前使用的计算方法规定,在等于基本额定动载荷C 的当量动载荷作用下,滚动轴承可以工作10 车,而其中90 %不发生疲劳点蚀失效,这就意味着其可靠度为0.9。
随着科学技术的迅速发展,对轴承组件的可靠性要求越来越高,如美国探险者1号宇宙飞船上仪器的滚动轴承要求可靠度为0.999999999。
为了用样本中的基本额定动载荷C 进行不同可靠度的轴承选用设计。
在工业生产中轴承作为经常使用的零件应用十分广泛, 由于轴承工特点作的,经常更换维护。
一般的轴承主要起支撑转动轴的作用,有的轴承也在支撑转轴的同时也承受很高的载荷。
正确地评价一个滚动轴承的有效、安全的工作寿命对安全生产,提高设备生产效率,延长设备使用寿命, 使生产顺利高质量进行是十分重要的技术问题。
我国现行的国家标准规定的滚动轴承寿命计算方法[1],是先
计算出可靠性为90% 的额定寿命, 再对不同可靠度下的寿命用可靠性系数
a进
1
行修正, 其中
a的导出是以寿命服从二参数Weibull 分布为基础的。
这种方法在
1
通常情况下可以取得较好的效果, 多年来一直在工程实践中应用。
但是, 早在1962年, T. Tallian 分析了2520 套轴承的寿命试验数据后指出对存活概率在0. 4~ 0. 93之间时[2], 寿命分布与二参数Weibull 分布吻合较好, 超出此范围, 则有较大偏离。
此外, 近年来,国外的一些轴承研究机构( 如瑞典的SKF工程研究中心)在轴承疲劳寿命试验中,观察到了超长寿命现象,亦即轴承在理想条件下进行耐久试验,其寿命远远高于上述方法计算出的寿命。
因此,无论在理论上还是在实际中,滚动轴承均存在一个无限寿命,同时也存在着一个不为零的最小寿命。
二参数Weibull 分布不能很好地体现上述两个特点, 这些都说明用二参数Weibull来描述滚动轴承寿命的局限性。
这里以文献[3]的观点为基础,对在不同可靠度范围下的寿命分别采用二参数和三参数Weibull 分布的规律进行计算, 使计算结果更加接近于实际。
2 滚动轴承的寿命与可靠度间的关系
滚动轴承的承载能力和寿命的关系通常用,P—L 曲线(见图1)表示,P 是载
荷,L 是寿命(一般用与时间或应力循环次数成比例的总转数表示) 。
为了求得寿命与可靠度间的关系 ,在不同载荷水平做成组寿命试验 ,得出不同载荷水平的寿命分布(图1中画出了某载荷水平的寿命分布密度 f (L) ) 。
大量试验表明 ,滚动轴承寿命服从两参数威布尔分布,故可靠度为: ()K
⎪⎭
⎫ ⎝⎛=b L -e
L R (1
)
图 1 滚动轴承 R —L 曲线
式中L —轴承寿命 , (610转) ; b —轴承寿命分布的尺寸参数; K —轴承寿命分布的形状参数。
(1)式也可写成:
()K 1
1ln ⎪⎭
⎫ ⎝⎛
=R b L R (2) 由(2) 式知 ,只要求得威布尔分布参数 b 、K,可靠度与寿命间的关系就完全明确了。
为了估计威布尔分布的参数,文献[4]给出了轴承寿命在威布尔概率纸上的拟合线 ,见图2。
由图可知 ,R = 014~019 时试验点基本在一直线上;R = 019~01999 时 ,试验点在另一直线上。
由此可得 ,威布尔参数与可靠度有关 ,经统计处理 ,参数数据列于表 1。
表 1 威布尔分布参数值
R K
b
滚子轴承 球轴承
0.4~0.9 9/8 10L k
1-
0.91ln b ⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡
=
0.9~0.99
1.5
把10L k
1-0.91ln b ⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡
=代入(2)式可得:
()10K
1
L ln0.9lnR R L ⎪⎭
⎫
⎝⎛= (3) 令=1αK
1
ln0.9lnR ⎪⎭
⎫
⎝⎛ (4) 则()10L R L 1α= (5) 式中 α1 —可靠性系数(数值列于表2) ; L10—轴承的基本额定寿命。
3 滚动轴承的额定动载荷与可靠度间的关系
根据文献[4]可知 ,额定动载荷与基本额定寿命之间的关系为: ε
⎪⎭
⎫
⎝⎛=P C L 10
(6) 式中10L —轴承的基本额定寿命(610转) ;
C —轴承的基本额定动载荷(N) ; P —当量动载荷(N) ;
ε—寿命指数 ,对于球轴承ε= 3 ;对于滚子轴承ε= 10/ 3。
考虑不同的可靠度 ,非常规材料和运转条件 ,轴承的修正额定寿命为:
()ε
αααααα⎪⎭
⎫
⎝⎛==P C L R L 32110
321 (7)
式中α1、C 、P 、ε意义与前面相同,α2—材料系数 ,常规材料(高质量淬硬钢)α2 = 1 ,α3 — — — 润滑系数 ,一般情况下α3 = 1。
假设取α2 =α3 = 1 ,则(7)式可写成:
()[]εβ1
R L P C = (8) 式中β—额定动载荷可靠性系数,εk 1
ε
1-lnR ln0.9αβ⎪⎭
⎫ ⎝⎛==其值列于表 3 ;
P —当量动载荷(N) ;
L ( R)—可靠度为 R 时的可靠寿命(610转) 。
当已知目标可靠度下的轴寿命时,即由(8)式确定相应的基本额定动载荷C 值,然后据此选择适用的轴承型号。
4 结束语
滚动轴是标准件,在其生产、检验、设计及应用等各方面,均按可靠度为0. 90
时的额定寿命
L作为依据。
滚动轴承的可靠性设计, 是解决当给定目标可靠度90
时,如何选用可靠度为0. 90 的轴承来满足实际使用要求。
根据上述滚动轴承可靠性设计实用计算方法, 在机械设计中,按工程实际工作条件的要求,可以准确的计算出滚动轴承的可靠度的值,并可以从轴承目录中查得所需要的轴承类型代号。
5 参考文献
[1]国家标准局.。
GB6391- 86 滚动轴承。
额定动负葆和额定寿命的方法.北京: 中国标准出版社。
[2]Tallian T. Wei bull Distribut i on of Roll i ng Contact Fatigue Life and Deviations Therefrom.ASLE Trans. 1962, 5(1) : 183~ 196.
[3]陈远志, 赵葛霄。
滚动轴承可靠性与寿命计算方法的探讨. 重庆大学学报,1998,21(3) : 88~ 93。
[4邱宣怀,机械设计,高等教育出版社,1989。