[摘要]通过复合材料滚动轴承的疲劳试验，研究了采用短纤维注射成型工艺开发的玻璃纤维/尼龙66滚动轴承的疲劳寿命和失效形式，为复合材料滚动轴承的设计和应用提供了有价值的参考。复合材料滚动轴承疲劳试验失效分析复合材料滚动轴承疲劳试验研究杨恒(洛阳理工学院)【摘要】本文介绍了复合材料滚动轴承的疲劳试验，并对注射成型玻璃纤维/尼龙66复合材料滚动轴承的疲劳寿命和疲劳失效进行了分析。为复合材料滚动轴承的设计和应用提供了有价值的试验方法。关键词复合滚动轴承疲劳试验疲劳破坏1前言复合滚动轴承具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性和尺寸稳定性，能以较低的成本降低振动和噪声，因此在许多工业领域得到广泛应用。但复合材料的疲劳性能明显不同于金属材料[1]。复合材料对加载频率和试验温度比较敏感，疲劳寿命的实测数据更加离散，将金属疲劳试验方法应用于复合材料显然是不合适的。本文对复合滚动轴承进行了疲劳试验，为保证复合滚动轴承的安全性和可靠性，促进复合滚动轴承在工业上的应用和发展，提供了一种简便的试验方法。2试验研究2.1在试件和试验设备的试验中使用了25组204复合滚动轴承。复合材料滚动轴承由短玻璃纤维增强尼龙66制成，制造工艺是用易熔合金芯注射成型[2]。试验设备选用JB-30滚动轴承疲劳试验机。2.2试验方法轴承的疲劳寿命很离散，数据要用数理统计方法处理。本实验采用一种简便的截尾试验方法。试验轴承n套，其中R套轴承损坏，使用寿命分别为L1，L2，…，Lr。剩余的(n-r)套轴承已分别进行了Lr 1、Lr 2、…in时间测试，并且没有损坏。此时可以停止试验，利用得到的试验数据计算出原始寿命分布的估计参数。截尾试验方法有固定时间和固定次数两种。本试验采用定数截尾法。预先设定应受疲劳损伤的轴承组数R，也称截尾数，在给定的截尾数后停止试验，使无疲劳损伤轴承的寿命大于有疲劳损伤轴承的寿命。204型复合滚动轴承施加588N的径向载荷，采用油润滑，给定的截断数为15。试验机转速为12800r/min，所有试件的试验频率和温度环境相同。此外，为了便于比较，同时对25组204个尼龙66塑料轴承进行了试验。径向载荷为392N，润滑采用20 #油。给定的截断数和试验机转速与复合材料轴承相同。2.3通过处理试验数据对疲劳寿命的研究表明，威布尔分布比正态分布更接近疲劳失效规律。大量试验结果表明，滚动轴承的寿命符合双参数威布尔分布。轴承寿命L0的失效概率用威布尔函数表示为[4]: f (l0)=1-exp [-(l0/) e]其中L0=106转，e为斜率参数，为特征寿命参数。本文采用最佳线性不变估计法来估计参数E和 [3]。对于复合材料轴承，e=5.756，=4.467106；对于塑料轴承，E=3.02，=7.104 106。2.4疲劳损伤的监测本试验采用表面温度计、温升监测法和声音判断法来判断滚动轴承的疲劳损伤。轴承运转后，相对运动表面之间产生摩擦热，轴承的温度从原来的温度逐渐上升。轴承运行一定时间后，产生的热量和散发的热量达到平衡，温度保持不变。当轴承因疲劳而损坏时，摩擦加剧，产生热
T1为室温，约18；T2是轴承正常运行时的温度，约为38；T1为初始运行时间，约50min;T2是正常的运行时间，大约150分钟。图1轴承运行过程及温度变化图1时间和温度对轴承的影响为了保证疲劳损伤判断的准确性，还采用了声音判断法。试验时，用传声工具接触安装轴承的部位，听轴承转动时的声音变化，根据轴承疲劳损伤前后的声音变化判断轴承是否损伤。3试验结果及分析3.1疲劳寿命方程(1)的自然对数取两次，方程(1)在双对数坐标上变成直线方程。根据试验结果，绘制了204型复合材料和工程塑料滚动轴承的疲劳失效概率图，如图2所示。根据轴承疲劳寿命的国际标准[5]，90%的一批轴承可以达到并超过疲劳剥落前的总运转转数(按106转计算)。从图2可以看出，对于10%的故障概率，204
型复合材料滚动轴承在施加588N的载荷下的额定疲劳寿命为3.1×106转。而204型工程塑料滚动轴承在施加392N的载荷下的额定疲劳寿命为2.2×106转［6］。显然，复合材料滚动轴承的负荷能力相对于塑料轴承提高了50%，而疲劳寿命仍有较大的提高。图2 204型复合材料滚动轴承的疲劳破坏概率图Fig.2 The probability of fatigue failure of model204 composite material rolling bearings
3.2 疲劳断口特征 根据复合材料滚动轴承的疲劳破坏试验，对疲劳断口进行了微观观察，提出复合材料滚动轴承的四种失效形式。3.2.1 表面疲劳 表面疲劳包括滚动接触疲劳、点蚀、片状脱落和片状剥落。 滚动轴承的滚动接触疲劳失效是由反复多次超过材料表面或次表面忍耐强度的应力造成的。这些重复应力导致复合材料外圈滚道表面或次表面附近产生裂纹，这些裂纹的扩展延伸导致滚道材料碎屑剥落下来，留下点蚀。点蚀现象由表面接触应力和循环次数决定。随着应力或循环次数的增加，一种类似点蚀的现象剥落发生了，如图3所示，剥落破坏具有不规则的象弹坑那样较大凹坑的特点。
图3 片状剥落 10×Fig.3 The sheet breaking-off
3.2.2 塑性流动 塑性流动发生于钢球和滚道的接触应力超过其表面和次表面忍耐强度并导致轴承几何变形之时，表面变形是塑性流动的一种形式。其它的塑性流动有空腔和涂抹等。在重载和高速条件下，轴承的温度将会变得很高，使内外圈发生过热现象，引起滚道和轴肩的塑性融化，如图4所示。
图4 滚道和轴肩的塑性融化 ×10Fig.4 Plastic melting of roll way nest and shaft shoulders
3.2.3 磨损 磨损是大量的轴承材料从接触表面均匀或不大均匀地磨下来，这种失效形式的特点是在润滑液中和接触表面上存在着磨损的废渣，它能引起钢球和滚道的间隙增大。3.2.4 相关失效 磨损也可能发生于轴承外圈和轴承夹具之间，由它们之间的相对运动引起。 对一套轴承而言，其失效形式可超过一种，即可能同时发生两种或两种以上的失效。4 结论 （1）本文选用25套复合材料滚动轴承进行疲劳试验，采用定数截尾试验法，用最佳线性不变估计法进行数据处理来估算轴承寿命的韦布尔分布两参数，方法简单易行。 （2）玻纤增强尼龙66的204型复合材料滚动轴承在载荷588N，转速12800r/min，油润滑的条件下，其额定疲劳寿命为3.1×106转，证明了复合材料制造滚动轴承的可行性。 （3）对疲劳破坏的复合材料滚动轴承进行了观察，提出了表面疲劳、塑性流动、磨损和相关失效四种失效形式。为复合材料滚动轴承的性能、使用寿命和可靠性设计提供有价值的参考。
