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摘要：通過對復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，為復合材料滾動軸承的設計和應用提供有價值的參考。
關鍵詞：復合材料；滾動軸承；疲勞試驗；失效分析

1前言

復合材料滾動軸承具有良好的耐磨損性、耐腐蝕性、耐熱性及尺寸穩定性，并能減振降噪且成本低，因此在許多工業領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據更離散，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上的應用和發展。

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，要用數理統計方法處理數據。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，用已得到的試驗數據計算原壽命分布的參數估計值。截尾試驗法有定時和定數兩種，本試驗采用定數截尾法。設事先給定應得到疲勞破壞的軸承套數r，又稱為截尾數，試驗到所給定的截尾數后停試，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，給定截尾數為15。試驗機轉速為12800r/min，所有試件的試驗頻率和溫度環境相同。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，給定截尾數和試驗機轉速與復合材料軸承相同。

2.3處理試驗數據

對疲勞壽命的研究發現，韋布爾(Weibull)分布比正態分布更接近于疲勞破壞規律。大量的試驗結果表明，滾動軸承的壽命符合兩參數韋布爾分布。軸承壽命L0的破壞概率用韋布爾函數表示為［4］：

F(L₀)=1-exp［-(L₀/β)^e］

其中L₀=10⁶轉，e是斜率參數，β為特征壽命參數。本文采用最佳線性不變估計法估算參數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疲勞破壞的監測

本試驗使用表面溫度計，采用溫升監測法及聲響判斷法來判斷滾動軸承的疲勞破壞。

軸承運轉后，各相對運動表面之間產生摩擦熱，軸承的溫度從原始溫度逐漸上升。軸承運轉一定時間后產生的熱和散發的熱達到平衡，溫度保持不變。軸承發生疲勞破壞時，摩擦加劇，產生的熱也增加，溫度再逐步上升。軸承運轉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，聽軸承轉動時的聲音變化，根據軸承疲勞破壞前后聲音的變化來判斷軸承是否破壞。

3試驗結果與分析

3.1疲勞壽命

對方程(1)取兩次自然對數，在雙對數坐標上，(1)式變為直線方程。根據試驗結果，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。

圖2 204型復合材料滾動軸承的疲勞破壞概率圖

根據國際標準對軸承疲勞壽命的規定^［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總轉數(以10⁶轉計)。

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。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^［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。

3.2疲勞斷口特征

根據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。點蝕現象由表面接觸應力和循環次數決定。隨著應力或循環次數的增加，一種類似點蝕的現象剝落發生了，如圖3所示，剝落破壞具有不規則的象彈坑那樣較大凹坑的特點。

圖3片狀剝落10×

3.2.2塑性流動

塑性流動發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，使內外圈發生過熱現象，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相關失效

磨損也可能發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，即可能同時發生兩種或兩種以上的失效。

4結論

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

（2）玻纖增強尼龍66的204型復合材料滾動軸承在載荷588N，轉速12800r/min，油潤滑的條件下，其額定疲勞壽命為3.1×106轉，證明了復合材料制造滾動軸承的可行性。

（3）對疲勞破壞的復合材料滾動軸承進行了觀察，提出了表面疲勞、塑性流動、磨損和相關失效四種失效形式。為復合材料滾動軸承的性能、使用壽命和可靠性設計提供有價值的參考。