沈偉毅，史錫光，蘇立樾

(洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471039)

國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4662)中規(guī)定的滾動軸承額定靜載荷球軸承許用接觸應(yīng)力為4200 MPa;雙列調(diào)心球軸承的許用接觸應(yīng)力為4600 MPa;滾子軸承的許用接觸應(yīng)力為4000 MPa;對于采用5CrMnMo鋼、42CrMo鋼非淬透性鋼制造的特大型轉(zhuǎn)盤球軸承未規(guī)定其值。特大型轉(zhuǎn)盤球軸承工作狀態(tài)主要是承受靜載荷，且其轉(zhuǎn)速很小，為此進(jìn)行了轉(zhuǎn)盤球軸承用5CrMnMo鋼中頻淬火平板與鋼球的壓縮試驗研究，用回歸直線分析法建立了δq/DW與σ的關(guān)系方程，求出了其許用的接觸應(yīng)力，為軸承設(shè)計和制造人員提供了參考數(shù)據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選取5CrMnMo鋼制作平板試樣，試樣的尺寸為75 mm×45 mm×40 mm。經(jīng)過機(jī)加工后進(jìn)行不同的預(yù)備熱處理，再進(jìn)行不同的中頻表面淬火、回火后，獲得不同表面硬度和硬化層深度。選取WE-600液壓式萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行壓縮試驗。

1.2 試驗方法

平板試樣進(jìn)行不同的中頻表面淬火、回火后，獲得不同表面硬度和硬化層深度，分2個硬度范圍組，第1組硬度為58～60 HRC，第2組硬度為54.5～56.5 HRC。每一組有7個試樣，每個試樣用兩種鋼球、φ2 in，硬度均為 61 HRC)進(jìn)行壓縮試驗，壓縮試驗示意圖見圖1。每一種鋼球確定了7種壓縮載荷，分別為 10、20、30、40、45、50、70 kN，每種載荷均壓3次，壓縮后用輪廓儀測壓痕的深度，取其平均值。

圖1 平板試樣與鋼球壓縮試驗Fig.1 Compression testing of plate sample and steel ball

2 壓縮試驗數(shù)據(jù)處理

2.1 壓縮試驗數(shù)據(jù)處理方法

2.1.1 應(yīng)力的計算

根據(jù)赫茲理論，載荷與應(yīng)力的關(guān)系為

式中:σ為接觸應(yīng)力，MPa;Q為載荷，N;a為長半軸，mm;b為短半軸，mm;na、nb為與接觸點(diǎn)主曲率函數(shù)有關(guān)的系數(shù);ρ為接觸點(diǎn)主曲率;η為彈性常數(shù)。

2.1.2 壓痕深度與鋼球直徑之比

不同情況下的壓痕深度與鋼球直徑之比為

式中:δq/DW為永久變形(壓痕深度)與鋼球直徑之比;σmax為最大接觸應(yīng)力，MPa;b為指數(shù);K為常數(shù)。(注:式(2)為經(jīng)驗轉(zhuǎn)換公式。)為簡化數(shù)據(jù)處理，對式(2)兩邊取對數(shù)為logδq/DW=logK+b logσmax。

令 y=logδq/DW，x=logσmax，a=logK，

則y對x的線性關(guān)系為y=a+bx。

根據(jù)每組試驗數(shù)據(jù)可計算得y對x的回歸直線方程式及其相關(guān)系數(shù)r。

2.1.3 相關(guān)系數(shù)r的計算

檢驗其線性關(guān)系是否顯著，計算其樣本相關(guān)系數(shù)r

查試樣的相關(guān)系數(shù)檢驗表得r0.01后判斷σmax與δq/DW是否有相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)式(2)，當(dāng) δq/DW=10－4時，可求出不同情況下的σ，即許用接觸應(yīng)力。

2.2 壓縮試驗結(jié)果數(shù)據(jù)處理

(1)第1組硬度58～60 HRC范圍內(nèi)，5CrMnMo鋼試樣與鋼球壓縮試驗結(jié)果。

下面以第1組試樣的試驗結(jié)果來說明數(shù)據(jù)處理的過程，第2組的數(shù)據(jù)處理過程與第1組相同。第1組試驗測試結(jié)果見表1，用輪廓儀測量壓痕部位的深度作為變形度量值，試驗壓痕深度測試結(jié)果見表1。壓縮試驗結(jié)果數(shù)據(jù)處理見表2、表3。

表1 第一組靜壓試驗結(jié)果Table 1 Results of first set of static pressure test

表2 第一組壓縮試驗下應(yīng)力與δq/DW比的關(guān)系Table 2 The relationship between stress and δq/DW at first set of compression test

表3 第一組壓縮試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 3 The data of the first set of compression testing

具體數(shù)據(jù)處理計算如下:

得y對x的回歸直線方程式為

檢驗其線性關(guān)系是否顯著，將表3中的數(shù)據(jù)代入式(3)，計算其樣本相關(guān)系數(shù)r=0.991723。查試樣的相關(guān)系數(shù)檢驗表，r0.01=0.874。r0.01＜ r ≌1，說明σmax與δq/DW線性關(guān)系顯著。

對式(4)兩邊取對數(shù)可得

同理，對平板試樣與φ2 in鋼球壓縮試驗數(shù)據(jù)處理可得

即:平板試樣與對于φ2 in鋼球而言，當(dāng)δq/DW=10－4時，可得 σ =5023 MPa。

(2)第二組硬度54.5 ～56.5 范圍內(nèi)，5CrMnMo鋼與鋼球壓縮試驗結(jié)果:

當(dāng) δq/DW=10－4時，σ =4834 MPa。

當(dāng) δq/DW=10－4時，σ =4949MPa。

2.3 許用接觸應(yīng)力

根據(jù)平板試樣與鋼球壓縮試驗的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可求出平板試樣永久變形與鋼球直徑之比為10－4時的許用接觸應(yīng)力，見表4。

表4 許用接觸應(yīng)力Table 4 Allowable contact stress

1)表面硬度對5CrMnMo鋼轉(zhuǎn)盤球軸承的許用應(yīng)力有影響，硬度低，壓痕深度較深，承受的接觸應(yīng)力較小;硬度高，壓痕深度淺，其承受的接觸應(yīng)力較大。

2)回歸分析結(jié)果表明δq/DW與σ存在顯著相關(guān)關(guān)系，建立了接觸永久變形與鋼球直徑之比對接觸應(yīng)力的關(guān)系方程。

3)獲得了不同硬度范圍的平板試樣與鋼球的壓縮試驗當(dāng)δq/DW=10－4時的許用接觸應(yīng)力，可供軸承設(shè)計人員參考。

3 結(jié)果

［1］ 岡本純?nèi)?球軸承的設(shè)計計算［M］.黃志強(qiáng)，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社:2003.

［2］ 沈偉毅，史錫光，蘇立樾，等.42CrMo鋼制轉(zhuǎn)盤軸承許用接觸應(yīng)力的試驗研究［J］.軸承，2009(2):34－36.

［3］ 蘇立樾，蘇健.轉(zhuǎn)盤軸承靜載荷承載曲線的創(chuàng)建［J］.軸承，2004(6):1－3.

［4］ 謝偉，姚廷強(qiáng).深溝球軸承接觸應(yīng)力特性分析［J］.機(jī)械傳動，2012(10):78－81.

［5］ 陳龍，左傳偉，閆佳飛，等.42CrMo鋼點(diǎn)接觸下許用應(yīng)力的試驗研究［J］.軸承，2012(2):23－27.