范宇斐

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，北京 100097)

某裝置上安裝的軸承工況如下：轉(zhuǎn)速和載荷在極短的時(shí)間內(nèi)由零增加到最大值(約1 000 r/min，500 kN)，在最大載荷狀態(tài)下保持幾秒鐘后在短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)；軸承間歇工作；外圈旋轉(zhuǎn)、內(nèi)圈固定。

作為某裝置中主要承受高速大載荷惡劣工況的軸承，其工作狀態(tài)及壽命預(yù)估的準(zhǔn)確性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)的成敗。雖然滾動(dòng)軸承的壽命和可靠性計(jì)算有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 24607—2009《滾動(dòng) 軸承壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》)可供參考，但由于裝置中的軸承不是在常規(guī)工況下工作，無(wú)法直接采用上述標(biāo)準(zhǔn)，需通過(guò)模擬實(shí)際工況驗(yàn)證其預(yù)估的使用壽命。因此，結(jié)合實(shí)際工況和可靠性理論建立一種可靠性評(píng)估模型，并在設(shè)計(jì)的軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高速大載荷軸承可靠性試驗(yàn)，從而得出準(zhǔn)確的壽命預(yù)估值。

1 高速大載荷軸承可靠性壽命模型

某裝置上安裝的軸承屬于承受回轉(zhuǎn)、交變應(yīng)力的軸承類產(chǎn)品，該類產(chǎn)品的使用壽命評(píng)估可參考型號(hào)產(chǎn)品壽命試驗(yàn)評(píng)估方法[1]。結(jié)合某裝置整體指標(biāo)要求，取軸承產(chǎn)品樣本數(shù)為2，預(yù)估使用壽命為500次，其使用壽命評(píng)估方法如下：

1)若試驗(yàn)到750次時(shí)，2套試樣均未發(fā)生關(guān)聯(lián)故障，則產(chǎn)品的使用壽命為

式中：K為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，可取1.5。

2)若試驗(yàn)到750次時(shí)，有1套試樣發(fā)生關(guān)聯(lián)故障，則產(chǎn)品的使用壽命為

式中：ti為第i套試樣發(fā)生關(guān)聯(lián)故障時(shí)的試驗(yàn)次數(shù)；K0為理論修正系數(shù)，通過(guò)查表選取。

3)若試驗(yàn)到750次時(shí)，2套試驗(yàn)件均發(fā)生關(guān)聯(lián)故障，則產(chǎn)品的使用壽命為

式中：K1為理論修正系數(shù)，通過(guò)查表選取。

試樣發(fā)生關(guān)聯(lián)故障的判斷依據(jù)為：

1)套圈滾道出現(xiàn)表面過(guò)量麻點(diǎn)或剝落，剝落面積在25 mm2以上；

2)套圈出現(xiàn)表面裂紋，裂紋長(zhǎng)度和深度擴(kuò)展趨勢(shì)明顯；

3)套圈滾道或滾動(dòng)體出現(xiàn)表面燒傷，燒傷面積在25 mm2以上；

4)套圈出現(xiàn)斷裂或有斷裂先兆；

5)套圈出現(xiàn)過(guò)量磨損，磨損量達(dá)到1 mm3以上；

6)套圈滾道或滾動(dòng)體出現(xiàn)塑性變形，變形量達(dá)到1 mm以上；

7)滾動(dòng)體壓碎或有壓碎破壞先兆；

8)保持架出現(xiàn)塑性變形；

9)軸承出現(xiàn)膠合現(xiàn)象。

2 高速大載荷軸承可靠性試驗(yàn)

2.1 試樣

試驗(yàn)軸承共3種，分別為φ600 mm×φ400 mm×90 mm圓柱滾子軸承，φ608 mm×φ400 mm×90 mm角接觸球軸承和φ440 mm×φ240 mm×120 mm圓柱滾子軸承，每種2套。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

由于高速大載荷軸承工況惡劣，國(guó)內(nèi)外軸承行業(yè)沒(méi)有符合要求的試驗(yàn)設(shè)備，故采用自主研發(fā)的能夠模擬高速大載荷軸承工況，并可開(kāi)展相關(guān)可靠性試驗(yàn)工作的專用試驗(yàn)設(shè)備。

軸承試驗(yàn)臺(tái)(圖1)整體方案為：由飛輪機(jī)組通過(guò)彈性單元按要求的載荷-時(shí)間加載曲線將載荷施加在被測(cè)軸承外圈，另一飛輪機(jī)組通過(guò)開(kāi)式齒輪增速機(jī)組驅(qū)動(dòng)外圈高速旋轉(zhuǎn)，加載及增速機(jī)組通過(guò)控制系統(tǒng)耦合作用于被測(cè)軸承。

1—飛輪1；2—鏈傳動(dòng)1；3—電磁離合器1；4—制動(dòng)器1；5—聯(lián)軸器1；6—減速器；7—聯(lián)軸器2；8—凸輪；9—從動(dòng)滾子； 10—彈性加載單元；11—齒輪增速機(jī)組；12—聯(lián)軸器3；13—制動(dòng)器2；14—鏈傳動(dòng)2；15—鏈傳動(dòng)3；16—電磁離合器2；17—飛輪2；18—鏈傳動(dòng)4；19—鏈傳動(dòng)5；20—鏈傳動(dòng)6；21—電動(dòng)機(jī)1；22—模擬輪(內(nèi)裝被測(cè)軸承)；23—加載半圈；24—電動(dòng)機(jī)2； 25—鏈傳動(dòng)7；26—加載滾子

在軸承加載軸系端，電動(dòng)機(jī)2將飛輪1加速到額定轉(zhuǎn)速；同時(shí)在軸承加速軸系端，電動(dòng)機(jī)1將飛輪2加速到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)兩飛輪都達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，制動(dòng)器1和2分別得電解除制動(dòng)，電磁離合器1和2分別得電吸合，飛輪2經(jīng)電磁離合器2帶動(dòng)齒輪增速機(jī)組使被測(cè)軸承加速旋轉(zhuǎn)，飛輪1經(jīng)電磁離合器1帶動(dòng)減速器和凸輪，凸輪推動(dòng)彈性加載單元為被測(cè)軸承加載。軸承加速、加載到既定值后，根據(jù)加載、加速曲線，電磁離合器1，2分別斷電脫開(kāi)，制動(dòng)器1，2分別斷電制動(dòng)使軸承停轉(zhuǎn)，凸輪正好旋轉(zhuǎn)一周，完成加速、加載周期。通過(guò)分別調(diào)整飛輪轉(zhuǎn)速、加載軸系及其電磁離合器、制動(dòng)器的得電、斷電時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)不同加載、加速曲線耦合。電磁離合器1，2及制動(dòng)器1，2并不是同時(shí)得電、斷電，而是按照一定的曲線要求分別由程序控制。

2.3 試驗(yàn)方法

先進(jìn)行跑合試驗(yàn)，然后進(jìn)行滿載滿速試驗(yàn)。

跑合試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速500 r/min,徑向載荷250 kN)時(shí)，每10次沖擊試驗(yàn)為一組，每組間隔15 min，共進(jìn)行5組。每次試驗(yàn)結(jié)束后用感應(yīng)式測(cè)溫計(jì)測(cè)量軸承外圈溫度，當(dāng)其不再劇烈波動(dòng)(判定標(biāo)準(zhǔn)為：相鄰2次試驗(yàn)之間軸承溫差穩(wěn)定在2 ℃以內(nèi),且一組10次試驗(yàn)中溫度最大值和最小值之差小于5 ℃)時(shí)，跑合試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行滿載滿速試驗(yàn)。

滿載滿速試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速1 000 r/min,徑向載荷500 kN)仍為每10次沖擊試驗(yàn)一組，每組試驗(yàn)間隔15 min。連續(xù)15組試驗(yàn)全部結(jié)束后對(duì)軸承進(jìn)行拆檢，確定其是否達(dá)到使用極限(軸承套圈、保持架斷裂或滾動(dòng)體被壓碎等)，若未到極限使用壽命，繼續(xù)下一個(gè)連續(xù)15組的試驗(yàn)，直至完成5個(gè)15組共750次的沖擊試驗(yàn)。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)溫度、轉(zhuǎn)速、加載力等相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)暫停試驗(yàn)，并對(duì)試樣進(jìn)行拆檢，若已達(dá)到其使用壽命，立即停止試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的耗損狀況和冷卻效果，擇機(jī)對(duì)其進(jìn)行必要的維修與更換。在750次試驗(yàn)過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)試樣發(fā)生故障或故障征兆，本階段試驗(yàn)即停止。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3種型號(hào)6套軸承分別均完成了80組共800次可靠性試驗(yàn)，其中跑合試驗(yàn)50次，滿載滿速試驗(yàn)750次。試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)6套軸承均在完成第100次、第200次、第350次、第550次、第700次和第800次可靠性試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了6次拆檢，拆檢結(jié)果表明軸承均未發(fā)生關(guān)聯(lián)性故障，3種型號(hào)軸承壽命均達(dá)到了預(yù)估水平(500次)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合某裝置高速大載荷軸承的實(shí)際工況和可靠性理論，建立了一種能夠?qū)ζ淇煽啃詨勖M(jìn)行評(píng)估的計(jì)算模型，通過(guò)運(yùn)用凸輪蓄能原理，采用適用于高速大載荷工況的軸承可靠性壽命專用試驗(yàn)臺(tái)， 制定出一套有效、可行的可靠性試驗(yàn)方法，對(duì)高速大載荷軸承壽命進(jìn)行了科學(xué)的預(yù)估，經(jīng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證了該預(yù)估使用壽命方法的正確性。