1前言

隨著科技進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備朝著高速、重載、高精度方向發(fā)展，對(duì)軸承性能提出了更高要求。陶瓷軸承憑借高硬度、低密度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及耐高溫等特性，在航空航天、汽車制造、高端裝備等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)械載荷復(fù)雜多變，陶瓷軸承易出現(xiàn)磨損問題，導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)，維護(hù)成本增加。深入探究其磨損機(jī)理，構(gòu)建精準(zhǔn)壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)軸承使用壽命、提高工業(yè)生產(chǎn)效率具有迫切且重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2機(jī)械載荷下陶瓷軸承磨損機(jī)理分析

2.1磨損行為與失效模式

在機(jī)械載荷的持續(xù)作用下，陶瓷軸承呈現(xiàn)出多種典型的失效形式，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行與使用壽命，以下從表面剝落、裂紋擴(kuò)展、材料轉(zhuǎn)移三個(gè)方面詳細(xì)闡述。

表面剝落是陶瓷軸承較為常見的失效形式之一。當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，承受過高的接觸應(yīng)力，在接觸區(qū)域便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在高應(yīng)力集中狀態(tài)下，陶瓷材料局部強(qiáng)度難以承受，進(jìn)而引發(fā)塑性變形。隨著時(shí)間推移，塑性變形不斷累積，表面材料內(nèi)部形成微裂紋。這些微裂紋逐步擴(kuò)展、連接，最終導(dǎo)致表面材料以小塊狀剝落。例如，在高速旋轉(zhuǎn)且重載的工況中，頻繁的啟動(dòng)與停止會(huì)使接觸應(yīng)力反復(fù)變化，加劇應(yīng)力集中，極大地提高表面剝落發(fā)生的概率，致使軸承表面完整性遭到破壞，影響其精度與穩(wěn)定性。

裂紋擴(kuò)展同樣是重要的失效形式。陶瓷材料內(nèi)部不可避免地存在缺陷，如氣孔、夾雜等，同時(shí)在加工過程中也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在機(jī)械載荷的循環(huán)作用下，這些初始微小裂紋成為裂紋擴(kuò)展的源頭。裂紋的擴(kuò)展行為與載荷的幅值和頻率緊密相關(guān)。高幅值載荷會(huì)顯著增大應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，為裂紋擴(kuò)展提供強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，促使裂紋快速擴(kuò)展。而高頻載荷使得材料在短時(shí)間內(nèi)承受多次循環(huán)加載，加速裂紋的萌生與擴(kuò)展進(jìn)程。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷軸承中，高溫、高轉(zhuǎn)速以及高載荷的極端運(yùn)行條件下，裂紋擴(kuò)展引發(fā)失效的風(fēng)險(xiǎn)尤為顯著，一旦裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸，軸承將迅速失效，嚴(yán)重危及設(shè)備安全運(yùn)行。

材料轉(zhuǎn)移也是一種失效形式。在陶瓷軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，摩擦作用促使一部分陶瓷材料在軸承表面與接觸部件之間相互轉(zhuǎn)移，這構(gòu)成了一種獨(dú)特的失效形式。這種材料轉(zhuǎn)移會(huì)對(duì)軸承表面特性產(chǎn)生深刻影響。從表面粗糙度角度看，材料的轉(zhuǎn)移改變了原本光滑的表面形貌，導(dǎo)致粗糙度增加。而從化學(xué)成分方面來看，轉(zhuǎn)移的材料會(huì)改變軸承表面的化學(xué)組成。在材料轉(zhuǎn)移過程中，磨損系數(shù)受到表面粗糙度和化學(xué)反應(yīng)性等因素影響而發(fā)生變化。材料轉(zhuǎn)移致使軸承表面粗糙度與化學(xué)成分改變，進(jìn)而惡化其摩擦性能，增加摩擦系數(shù)，加劇磨損程度，最終嚴(yán)重縮短軸承的使用壽命。

載荷參數(shù)對(duì)磨損演化有著至關(guān)重要的影響。載荷幅值的增加會(huì)直接增大接觸應(yīng)力，使得陶瓷材料更容易發(fā)生塑性變形和疲勞損傷，從而加快磨損速率。當(dāng)載荷幅值超過一定閾值時(shí)，磨損率可能會(huì)急劇上升。載荷頻率的變化也會(huì)對(duì)磨損產(chǎn)生影響。較高的頻率會(huì)使材料在短時(shí)間內(nèi)承受多次循環(huán)載荷，加速疲旁裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致磨損加劇。接觸應(yīng)力的分布不均會(huì)造成軸承局部磨損嚴(yán)重，如在軸承的邊緣區(qū)域，接觸應(yīng)力集中，往往是磨損的高發(fā)部位。

2.2多尺度磨損機(jī)理

從微觀層面來看，陶瓷材料的磨損涉及到復(fù)雜的機(jī)制。位錯(cuò)滑移是其中之一，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)發(fā)生移動(dòng)。在機(jī)械載荷下，位錯(cuò)的滑移會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的強(qiáng)度和硬度。隨著位錯(cuò)的不斷滑移和聚集，可能會(huì)引發(fā)晶界的斷裂。晶界是陶瓷材料中較為薄弱的區(qū)域，晶界斷裂會(huì)產(chǎn)生微小的磨屑。這些磨屑在后續(xù)的摩擦過程中，又會(huì)作為磨粒進(jìn)一步加劇材料的磨損。

在宏觀層面，摩擦副接觸區(qū)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)與磨損率密切相關(guān)。摩擦生熱會(huì)使接觸區(qū)域的溫度升高，高溫會(huì)降低陶瓷材料的強(qiáng)度，使其更容易發(fā)生磨損。同時(shí)，溫度的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)一步加劇材料的損傷。應(yīng)力場(chǎng)的分布決定了材料所承受的載荷大小和分布情況，高應(yīng)力區(qū)域容易發(fā)生塑性變形和疲勞損傷，從而導(dǎo)致磨損率增加。

環(huán)境因素在陶瓷軸承的磨損過程中也起著協(xié)同作用。潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)磨損有著顯著影響，良好的潤(rùn)滑可以減少摩擦系數(shù)，降低磨損率。而潤(rùn)滑不良則會(huì)使陶瓷軸承直接接觸，加劇磨損。溫度的變化會(huì)影響陶瓷材料的性能，高溫可能導(dǎo)致材料軟化，低溫則可能使其變脆，都不利于軸承的耐磨性能。腐蝕介質(zhì)的存在會(huì)使陶瓷材料發(fā)生化學(xué)腐蝕，削弱材料的強(qiáng)度，與機(jī)械磨損相互作用，加速軸承的失效。

3壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

3.1理論模型基礎(chǔ)

構(gòu)建陶瓷軸承壽命預(yù)測(cè)模型時(shí)，可先將接觸力學(xué)理論作為基石。Hertz接觸理論描述了兩彈性體接觸時(shí)的應(yīng)力分布，為確定軸承接觸區(qū)應(yīng)力提供依據(jù)。材料疲勞損傷理論中，Miner線性累積法則假設(shè)疲勞損傷可線性累加，依此能計(jì)算循環(huán)載荷下材料損傷程度。斷裂力學(xué)理論則針對(duì)陶瓷材料裂紋擴(kuò)展行為，Paris公式可量化裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子間關(guān)系。這些理論相互結(jié)合，為壽命預(yù)測(cè)模型搭建起理論架構(gòu)4。

3.2磨損-疲勞耦合模型

在構(gòu)建陶瓷軸承壽命預(yù)測(cè)模型時(shí)，要充分考量其實(shí)際工況，將磨損與疲勞這兩種損傷機(jī)制有機(jī)耦合。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，陶瓷軸承所處工況極為復(fù)雜，機(jī)械載荷頻繁波動(dòng)，工作溫度也會(huì)出現(xiàn)變化。

從磨損角度來看，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加，軸承表面因摩擦等作用而產(chǎn)生磨損。依據(jù)Archard磨損定律，磨損深度 h 的計(jì)算式為 ，其中 k 為磨損系數(shù)，與材料特性、潤(rùn)滑條件相關(guān)；F是作用在接觸面上的法向載荷；L為滑動(dòng)距離；H為材料硬度。當(dāng)磨損發(fā)生時(shí)，軸承表面粗糙度改變，原本均勻分布的接觸應(yīng)力會(huì)重新分配。依據(jù)接觸力學(xué)原理，表面粗糙度的變化會(huì)影響接觸面積A，進(jìn)而影響接觸應(yīng)力 。 粗糙度增加時(shí)，實(shí)際接觸面積減小，接觸應(yīng)力增大，加速疲勞損傷。

疲勞損傷對(duì)磨損進(jìn)程也有顯著影響。疲勞裂紋一旦擴(kuò)展，會(huì)改變材料表面形態(tài)。Paris公式描述了疲勞裂紋擴(kuò)展速率da 這里 是每循環(huán)裂紋擴(kuò)展量，C，m 是材料常數(shù)， 為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，與載荷及裂紋幾何形狀有關(guān)。隨著裂紋擴(kuò)展，材料表面出現(xiàn)剝落、坑洼等缺陷，這些缺陷在后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)充當(dāng)磨粒，改變磨損路徑，影響磨損系數(shù)K，使磨損過程更為復(fù)雜。

為量化磨損與疲勞的相互作用，可引入關(guān)聯(lián)方程。例如，將Archard磨損定律中的磨損深度 h 與Paris公式中的裂紋擴(kuò)展速率 關(guān)聯(lián)起來。假設(shè)磨損深度與裂紋擴(kuò)展速率存在函數(shù)關(guān)系 da）=0，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合等方式確定該函數(shù)具體形式。在機(jī)械載荷下，隨著時(shí)間推移，磨損深度增加，依據(jù)關(guān)聯(lián)方程，會(huì)促使疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快；反之，疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的表面形態(tài)變化，也會(huì)依據(jù)函數(shù)關(guān)系，反饋到磨損深度的變化上，兩者協(xié)同致使軸承性能持續(xù)退化。這樣構(gòu)建的磨損－疲勞耦合模型，能更精準(zhǔn)地模擬陶瓷軸承在實(shí)際工況下的性能演變，為壽命預(yù)測(cè)提供更可靠依據(jù)。

3.3模型參數(shù)標(biāo)定與驗(yàn)證

為使構(gòu)建的模型具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，需對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。以下篩選出陶瓷材料硬度、斷裂韌性以及摩擦系數(shù)等對(duì)模型精度起關(guān)鍵作用的參數(shù)。

測(cè)定陶瓷材料硬度H時(shí)，常用布氏硬度測(cè)試法。其原理是將直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭，以規(guī)定試驗(yàn)力F壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕直徑d。依據(jù)布氏硬度計(jì)算公式 ，可得出材料的布氏硬度值。

斷裂韌性的測(cè)定多采用單邊切口梁法。對(duì)于矩形截面的陶瓷試樣，其斷裂韌性 計(jì)算公式為 ，其中 為試樣斷裂時(shí)承受的最大載荷，S為跨距，B為試樣寬度，W為試樣高度，a為預(yù)制裂紋長(zhǎng)度， 是與裂紋相對(duì)長(zhǎng)度有關(guān)的函數(shù)。

摩擦系數(shù) μ 通過摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在常見的球－盤摩擦實(shí)驗(yàn)裝置中，盤狀試樣固定，球狀試樣在其表面做往復(fù)滑動(dòng)。依據(jù)摩擦力 與法向載荷 關(guān)系 u=fF計(jì)算摩擦系數(shù)（相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1）。

獲取上述參數(shù)后，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。在加速壽命試驗(yàn)中，通過提高載荷、溫度等應(yīng)力水平縮短試驗(yàn)周期。假設(shè)以提高 30% 的載荷作為加速應(yīng)力對(duì)一批陶瓷軸承進(jìn)行試驗(yàn)。模型預(yù)測(cè)某型號(hào)陶瓷軸承在該加速應(yīng)力下的壽命為 ，而實(shí)際加速壽命試驗(yàn)測(cè)得的壽命為 。采用相對(duì)誤差公式 Δ= ，計(jì)算兩者偏差，可得 500-480{480}＼times$ 100%≈4.2% 。一般工程應(yīng)用中，設(shè)定可接受誤差范圍為 ±10% ，本次模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差在可接受范圍內(nèi)，表明模型具有一定合理性。若偏差超出此范圍，則需對(duì)模型參數(shù)重新優(yōu)化調(diào)整，或?qū)δＰ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，直至模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，保障模型對(duì)陶瓷軸承壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

總之，本文系統(tǒng)研究了機(jī)械載荷下陶瓷軸承的磨損機(jī)理，構(gòu)建并驗(yàn)證了壽命預(yù)測(cè)模型。明確了多種失效模式及多尺度磨損機(jī)制，載荷參數(shù)、微觀位錯(cuò)滑移、宏觀應(yīng)力溫度場(chǎng)及環(huán)境因素協(xié)同影響磨損進(jìn)程。所建耦合模型能較好模擬實(shí)際工況下軸承性能演變，經(jīng)參數(shù)標(biāo)定與驗(yàn)證，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在可接受范圍，具備一定工程應(yīng)用價(jià)值。然而，實(shí)際工況更為復(fù)雜，多場(chǎng)耦合、隨機(jī)載荷等因素對(duì)模型精度的影響尚需深人研究。未來，可結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化模型，提升其對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，推動(dòng)陶瓷軸承在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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