英语原文共 18 页
滚动轴承诊断的滚动接触疲劳和磨损基础
摘要：滚动轴承的运行不仅受摩擦、磨损和润滑机理的影响，也受流体动力学、润滑剂流变学、材料特性以及接触力学的影响。 由于塑性变形、滚动接触磨损和滚动接触疲劳，从而发生的滚动表面的变化， 会形成磨损颗粒并将其混合到润滑剂中。 传感器可以监测由于表面退化从而引起的振动水平的增加。 滚动轴承运行过程中的滚动接触磨损和滚动接触疲劳可以通过将状态监测数据与理论相结合来诊断，并且得出的结论可以支持对轴承剩余寿命的连续预测。 在目前的工作中，概述了轴承诊断和摩擦学机制之间的联系。
关键词：滚动轴承，磨损，滚动接触疲劳，状态监测，诊断
- 介绍
滚动轴承对工业化世界有很大的影响。 轴承寿命理论是在一个多世纪以前开发的，从1896年Stribeck对滚动轴承的测试开始，随后是Goodman在1912年的工作[1,2]。 Palmgren在1924年引入了疲劳极限概念[3]。 1939年，威布尔将他的材料强度统计理论作为分析生命分散的数学工具[4]。 在1947-1952年间，Lund-berg和Palmgren [5,6]发表了他们的滚动轴承寿命理论，它被用作滚动轴承基本额定寿命的公式，以百万转为单位，或者
其中C是轴承的基本额定动载荷，P是等效轴承载荷，pis是指数，球轴承的值为p = 3，滚子轴承的压差为p = 10/3 [1,7,8]。 L10值*通讯作者：芬兰VTT技术研究中心，P。 O. Box 1000，MK6，FIN-02044 VTT（Espoo），Finland.email：jari.halme @ vtt.fi表示在第一次操作前的条件下，预计90％的轴承数量将会产生数百万转的转数。 任何热轧表面疲劳坑形成的发生率[9]。
现在，滚动轴承的使用寿命通常不是通过计算基本额定寿命来估算，而是通过使用公式计算修改额定寿命Lnm [9]来估算。
Lnm =a1times;aISO times;L10
其中a1是可靠性的修正因子，而不是90％，而代表的参数包括载荷，速度，油粘度，材料疲劳极限以及油中污染颗粒的含量。 从Froma统计的角度来看，在达到Lnm极限之前，可以在10％的轴承数量（a1 = 1）中启动故障。 实际上不可能准确预测特定轴承中的失效。 对于在达到计算的转数之前发生的疲劳损坏，轴承诊断是一种强大的工具，可以避免不必要的轴承故障后果。 此外，如果磨损变得磨损而不是滚动接触疲劳，则不能在统计学基础上数学预测寿命。
- 滚动接触力学
2.1装载弹性固体
当两个几何形状不相符的固体接触时，初始接触是一个点或一条线，可以用赫兹接触理论进行分析[10]。 正常载荷下的接触压力会在接触面下产生主应力和剪切应力（图1）。
接触力学的三个特征可以在图1中看到。首先，在正常静载荷下，主要或最大剪切角度 在正常压力的中间，应力为plusmn;45°（然而，在滚动和滑动接触中，切向力影响主剪切应力的角度）。 其次，在Hertzian接触压力下，剪切应力在0.48a深度处达到其表面以下的最大值，最大剪切应力值为0.31times;p0。第三，在ceThird的表面（z = 0），在接触中心的表面（z = 0）（r = 0），径向应力sigma;ris0.8times;p0 [11,12]。接触（ r = 0），径向应力sigma;ris0.8times;p0 [11,12]。第三，在接触中心的表面（z = 0）（r = 0），径向应力sigma;r为0.8times;p0 [11,12]。
2.2非赫兹弹性在滚动/滑动状态下的正常接触
当滚动表面在一个方向上被压缩时，其材料倾向于根据胡克定律和泊松比在横向方向上膨胀，并且这在滚动表面的后缘处产生切向力和接触表面之间的局部滑动[10,13]。
在深沟球轴承中，滚道几何形状为半符合槽，接触区域为椭圆形，有三个滑移区（见图2），一个中心区域。在球的旋转方向上有一个微滑动，两个外部区域在相反方向上有一个微滑动[10]。 类似地，微滑区出现在球面滚子轴承，而不是圆柱滚子轴承
图1.作用于半径为a的圆形点接触面的抛物线赫兹接触压力（上图）。 弹性赫兹接触压力下恒定主剪应力（tau;1）和主要应力轨迹（sigma;1，sigma;2）方向（中间左图）和沿着对称轴的亚表面应力分布（中间右图）的轮廓 钢中nu;= 0.3 [10,11]，主应力面位于A点和B点（下图）
图2.深沟球轴承中的微滑区，赫兹接触压力p（x，y）和球在飞机上平面滚动时的平面q（x，y） 在摩擦系数mu;下，没有任何液体润滑剂的影响
2.3理想和真实的表面
由于表面制造和先前的操作，真实体具有形状误差，表面波纹和表面粗糙度。 在滚动和滚道之间的接触中，实际接触面积小于明显接触面积，真实接触面积的边界可能超出理论面积（见图3）[10,14]。
图3理想光滑弹性球与理想光滑（虚线和接触半径）和表面随机粗糙（实线和接触半径）的接触，以及各自自的正常压力[10]
2.4滚动接触周围结构的动态冲击和振动
滚动接触包括从表面粗糙度和污染物颗粒动态变化的应力场。从任何动态应力点开始的波浪运动都会传播为压力波和剪切波的球面[10,15]。压力波和剪切波与自由表面的相互作用产生瑞利波，这是一个表面波。在滚动接触中，疲劳裂纹形成和污染物颗粒破碎引入高频振动。图[4]显示了高频振动波传播的原理。在波阵面的进展过程中，它们的能量几乎是恒定的，除了次要的振动。由于滞后。在滚动接触中，瑞利表面波在材料表面上占主导地位并且在环形上扩展。部分波浪通过与轴承壳体的界面传播，部分能量反射回轴承[16]。在响应特性方面，在极小持续时间内的理论脉冲包含所有频率的等能量，并且线性系统是它的冲动反应完全具体[17,18]。在机械系统中，如滚动轴承，在撞击频率以下，撞击会激发系统的所有标称振动频率，并且随着系统内更高频率的二次激励的顺序发生。振动的大部分能量与结构的标称频率相关联，并且位移幅度在较低频率处最高。通常利用适当的振动加速度传感器和具有声发射（AE）传感器的传播波阵面来测量持续频率。第6章讨论了这些问题的分析。
图4裂纹萌生产生和传播高频脉冲。 中心的插图表示材料及其表面上的声波类型
3滚动轴承润滑
3.1润滑制度
在滑动或滚动接触处将液体捕获到会聚间隙中产生流体动力压力和润滑剂膜以分离接触表面并降低接触压力。 油膜厚度与接触面上的组合表面粗糙度之比或lambda;（lambda;）值决定了润滑机理及其效果[19-22]。 润滑机制和Stribeck曲线的概述如图[5]所示[2,22,23]。 由于操作，磨合或磨损的原因，可能会发生从一种润滑机制到另一种润滑机制的过渡[20,24,25].
图5 Stribeck曲线[2]的示意图及其与润滑状态的关系，振动响应和磨损机理示意图; 顶部：振动响应描述和示意图，其中虚线表示旋转振动（例如不平衡，弯曲）轴和不对中）和实线表示瞬态振动（例如冲击和压力波）; 中：磨损机理原理图; 底部：Stribeck曲线与系数
摩擦mu;，速度v，粘度eta;和载荷P.
3.2边界润滑
如果流体动力作用太弱而无法将接触面彼此分开（lambda;lt;1），并且表面仅被油润湿，则载荷主要由固 - 固接触和边界膜表面粗糙[14]承载[14]，23,26,27]。 边界润滑依赖于润滑剂和表面化学以及环境大气，边界膜的形成速率和它们的机械性能[14]。 由于固 - 固接触条件，摩擦化学或机械磨损会引起一些磨损[27]。 在滚动轴承中，边界润滑可以在微滑动区域和轴向加载的滚子的端面处局部发生。 边界润滑的触点没有任何阻尼效果，边界润滑的触点可以充当振动源。
3.3混合润滑
混合润滑的特点是边界润滑条件，作为弹性流体动力学（EHD）或流体动力润滑的一部分[28]。 在混合润滑中，接触的固 - 固比例可以通过类似固体或类似粘性的边界膜润滑[22]。
3.4 EHD润滑
EHD润滑（EHL）是指基于雷诺兹流体动力学油压积累方程的润滑条件[24]，以及低几何形状接触面的弹性变形和接触高压下油粘度增加的组合。 滚动接触中的滑动 - 滚动比会影响油膜的形成[29,30]。 EHL的条件是承担寿命计算的基本假设[9,20,23,24,31]。在EHL方案中，油膜厚度略高于热轧元件和滚道的组合表面粗糙度，或lambda;gt; 1。 实践中，接触表面纹理的细节和接触的运动学可能导致适当的EHD润滑的lambda;值要求的大变化[20,29]。 使用公式[24]可以计算出最小油膜厚度的粘性弹性EHD条件。
h=3.63 times;U0.68 times;G0.49 times;W-0.073 times;(1-e-0.68k)
其中U是无量纲速度参数（粘度 - 速度/弹性模量times;半径），G是无量纲材料参数（弹性模量times;压力 - 粘度系数），W是无粘性负载参数（载荷/弹性模量） times;半径），k是接合面区域的椭圆度参数。 从公式（1）可以看出，EHD润滑条件下的油膜厚度仅略微取决于载荷和弹性模量，而速度和油粘度具有很强的效果[24,32]。
微弹性流体动力润滑 表示与无应力表面计算的标称lambda;值相比，原始表面粗糙度的弹性平滑和EHD润滑条件的改进[20]。
滚动元件从通道中喷出一些油，并且由于离心作用，一些油被损失。如果滚动元件和滚道之间的后续接触事件之间的时间太短，以确保充分补充润滑剂以支持完全形成的EHD薄膜形成[20,23,33,34]，则滚动轴承会出现饥饿现象。在不利的情况下，碎片颗粒会在EHD接触的入口区聚集并导致进油堵塞和饥饿[35]。随着饥饿程度的增加，EHD接触出口区的压力峰值（图6） ）在较大的接触面上，薄膜变得更小，薄膜越来越薄[23]，承载油压的面积变小，承载能力降低[24]。在润滑脂润滑的滚动轴承中，在新润滑的轴承中可以发生完全晃动的条件，而在短时间内轴承通常运行不足的情况[19,36]
在EHL或mu;-EHL条件下的操作导致许多动态应力场元素，其作为弱振动源。 薄油在轧制轴承中仅具有弱阻尼特性。 饥饿减少了油膜厚度，从而增加了应力和振动水平。
图6接触压力和薄膜厚度分布[23]
3.5流体动力润滑
在流体动力润滑中，滑动表面通过流体薄膜完全分离，与表面粗糙度和厚度相比，厚度比EHD润滑条件厚。 在滚动轴承中，流体动力润滑发生在滚动元件和它们的保持架之间，以及滚子端部和轴承座圈之间的轴向加载滚子的滚子轴承之间。 流体动力润滑的摩擦系统中的厚油膜提供了动态载荷的显着程度的阻尼。
3.6受污染的润滑剂的影响。
被坚硬、尖锐颗粒污染的润滑剂会导致磨损接触条件类似于（或者更严重）边界润滑接触的那些。每个比油膜厚度大的颗粒可以形成接触点，其传递部分负载并被包围 当地的一个领域。 众所周知，被固体颗粒污染的润滑剂会在水动力润滑的厚膜触点[37]和HEL触点[38-40]中引起磨损。 润滑油清洁度数据已作为滚动轴承寿命计算的参数[9]。
4.滚动轴承的磨损机理和表面质量
几种磨损机制[41]可以在滚动轴承中起作用。 另外，表面纹理可以通过塑性变形来改变
4.1 疲劳磨损
疲劳磨损可能发生在动态载荷的表面上。 在弹性接触下，疲劳过程通常需要大量的循环，而在塑料接触时，可以预期低周疲劳机制[42]。
4.2滚动接触疲劳
动态接触条件，以及可能的应力和环向应力，以及由局部粗糙或污染物颗粒接触强化，导致局部表面和次表面剪切应力场，塑性变形和位错，并最终导致微观结构中的缺陷或夹杂物的滚动接触疲劳裂纹的成核。初始疲劳裂纹通常倾向于表面[23,43]。疲劳裂纹的交叉导致凹坑形成和磨损。滚动接触疲劳过程通常通过表面粗糙化，动态载荷和承载区域的减小来自我传播。位错和裂缝的形成，以及随后的断裂面之间的相对运动，引起AE的振动。滚动轴承的寿命，就滚动疲劳而言，可以从轴承设计的统计基础上估算，载荷，速度和润滑条件[1,7,9,23,24]。目前的计算程序没有考虑不受控制的因素，如电流，润滑油中的水和滚动表面的氢脆，轴承的三化学磨损或腐蚀，运行期间的静止振动或静止，间歇性运行的影响[9]在滚子轴承中，滚子轴承及其压力分布会影响轴承的使用寿命[9,47]。考虑到滚动接触中的整体应力状况的压力寿命方法近年来已经发展[1]。
在不太严重的滚动接触条件下，微点蚀可能会发生主要的表面恶化效应[43]。低于疲劳裂纹形成的阈值，滚动接触的表面变化限制为通过温和的塑性变形或微磨损进行的辊磨。
4.3粘合剂磨损
在润滑不良的情况下，滚动轴承可能在滚子端部和微滑动区域中遭受粘合剂磨损。 在这些滑动接触中，由于摩擦加热，可能形成表面粗糙之间的强粘合连接，并且可能发生粘合剂磨损[14,42]。
4.4磨料磨损
坚硬的硬颗粒会导致局部应力峰值并缩短轴承的寿命[35,38,39,48,49]。即使是小于平均薄膜厚度的颗粒也可能导致磨损。 此外，磨料磨损可以在粗糙表面之间的接触中发生，例如在滚动元件和它们的保持架之间的微磨损（或滑动微疲劳）。 EHD或混合润滑接触中的附加固 - 固接触点形成局部应力上升[1]，其在动态加
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
