在含雜質(zhì)污染的潤(rùn)滑條件下評(píng)估軸承性能的實(shí)驗(yàn)和分析方法
2009-09-23 來(lái)源：鐵姆肯公司
摘要：潤(rùn)滑劑中的雜質(zhì)污染是軸承和齒輪過(guò)早失效的主要原因，并由此導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)修理、擔(dān)保索賠和生產(chǎn)損失費(fèi)用的增加。為了幫助設(shè)計(jì)工程師們分析和開(kāi)發(fā)出對(duì)這類污染較為不敏感的設(shè)備，己經(jīng)建立了各種不同的實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)的方法。
本文提供了潤(rùn)滑劑中雜質(zhì)污染的一個(gè)概述。本文還提供了關(guān)于不同圓錐滾子軸承在雜質(zhì)污染的操作條件下壽命試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)分析方法比較的Z新數(shù)據(jù)。作為基準(zhǔn)，對(duì)在這些領(lǐng)域先前所做的研究作了概要的總結(jié)并已被引用。近來(lái)的研究改進(jìn)了那種分析方法（使用一種表面特征方法），使得這種方法與雜質(zhì)條件下軸承試驗(yàn)壽命相關(guān)聯(lián)，并指出要如何對(duì)軸承本身進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造改良。這在設(shè)計(jì)中已產(chǎn)生了效果，使雜質(zhì)污染環(huán)境下的軸承壽命得到了改善。
前言：關(guān)于雜質(zhì)污染對(duì)軸承性能的主要有害影響，已經(jīng)發(fā)表了眾多文獻(xiàn)［8，11］，而對(duì)于可使軸承性能Z佳化的制造工藝、材料及其冶煉方法，也已提出了許多理論。本文將不同軸承產(chǎn)品的某些實(shí)驗(yàn)性能結(jié)果與用作預(yù)測(cè)和評(píng)估這一性能的分析方法做出切實(shí)的比較，并對(duì)當(dāng)前關(guān)于雜質(zhì)污染對(duì)軸承壽命的影響量化方法進(jìn)行了初步陳述。
這些方法中大多數(shù)都基于確定潤(rùn)滑劑中的雜質(zhì)含量的技術(shù)，而非滾動(dòng)接觸表面所承受的損害程度。其推理在于：當(dāng)知道了潤(rùn)滑劑系統(tǒng)的污染含量時(shí)，就可了解到對(duì)系統(tǒng)部件的損害等級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，已得出部分結(jié)果，將潤(rùn)滑劑分析方法直接與壽命預(yù)測(cè)相聯(lián)系。因此，一種采用直接的、表面特征的新的壽命預(yù)測(cè)模型也被提出，并討論了它與壽命試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系。該模型是先前的方法［12，13］的延伸，它將應(yīng)力為基礎(chǔ)的分析方法與雜質(zhì)壓痕表面制圖方法聯(lián)系起來(lái)，目的在于更加精確地獲取在特定雜質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)的實(shí)際的雜質(zhì)損害。
污染特征
當(dāng)前，設(shè)備設(shè)計(jì)工程師們有許多污染潤(rùn)滑劑分析工具，這可幫助他們?cè)u(píng)估雜質(zhì)對(duì)機(jī)械磨損的有害影響。這些工具采用多種方法， 包括鐵粉記錄儀方法［1］、重力過(guò)濾方法［2］、原子吸收光譜儀［3］、和SEM（EDAX）光譜分析法，來(lái)監(jiān)控性能的總體損失和分析磨損顆粒和污染。這些方法的目的都在于了解材料的成分和潤(rùn)滑劑污染的特性。
另外，顆粒尺寸和計(jì)量技術(shù)都可用于確定顆粒尺寸分布及其濃度等級(jí)。這些技術(shù)應(yīng)用手動(dòng)的顯微鏡方法與可用于自動(dòng)直接計(jì)量的光散射法［5］，這里提到的大多數(shù)分析手段都可用于監(jiān)控，并了解設(shè)備失效的演變進(jìn)程以及潤(rùn)滑劑污染的等級(jí)，以便進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防維護(hù)。
ISO 4406 額定值方法通常用于確定污染等級(jí)。許多工程師采用這一額定值方法，并將它與性能預(yù)測(cè)直接聯(lián)系起來(lái)。雖然上述技術(shù)和方法幫助了解磨損機(jī)理和磨損速率，但他們不能有效幫助評(píng)估雜質(zhì)損害對(duì)成品齒輪和軸承表面的影響，這些影響涉及到材料的疲勞壽命。
表面特征方法
為了評(píng)定被雜質(zhì)污染的潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)表面的有害影響，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種使用表面損害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel 在資料［6］中描述了這一方法。它提供了一種確定污染影響的實(shí)際可行的方法，并命名為“雜質(zhì)特征分析”。
污染潤(rùn)滑劑的分析
以下實(shí)地研究就是這種分析方法優(yōu)勢(shì)的一種實(shí)例，即這種表面特征方法可以使用于評(píng)估設(shè)備系統(tǒng)。與設(shè)備制造廠合作，將其裝置配合樣品潤(rùn)滑系統(tǒng)一起進(jìn)行一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
確定顆粒尺寸分布和濃度等級(jí)用的標(biāo)準(zhǔn)方法，可在實(shí)際的用戶應(yīng)用領(lǐng)域中，用于監(jiān)控其污染等級(jí)。在長(zhǎng)期使用后，軸承從這些現(xiàn)場(chǎng)裝置中拆卸下來(lái)。采用外觀檢查和表面特征方法，其軸承表面被雜質(zhì)損害的情況隨即能被檢驗(yàn)出來(lái)，其損害等級(jí)也可量化。表 1顯示了在使用中產(chǎn)生的典型的顆粒尺寸分布以及濃度。圖1顯示了使用了相同一段時(shí)間后的軸承受力表面的典型特征。
本文提供了潤(rùn)滑劑中雜質(zhì)污染的一個(gè)概述。本文還提供了關(guān)于不同圓錐滾子軸承在雜質(zhì)污染的操作條件下壽命試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)分析方法比較的Z新數(shù)據(jù)。作為基準(zhǔn)，對(duì)在這些領(lǐng)域先前所做的研究作了概要的總結(jié)并已被引用。近來(lái)的研究改進(jìn)了那種分析方法（使用一種表面特征方法），使得這種方法與雜質(zhì)條件下軸承試驗(yàn)壽命相關(guān)聯(lián)，并指出要如何對(duì)軸承本身進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造改良。這在設(shè)計(jì)中已產(chǎn)生了效果，使雜質(zhì)污染環(huán)境下的軸承壽命得到了改善。
前言：關(guān)于雜質(zhì)污染對(duì)軸承性能的主要有害影響，已經(jīng)發(fā)表了眾多文獻(xiàn)［8，11］，而對(duì)于可使軸承性能Z佳化的制造工藝、材料及其冶煉方法，也已提出了許多理論。本文將不同軸承產(chǎn)品的某些實(shí)驗(yàn)性能結(jié)果與用作預(yù)測(cè)和評(píng)估這一性能的分析方法做出切實(shí)的比較，并對(duì)當(dāng)前關(guān)于雜質(zhì)污染對(duì)軸承壽命的影響量化方法進(jìn)行了初步陳述。
這些方法中大多數(shù)都基于確定潤(rùn)滑劑中的雜質(zhì)含量的技術(shù)，而非滾動(dòng)接觸表面所承受的損害程度。其推理在于：當(dāng)知道了潤(rùn)滑劑系統(tǒng)的污染含量時(shí)，就可了解到對(duì)系統(tǒng)部件的損害等級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，已得出部分結(jié)果，將潤(rùn)滑劑分析方法直接與壽命預(yù)測(cè)相聯(lián)系。因此，一種采用直接的、表面特征的新的壽命預(yù)測(cè)模型也被提出，并討論了它與壽命試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系。該模型是先前的方法［12，13］的延伸，它將應(yīng)力為基礎(chǔ)的分析方法與雜質(zhì)壓痕表面制圖方法聯(lián)系起來(lái)，目的在于更加精確地獲取在特定雜質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)的實(shí)際的雜質(zhì)損害。
污染特征
當(dāng)前，設(shè)備設(shè)計(jì)工程師們有許多污染潤(rùn)滑劑分析工具，這可幫助他們?cè)u(píng)估雜質(zhì)對(duì)機(jī)械磨損的有害影響。這些工具采用多種方法， 包括鐵粉記錄儀方法［1］、重力過(guò)濾方法［2］、原子吸收光譜儀［3］、和SEM（EDAX）光譜分析法，來(lái)監(jiān)控性能的總體損失和分析磨損顆粒和污染。這些方法的目的都在于了解材料的成分和潤(rùn)滑劑污染的特性。
另外，顆粒尺寸和計(jì)量技術(shù)都可用于確定顆粒尺寸分布及其濃度等級(jí)。這些技術(shù)應(yīng)用手動(dòng)的顯微鏡方法與可用于自動(dòng)直接計(jì)量的光散射法［5］，這里提到的大多數(shù)分析手段都可用于監(jiān)控，并了解設(shè)備失效的演變進(jìn)程以及潤(rùn)滑劑污染的等級(jí)，以便進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防維護(hù)。
ISO 4406 額定值方法通常用于確定污染等級(jí)。許多工程師采用這一額定值方法，并將它與性能預(yù)測(cè)直接聯(lián)系起來(lái)。雖然上述技術(shù)和方法幫助了解磨損機(jī)理和磨損速率，但他們不能有效幫助評(píng)估雜質(zhì)損害對(duì)成品齒輪和軸承表面的影響，這些影響涉及到材料的疲勞壽命。
表面特征方法
為了評(píng)定被雜質(zhì)污染的潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)表面的有害影響，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種使用表面損害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel 在資料［6］中描述了這一方法。它提供了一種確定污染影響的實(shí)際可行的方法，并命名為“雜質(zhì)特征分析”。
污染潤(rùn)滑劑的分析
以下實(shí)地研究就是這種分析方法優(yōu)勢(shì)的一種實(shí)例，即這種表面特征方法可以使用于評(píng)估設(shè)備系統(tǒng)。與設(shè)備制造廠合作，將其裝置配合樣品潤(rùn)滑系統(tǒng)一起進(jìn)行一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
確定顆粒尺寸分布和濃度等級(jí)用的標(biāo)準(zhǔn)方法，可在實(shí)際的用戶應(yīng)用領(lǐng)域中，用于監(jiān)控其污染等級(jí)。在長(zhǎng)期使用后，軸承從這些現(xiàn)場(chǎng)裝置中拆卸下來(lái)。采用外觀檢查和表面特征方法，其軸承表面被雜質(zhì)損害的情況隨即能被檢驗(yàn)出來(lái)，其損害等級(jí)也可量化。表 1顯示了在使用中產(chǎn)生的典型的顆粒尺寸分布以及濃度。圖1顯示了使用了相同一段時(shí)間后的軸承受力表面的典型特征。
圖 1：帶凹痕的典型軸承受載荷表面顯微組織圖
表 1
單獨(dú)的外觀比較顯示：潤(rùn)滑劑分析并未說(shuō)明預(yù)期的表面損害的等級(jí)。通過(guò)將表1中的數(shù)據(jù)與觀測(cè)到的損壞情況進(jìn)行比較，潤(rùn)滑劑樣品很顯然未預(yù)測(cè)到尺寸比300ｕm大得多的任何顆粒。但是，某些壓痕直徑接近于6mm 的外觀比較顯示了大顆粒雜質(zhì)的存在，這些顆粒的尺寸比潤(rùn)滑劑樣品中300ｕm顆粒的尺寸大約大100倍。這一雜質(zhì)印記分析方法，即由文獻(xiàn)資料［6］提及的詳細(xì)方法，可應(yīng)用于更加精確地描述其表面損害。該直接的表面分析方法指出：預(yù)測(cè)的壽命降低率為42％，而潤(rùn)滑劑分析結(jié)果并未顯示出任何重大的有害影響。另外，表面分析結(jié)果與實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)性能更加相配。該實(shí)例說(shuō)明了在將性能與污染損害相關(guān)聯(lián)時(shí)，表面特征分析很必要。可以得出這樣的結(jié)論：至少對(duì)于嚴(yán)重污染的系統(tǒng)，單一的潤(rùn)滑劑分析，就軸承損害與Z終的現(xiàn)場(chǎng)使用關(guān)系而言，它不是一種可靠的方法。
產(chǎn)品性能比較
作為評(píng)定和預(yù)測(cè)軸承在雜質(zhì)污染的條件下性能的評(píng)估過(guò)程的一部分，進(jìn)行了許多軸承壽命試驗(yàn)。為了對(duì)這些試驗(yàn)進(jìn)行比較，采用了標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行雜質(zhì)損害［7］。被試驗(yàn)的軸承要經(jīng)過(guò)預(yù)先壓痕處理，在試驗(yàn)過(guò)程中不再添加雜質(zhì)。在圖2中，顯示了五家主要的圓錐滾子軸承制造廠的產(chǎn)品性能比較。該項(xiàng)試驗(yàn)曾在文獻(xiàn)資料［11］中有過(guò)報(bào)導(dǎo)，并在被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)于給定的每一家制造廠，產(chǎn)品的制造都采用通用的常規(guī)制造工藝。該組內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的變化系數(shù)為 3，軸承A具有相對(duì)Z高的性能。軸承B 和 E 采用了全淬透材料和工藝。軸承 A，C 和D是部分或全部由表面滲碳的部件所制成。
產(chǎn)品性能比較
作為評(píng)定和預(yù)測(cè)軸承在雜質(zhì)污染的條件下性能的評(píng)估過(guò)程的一部分，進(jìn)行了許多軸承壽命試驗(yàn)。為了對(duì)這些試驗(yàn)進(jìn)行比較，采用了標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行雜質(zhì)損害［7］。被試驗(yàn)的軸承要經(jīng)過(guò)預(yù)先壓痕處理，在試驗(yàn)過(guò)程中不再添加雜質(zhì)。在圖2中，顯示了五家主要的圓錐滾子軸承制造廠的產(chǎn)品性能比較。該項(xiàng)試驗(yàn)曾在文獻(xiàn)資料［11］中有過(guò)報(bào)導(dǎo)，并在被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)于給定的每一家制造廠，產(chǎn)品的制造都采用通用的常規(guī)制造工藝。該組內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的變化系數(shù)為 3，軸承A具有相對(duì)Z高的性能。軸承B 和 E 采用了全淬透材料和工藝。軸承 A，C 和D是部分或全部由表面滲碳的部件所制成。
圖 2：取自不同制造廠的5 種通用工藝軸承的壽命試驗(yàn)比較，軸承外徑為73 mm
65% 置信帶
為了達(dá)到統(tǒng)計(jì)比較的目的，壽命試驗(yàn)結(jié)果以65%置信帶方式表示。置信帶的寬度的計(jì)算是以樣品尺寸和試驗(yàn)失效的散布情況為基礎(chǔ)的，而且它是威波爾斜率的函數(shù)。當(dāng)這些帶寬在試驗(yàn)組之間有重疊時(shí)，在90%可信度時(shí)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說(shuō)，不可能提出性能上重要的差別。
常規(guī)軸承對(duì)比由不同的制造廠制作的特殊的抗雜質(zhì)軸承的雜質(zhì)試驗(yàn)
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圖 3：常規(guī)制造工藝軸承與另一家制造商的特殊的”抗雜質(zhì)”軸承的壽命試驗(yàn)比較，軸承外徑為83 mm。
為了達(dá)到統(tǒng)計(jì)比較的目的，壽命試驗(yàn)結(jié)果以65%置信帶方式表示。置信帶的寬度的計(jì)算是以樣品尺寸和試驗(yàn)失效的散布情況為基礎(chǔ)的，而且它是威波爾斜率的函數(shù)。當(dāng)這些帶寬在試驗(yàn)組之間有重疊時(shí)，在90%可信度時(shí)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說(shuō)，不可能提出性能上重要的差別。
常規(guī)軸承對(duì)比由不同的制造廠制作的特殊的抗雜質(zhì)軸承的雜質(zhì)試驗(yàn)
對(duì)于特殊的軸承產(chǎn)品（圖3、4和5）也進(jìn)行了可比性的雜質(zhì)損害試驗(yàn)。該壽命試驗(yàn)是將來(lái)自一家制造廠的常規(guī)的產(chǎn)品（軸承A）與來(lái)自兩家或多家其它制造廠的特殊的抗雜質(zhì)特產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。在此，特殊的抗雜質(zhì)的產(chǎn)品，其改良后的壽命達(dá)到常規(guī)加工的產(chǎn)品的10倍。進(jìn)行了3種單獨(dú)的試驗(yàn)（圖3為試驗(yàn)1，圖4 為試驗(yàn)2，圖 5 為試驗(yàn)3）。在這些單獨(dú)試驗(yàn)之間，其試驗(yàn)條件和軸承都是不同的。
圖 3：常規(guī)制造工藝軸承與另一家制造商的特殊的”抗雜質(zhì)”軸承的壽命試驗(yàn)比較，軸承外徑為83 mm。
圖3表示雜質(zhì)損害試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，其試驗(yàn)條件與圖2中試驗(yàn)的條件完全相同。這些結(jié)果在先前的文獻(xiàn)資料［7］中曾作過(guò)報(bào)導(dǎo)。這表明：來(lái)自一家制造廠的常規(guī)加工工藝的軸承A，其壽命試驗(yàn)結(jié)果略高于來(lái)自另一家制造廠的特殊的抗雜質(zhì)加工工藝的壽命試驗(yàn)結(jié)果。
圖 4：取自其它制造廠的、常規(guī)制造工藝軸承與特殊的”抗雜質(zhì)”軸承的壽命試驗(yàn)比較，軸承外徑為68 mm。
圖4表示雜質(zhì)損害試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)壽命試驗(yàn)結(jié)果，除了試驗(yàn)介質(zhì)改變外，其它試驗(yàn)條件與圖2中試驗(yàn)條件相似。這一試驗(yàn)僅產(chǎn)生了輕微的雜質(zhì)損害。雜質(zhì)特征分析應(yīng)用于常規(guī)的軸承A，且僅用于預(yù)測(cè)因雜質(zhì)而產(chǎn)生的、Z低壽命降低。在這些條件下，來(lái)自一家制造廠的、