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在含雜質污染的潤滑條件下評估軸承性能的實驗和分析方法

2009-09-23

　　來源：鐵姆肯公司

　　摘要：潤滑劑中的雜質污染是軸承和齒輪過早失效的主要原因，并由此導致設備停機修理、擔保索賠和生產損失費用的增加。為了幫助設計工程師們分析和開發出對這類污染較為不敏感的設備，己經建立了各種不同的實驗和預測的方法。
　　本文提供了潤滑劑中雜質污染的一個概述。本文還提供了關于不同圓錐滾子軸承在雜質污染的操作條件下壽命試驗結果和預測分析方法比較的Z新數據。作為基準，對在這些領域先前所做的研究作了概要的總結并已被引用。近來的研究改進了那種分析方法（使用一種表面特征方法），使得這種方法與雜質條件下軸承試驗壽命相關聯，并指出要如何對軸承本身進行設計和制造改良。這在設計中已產生了效果，使雜質污染環境下的軸承壽命得到了改善。
　　前言：關于雜質污染對軸承性能的主要有害影響，已經發表了眾多文獻［8，11］，而對于可使軸承性能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。本文將不同軸承產品的某些實驗性能結果與用作預測和評估這一性能的分析方法做出切實的比較，并對當前關于雜質污染對軸承壽命的影響量化方法進行了初步陳述。
　　這些方法中大多數都基于確定潤滑劑中的雜質含量的技術，而非滾動接觸表面所承受的損害程度。其推理在于：當知道了潤滑劑系統的污染含量時，就可了解到對系統部件的損害等級。根據現場試驗，已得出部分結果，將潤滑劑分析方法直接與壽命預測相聯系。因此，一種采用直接的、表面特征的新的壽命預測模型也被提出，并討論了它與壽命試驗結果的關系。該模型是先前的方法［12，13］的延伸，它將應力為基礎的分析方法與雜質壓痕表面制圖方法聯系起來，目的在于更加精確地獲取在特定雜質環境中出現的實際的雜質損害。
　　污染特征
　　當前，設備設計工程師們有許多污染潤滑劑分析工具，這可幫助他們評估雜質對機械磨損的有害影響。這些工具采用多種方法，包括鐵粉記錄儀方法［1］、重力過濾方法［2］、原子吸收光譜儀［3］、和SEM（EDAX）光譜分析法，來監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滑劑污染的特性。
　　另外，顆粒尺寸和計量技術都可用于確定顆粒尺寸分布及其濃度等級。這些技術應用手動的顯微鏡方法與可用于自動直接計量的光散射法［5］，這里提到的大多數分析手段都可用于監控，并了解設備失效的演變進程以及潤滑劑污染的等級，以便進行預測和預防維護。
　　ISO 4406 額定值方法通常用于確定污染等級。許多工程師采用這一額定值方法，并將它與性能預測直接聯系起來。雖然上述技術和方法幫助了解磨損機理和磨損速率，但他們不能有效幫助評估雜質損害對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
　　為了評定被雜質污染的潤滑環境對表面的有害影響，已經開發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際可行的方法，并命名為“雜質特征分析”。
　　污染潤滑劑的分析
　　以下實地研究就是這種分析方法優勢的一種實例，即這種表面特征方法可以使用于評估設備系統。與設備制造廠合作，將其裝置配合樣品潤滑系統一起進行一段時間的現場試驗。
　　確定顆粒尺寸分布和濃度等級用的標準方法，可在實際的用戶應用領域中，用于監控其污染等級。在長期使用后，軸承從這些現場裝置中拆卸下來。采用外觀檢查和表面特征方法，其軸承表面被雜質損害的情況隨即能被檢驗出來，其損害等級也可量化。表 1顯示了在使用中產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

　　單獨的外觀比較顯示：潤滑劑分析并未說明預期的表面損害的等級。通過將表1中的數據與觀測到的損壞情況進行比較，潤滑劑樣品很顯然未預測到尺寸比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的存在，這些顆粒的尺寸比潤滑劑樣品中300ｕm顆粒的尺寸大約大100倍。這一雜質印記分析方法，即由文獻資料［6］提及的詳細方法，可應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：預測的壽命降低率為42％，而潤滑劑分析結果并未顯示出任何重大的有害影響。另外，表面分析結果與實際的現場性能更加相配。該實例說明了在將性能與污染損害相關聯時，表面特征分析很必要。可以得出這樣的結論：至少對于嚴重污染的系統，單一的潤滑劑分析，就軸承損害與Z終的現場使用關系而言，它不是一種可靠的方法。
　　產品性能比較
　　作為評定和預測軸承在雜質污染的條件下性能的評估過程的一部分，進行了許多軸承壽命試驗。為了對這些試驗進行比較，采用了標準化方法進行雜質損害［7］。被試驗的軸承要經過預先壓痕處理，在試驗過程中不再添加雜質。在圖2中，顯示了五家主要的圓錐滾子軸承制造廠的產品性能比較。該項試驗曾在文獻資料［11］中有過報導，并在被認為是標準的產品上進行了試驗，對于給定的每一家制造廠，產品的制造都采用通用的常規制造工藝。該組內試驗結果的變化系數為 3，軸承A具有相對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比較，軸承外徑為73 mm

　　65% 置信帶
　　為了達到統計比較的目的，壽命試驗結果以65%置信帶方式表示。置信帶的寬度的計算是以樣品尺寸和試驗失效的散布情況為基礎的，而且它是威波爾斜率的函數。當這些帶寬在試驗組之間有重疊時，在90%可信度時，從統計學上說，不可能提出性能上重要的差別。
　　常規軸承對比由不同的制造廠制作的特殊的抗雜質軸承的雜質試驗

　　對于特殊的軸承產品（圖3、4和5）也進行了可比性的雜質損害試驗。該壽命試驗是將來自一家制造廠的常規的產品（軸承A）與來自兩家或多家其它制造廠的特殊的抗雜質特產品進行了對比。在此，特殊的抗雜質的產品，其改良后的壽命達到常規加工的產品的10倍。進行了3種單獨的試驗（圖3為試驗1，圖4 為試驗2，圖 5 為試驗3）。在這些單獨試驗之間，其試驗條件和軸承都是不同的。

圖 3：常規制造工藝軸承與另一家制造商的特殊的”抗雜質”軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為83 mm。

　　　圖3表示雜質損害試驗的標準化結果，其試驗條件與圖2中試驗的條件完全相同。這些結果在先前的文獻資料［7］中曾作過報導。這表明：來自一家制造廠的常規加工工藝的軸承A，其壽命試驗結果略高于來自另一家制造廠的特殊的抗雜質加工工藝的壽命試驗結果。

圖 4：取自其它制造廠的、常規制造工藝軸承與特殊的”抗雜質”軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為68 mm。

　　圖4表示雜質損害試驗的標準壽命試驗結果，除了試驗介質改變外，其它試驗條件與圖2中試驗條件相似。這一試驗僅產生了輕微的雜質損害。雜質特征分析應用于常規的軸承A，且僅用于預測因雜質而產生的、Z低壽命降低。在這些條件下，來自一家制造廠的、釆用常規加工工藝的軸承A，其性能結果相等于來自另一家制造廠的、特殊的抗雜質加工工藝軸承的性能。

圖 5：取自其它制造廠的、常規制造工藝軸承與特殊的“抗雜質” 軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為318 mm。

　　應用了一組不同的壽命試驗條件，還應用了一種新的雜質介質和新的方法。這些變化的產生，其部分原因是由于采用了較大的試驗軸承，并導致中等至嚴重的雜質損害。雜質特征分析應用于常規的軸承A，并預測到壽命降低率為3倍。在這些條件下，軸承A的壽命試驗結果大大地超過了另外一家制造廠的、特殊的抗雜質工藝的試驗結果。從此試驗中得出的一個結論是：在由不同制造廠制成的軸承中所使用的制造工藝、材料和冶煉方法上的差別影響著在高雜質環境中運行的軸承疲勞壽命。
　　在雜質試驗中提升性能等級
　　依靠研究其獨特的、專供生產軸承A所使用的冶煉設計和加工參數的辦法，開發出了改良型的抗雜質方法。其目的在于提高軸承的強度、延展性和韌性的機械性能，特別是在功能性接觸（座圈）表面的機械性能。該方法涉及到對主要設計規范的改變，緊密控制工藝控制極限值，特別是在熱處理期間。Z終根據統計數據顯示出了性能上的顯著提高，正如圖6所示。專有的技術規范包括選擇各項參數，這涉及到材料化學、殘留粵氏體，微觀組織，近表面性能的后熱處理控制。這一新的抗雜質設計和加工方法的試驗性能結果顯示于圖6中。所示的壽命試驗是在外徑為中等尺寸248 mm的軸承上進行的，對于該軸承，大量的試驗經驗在先前已經積累了。
　　在這一特定的試驗方案中，兩組具有雜質壓痕的常規軸承的壽命比不帶壓痕的軸承的預測壽命小2 至3 倍。采用的是雜質印記分析方法，并預測這些基本軸承的雜質壽命降低率在o.4~0.5 之間。預測的結果值表示在圖6中。

圖 6：一家制造廠的 ”抗雜質”軸承與常規的、基本的加工工藝軸承的壽命試驗比較，軸承外徑為248 mm。

　　抗雜質的軸承所顯示的性能遠高于基本組別的軸承性能，對于不帶有雜質損害的預測的壽命而言，65%置信帶的上半部分與在沒有雜質環境下的軸承預測壽命線相交。因此，對于給定的試驗嚴格性，新的抗雜質的軸承降低了雜質的影響，并將軸承的總體平均壽命比由常規加工工藝制作的兩組基本軸承的壽命提高了2.3 倍。該抗雜質的軸承目前在雜質環境中的壽命提高了2 倍。
　　壽命預測模型
　　雜質壽命預測手段的理論基礎由Ai在［12］中陳述，在此文獻中確定了雜質壓痕對軸承滾道接觸應力和疲勞壽命的影響。采用以軸承A為代表的、性能特征的軸承，以可控的雜質壓痕軸承試驗的方法，對該模型進行了驗證。由于在實際使用中，雜質的顆粒尺寸范圍很大，為了確定含有真實顆粒尺寸分布的潤滑劑污染的影響，巳經建立了一個程序。采用了兩種方法。種方法模擬顆粒尺寸的雜質分布，它相當于ISO 4406 規范中的顆粒尺寸分布。
　　正如作者 N i x o n 在文獻［ 7 ］中所解釋的那樣， ISO13/10、ISO15/12、ISO17/14、ISO18/16和ISO21/18的52100鋼材雜質顆粒分布與潤滑劑混合在一起后，就可供壓痕軸承使用。舉例說，圖7表示：其顆粒分布用于ISO4406 21/18和15/12清潔度等級。
　　這些分布是從分析以及雜質污染了的、使用過的潤滑油的ISO4406特征中形成的。為了獲取壓痕的尺寸及其表面密度，可將其光學映像，因而，為每一種壓痕狀態得到了雜質特征分析外形圖。包括壓痕尺寸和表面密度在內的數據文件資料妥善進行保存，以供應用工程師們對這些環境中通常使用的軸承進行壽命分析。

圖 7 兩種特殊的ISO規范的顆粒尺寸的分布

第2種方法是從現場實際使用中獲取軸承，并通過光學映像來描述這些軸承上壓痕的尺寸和表面密圖度，以供今后壽命分析之用。通常，這些軸承尺寸較大，在比較嚴重污染的條件下運行，這些軸承尚不能以ISO4406的規范加以十分透徹地描述。這些具有壓痕表面的照片，可供工程師們用于選擇軸承滾圈表面損害（這種損害通常在他們的實際應用中就可找到）的等級。在標準的壽命試驗機上進行的、典型的壽命試驗潤滑劑的分析表明：其基本的清潔度等級為ISO 15/12 。對于這一清浩度等級，其雜質壽命系數為1.0。更加清潔的潤滑劑會提供更長的壽命，但帶有更多雜質的潤滑劑，則會降低其壽命。為了確定壽命降低系數（壽命降低率），可以以下方式使用壓痕雜質印記分析數據文件。對于各種應用狀態下的滾動元件的接觸載荷首先要加以確定，以便再確定其接觸應力和接觸面積。然后，就可確定壓痕的尺寸和數量在該環境中對軸承壽命的影響。圖8 表示了關于一個孔徑為33mm的圓錐滾子軸承的雜質壽命系數（a3D）的一張圖表，可供不同的潤滑劑清潔度等級使用，徑向載荷以 C%(90) 額定值表示。在重載條件下，雜質等級改變后的影響會被降低，因為，當與輕載荷條件下對改進總體應力水平的較大的影響相比，其對總體應力水平的基本影響會降低。圖2表明：由全淬透鋼制成的軸承與由滲碳鋼制成的軸承相比，前者對雜質壓痕更為敏感。圖6 表明：表面滲碳的軸承甚至更抗雜質。圖9表明：對于中等污染的環境，由這些材料制成的軸承與表面滲碳的軸承相比，在典型的雜質壽命系數方面存在著差異。由全淬透的鋼材制成的軸承，其壽命比表面滲碳軸承的壽命稍低一些。可以預期的是：抗雜質軸承的微觀組織對于在更加污染的環境中軸承壽命的改進更為有效。

圖 8：雜質壽命調節 VS 載荷和不同的 ISO 規范

圖 9：各種軸承材料的相對的雜質壽命系數

相當數量的雜質壓痕軸承已在作者推薦的壽命試驗機上進行了壽命試驗。圖10［15］表示了由雜質壓痕引發的、以實驗方法確定的壽命降低系數與本方法預測的壽命降低系數之間的關系。對于作者推薦的軸承產品，本模型提供了實際的雜質壓痕和其后的疲勞損壞之間的切實可行的聯系。

圖 10：實驗結果值與模型預測值的比較

　　結論
　　通過本次實驗性的試驗和分析實踐，可以得出以下的結論和觀察結果：
　　（1）對于嚴重污染的系統，單一的潤滑劑分析方法不可能是一種可將軸承損害與Z終的現場使用聯系起來的可靠的方法。
　　（2）用以評估雜質損害敏感度的軸承疲勞壽命試驗可以作為一種有用的手段，以區分不同產品的性能等級。
　　（3）標準化的雜質壽命試驗表明：來自不同制造廠的、常規的和抗雜質的軸承在等級上表現出很大的差別。在進行有關相對的產品體系中雜質耐受度對比時，以及在應用性能預測工具時，上述提及的差別都應加以考慮。
　　（4）包含在雜質印記分析中的損害的直接測定方法被期待在損傷差異的定量分析上比包括潤滑污染分析的其他方法提供更高的精確。
　　（5）雜質印記分析為設備在污染環境中成功和不成功的運行性能的比較提供了一種手段。
　　（6）新的壽命預測模型在實際的雜質壓痕和其后的疲勞損壞之間提供了切實可行的聯系。
　　致謝
　　全體作者向鐵姆肯公司允許發表本結果表示衷心感謝！
　　參考文獻

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