在碎屑污染润滑条件下评估轴承性能的实验和分析方法

润滑油中的碎屑颗粒污染是轴承和齿轮过早失效的主要原因,伴随着设备停机、保修和生产力损失的成本。已经开发了各种实验和预测方法,以帮助设计工程师分析和开发对此类污染不太敏感的设备。本文概述了在碎片污染条件下运行的各种圆锥滚子轴承的轴承寿命试验结果和预测分析方法,并提供了比较这些结果的新数据。
 
污染表征
 
设备设计工程师有许多受污染的润滑剂分析工具,帮助他们评估碎屑颗粒对机械磨损的检测影响,并通过使用这些工具可以监测由此造成的性能损失。其他研究旨在了解润滑剂污染的材料组成和特征。刚才提到的大多数分析工具都用于监测和了解设备故障的演变,以及用于预测和预防性维护的润滑剂污染程度。
表面表征方法
 
Nix­on和Cogdell开发了一种评估碎屑污染润滑环境有害影响的方法,该方法被适当标记为碎屑信号分析SM。

 
图1–典型轴承承载表面的显微照片,带有非常大的凹痕
 
仅在这些视觉比较中就可以明显看出,润滑剂分析并未说明预期的表面损伤程度。通过将表1中的数据与肉眼可见的损伤进行比较,可以肯定的是,试样取样并没有预测到任何大于300μm的颗粒。然而,凹痕的视觉比较(有些直径约为6mm)表明,存在的巨大颗粒比润滑剂样品中300微米大小的颗粒大100倍。碎片特征分析SM方法用于更准确地表征表面损伤,并表明预计寿命将减少42%。该示例用于说明在将性能与污染损害联系起来时需要进行表面表征。
 
产品性能比较
 
作为评估和预测轴承性能的评估过程的一部分,已经进行了多次轴承寿命测试,并使用了一种标准化的方法来应用碎片损伤。测试轴承预先凹陷,在测试过程中没有添加额外的碎屑。
 
在图2中显示了主要的圆锥滚子轴承制造商。该测试之前曾报道过,并且是在被认为是标准产品的产品上进行的,该产品是按照每个制造商通用的常规工艺制造的。该组的结果相差约三倍,其中Brg a具有最高的相对性能。轴承B和轴承E通过硬化材料和加工使用,其他轴承C和D部分或全部由表面渗碳部件制造。

 
图2–轴承外径73 mm的寿命试验对比
 
为了进行统计比较,寿命试验结果用65%的置信度括起来。这些带的宽度是根据样本大小和测试失败的分散度计算的,是威布尔斜率的函数。当这些条带在测试组之间重叠时,没有统计学意义,性能差异不能以90%的百分比来表示。
 
常规Ver­sus特殊防碎片轴承的测试
 
还对一家制造商的常规产品(Brg a)和另外两家制造商的特殊“防碎片”产品进行了测试。在这里,特殊的抗碎片产品声称其寿命比传统工艺提高了十倍。
 
图3显示了在与图2相同的条件下碎片坝龄试验的归一化结果。在这种情况下,轴承A的寿命测试结果略微超过了特殊轴承的结果。

 
图3–常规与特殊“防碎片”轴承(外径83 mm)的寿命试验对比
 
图4显示了在与图2相似的条件下的标准化寿命试验结果,但碎片介质发生了变化。这只导致轻微的碎片损坏。在这里,碎片特征分析应用于传统的Brg A,并仅预测了碎片导致的阈值寿命减少。在这些条件下,轴承A的性能结果与特殊轴承的结果相同。

 
图4–常规与特殊“防碎片”轴承(外径68 mm)的寿命试验对比
 
图5显示了318 mm大外径轴承的标准化结果。采用了不同的寿命测试条件(部分原因是使用了更大的测试轴承)以及新的碎片介质和应用碎片介质的新方法。这导致中度至严重的碎片损坏。碎片特征分析应用于传统的Brg A,并预测寿命减少3倍。

 
图5–常规与特殊“防碎片”轴承(外径318 mm)的寿命试验对比
 
该测试得出的一个结论是,不同制造商生产的轴承在制造工艺、材料和冶金实践方面的差异会影响在高碎屑环境中运行的轴承的疲劳寿命。
 
提高绩效水平
 
通过研究用于生产Brg A的独特冶金设计和工艺参数,开发了一种改进的抗碎片方法。目标是提高轴承的强度、延展性和韧性的机械性能,特别是在功能接触(滚道)表面。阳离子涉及选择参数,包括材料化学、残余奥氏体、微观结构和近表面性能的热处理后控制。
 
这种新型抗碎片设计和处理方法的性能结果如图6所示。在这一特定的测试方案中,两个无凹痕的常规基线组的寿命大约比无凹痕的预测寿命短2至3倍。应用碎片特征分析,预测碎片寿命减少系数在0.4至0.5之间。对于这些基线方位。

 
图6–特殊“耐碎片”轴承与传统轴承(外径248 mm)的寿命试验对比
 
抗碎片轴承性能显示出比基线组高得多,其上限为65%。因此,新的抗碎片轴承抵消了给定碎片损坏的影响,并使平均承载寿命比传统工艺制造的两个基线轴承组增加了2.3倍。目前,这种耐碎片轴承在碎片环境中的使用寿命提高了2倍。
 
寿命预测模型
 
Ai提出了碎片寿命预测工具的理论基础,其中确定了磨损凹痕对滚道接触应力和疲劳寿命的影响。使用具有Brg A代表的性能特征的轴承进行受控碎片凹痕轴承试验。
 
由于应用中的碎屑覆盖了大范围的颗粒尺寸,因此制定了一个程序来确定由实际颗粒尺寸分布组成的润滑剂污染的影响。使用了两种方法。这个第一种方法模拟了与ISO 4406代码分布相关的碎片粒度分布。ISO 13/10、15/12、17/14、18/16和21/18的52100钢屑颗粒分布与润滑剂混合,并用于凹痕轴承,如Nixon所述。例如,图7显示了用于ISO 4406 21/18和15/12清洁度等级的颗粒分布。这些分布是根据碎片污染的废油的分析和ISO 4406表征得出的。然后对凹陷轴承表面进行光学映射,以获得凹陷尺寸和表面密度分布。从而获得碎片特征分析。数据包含凹痕尺寸和表面密度的les被存储起来,供应用工程师用于分析可能在这些环境中运行的轴承的寿命。

 
图7–两个特定ISO代码的粒度分布
 
第二种方法是从eld和光学表征这些轴承上凹痕的尺寸和表面密度,以用于未来的寿命分析。这些是较大的轴承,通常在污染更严重的条件下运行,ISO 4406无法充分描述。工程师可以使用这些凹陷表面的照片来选择在其应用中常见的滚道表面损坏程度。
 
对取自标准寿命试验机的典型寿命试验润滑剂的分析表明,基本清洁度等级为ISO 15/12。在此清洁度水平下,碎屑寿命系数的值为1.0。更清洁的润滑剂可以延长使用寿命,而更多去毛刺的润滑剂可以缩短使用寿命。
 
为了确定寿命减少系数,根据应用条件确定滚动元件接触载荷,以确定接触应力和接触面积。然后可以确定凹痕的大小和数量在这种环境下对轴承寿命的影响。图8显示了33 mm孔径圆锥滚子轴承在不同润滑剂清洁度水平和径向载荷下的碎屑寿命因子(a3D)图,以百分比C(90)额定值表示。可以看出,在重荷载下,由于对一般应力水平的净影响减小,而在轻荷载下对修改一般应力级别的影响更大,因此碎片水平变化的影响减小。
 
图2显示,与表面渗碳钢制成的轴承相比,由完全硬化钢制成的轴瓦对碎屑凹痕更为敏感。图6显示,渗碳轴承可以制造得更耐碎片。图9显示了在中度污染环境下,由这些材料制成的轴承与表面渗碳轴承的模型碎片寿命因子的差异。由完全硬化钢制成的轴承比表面渗碳轴承的寿命稍低。正如预期的那样,抗碎片轴承微观结构在污染环境更严重的情况下对提高轴承寿命更有效。

 
图8——根据荷载和各种ISO规范进行的碎片寿命调整

 
图9–轴承材料的相对碎片寿命系数
 
在作者的寿命试验机中,对碎片凹陷轴承的倾斜数进行了寿命试验。图10显示了实验确定的碎片凹痕导致的寿命减少与该方法预测的寿命减少之间的关系。对于制造商的轴承产品,该模型已证明在实际碎屑凹痕和随后的疲劳损伤之间提供了实际联系。

 
图10–实验结果与模型预测的比较
 
结论
 
以下结论和观察结果是分析经验和实验测试结果的结果。
 
1) 对于严重污染的系统,润滑油分析方法本身可能不是连接轴承损坏及其后果的可靠方法。
 
2) 对轴承进行疲劳寿命测试以评估碎片损伤敏感性,可以作为区分产品性能的有用工具。
 
3) 使用碎片进行的标准化寿命测试表明,来自不同制造商的传统和抗碎片轴承性能显著。在比较产品抗碎片能力的相对等级以及应用性能预测工具时,应考虑这些差异。
 
4) 在碎片特征分析SM的指导下,直接测量损伤的方法有望比其他涉及润滑油污染分析的方法提供更高的精度,以量化坝龄差异。
 
5) 碎片特征分析SM应提供一种工具,用于定量比较,能够将成功设备性能的污染环境与不成功的污染环境进行比较。
 
6) 新的寿命预测模型提供了实际碎片凹痕和随后的疲劳损伤之间的实际联系。