本帖最后由 djh088 于 2013-1-7 10:00 编辑
2.2 轴承技术进步（1）技术改进
铁姆肯公司对其主导产品——圆锥滚子轴承的材料应用、制造工艺等方面不断改进，使其性能有了进一步提高。
① 轴承材料应用
按惯例来说，滚动轴承对由于交变载荷及钢中含有夹杂物质引起的材料疲劳很敏感，并把这作为原始失效形式。
多年来，铁姆肯公司已经不断地减少了钢中夹杂物的含量。因此，轴承疲劳寿命不断提高。尤其是在八十年代初期，由于采用非常纯净的空气熔炼技术，由材料引起的轴承疲劳对轴承极限寿命的影响程度已显著减少。
图44 图中曲线表示从1980年到1986年用于制造铁姆
肯圆锥滚子轴承的钢中非金属夹杂物的显著减少
例如，七十年代初期，由夹杂物引起的疲劳以及表面疲劳与几何应力集中（GSC）的共同作用对轴承疲劳的发生差不多具有相同的影响。八十年代中期，这种趋势发生了改变，夹杂物类型破坏的发生是表面疲劳与几何应力集中共同作用类型疲劳的五分之一。因此，高负荷轴承或不同轴度的轴承发生疲劳的可能原因已由非金属夹杂物转变为表面疲劳与几何应力集中的组合。
与此同时，铁姆肯公司还积极研究开发新型钢材，该公司开发的含铅量为零的无铅合金是制造人造关节和汽车的最佳材料。
拉特洛布钢铁公司为适应航空航天业对高效材料的需求，不断开发超高温、超高湿、超载荷条件下仍能使用的新材料。MPB35N钢是一种多相合金，现被用来制造矫形外科手术中的人工髋关节和深井钻管。
1997年开发出的新合金钢CSS—421TM（美国专利）可在427℃（800℉）的高温中使用，在兼有滚动、滑动载荷的轴承、齿轮、轴、连锁件、螺栓、螺母等用途中发挥特有功效。这种严格控制合金元素含量并经真空感应电炉熔炼、真空电弧次熔炼而成的特殊合金钢经过渗碳及热处理，表面1毫米深度具有最低58HRC的硬度和卓越的防锈特性。渗碳层的硬度在高温下超过所有同类产品。在427℃超过60HRC。经试验，其特性超过M50MTL钢，防锈性达到440度钢的指标。
高温轴承钢材CBS—100M适用于轴承运行表面温度达摄氏315度高温的应用场合。而铁姆肯研究中心开发的另一种合金钢TBS—9可取代52100钢。该材料只含三分之一的铬。铬是用于52100钢中的一种昂贵稀有元素。
在轴承保持架材料方面，铁姆肯公司自六十年代中期开始在交叉滚子轴承中使用尼龙保持架。
尼龙保持架具有以下优点：
1） 首先，尼龙保持架能提供更大的设计灵活性。在一些例子中，尼龙保持架比冲压钢板保持架可能多装一个或两个滚子。
2） 尼龙保持架所需的模具制造成本比钢制保持架所需的模具制造成本低。
3） 尼龙保持架的重量比钢保持架的重量轻。
4） 尼龙保持架在边界润滑条件下能提供改善润滑的性能。
5） 尼龙保持架比钢保持架有更好的抗损坏能力。钢保持架受到严重撞击或掉下时，会产生永久变形，而尼龙保持架在遭受变形后，则可以靠弹性恢复原状。试验表明，尼龙保持架即使受到猛烈冲击产生裂口时，仍能满意地工作（在这种情况下已被损坏了的尼龙保持架，建议不要再使用了）。对钢保持架的类似冲击则因保持架变形，使一些滚子造成严重的卡死并导致轴承的过早损坏。
6） 一些有限的试验表明，尼龙保持架的抗振动损坏性能比钢保持架要优越得多。
7） 轴承在壳体中不完全密封的情况下应用时，尼龙保持架不产生伴随钢保持架的空中噪声。
② 轴承外形轮廓的改进
图45和图46是两个不同内部滚道接触轮廓的例子。轮廓S表示一个圆锥滚子和滚道之间的内部轴向轮廓，这种设计对在接近C90额定负荷和偏位为0.001弧度或小于此弧度下运转的轴承来说比较合适，不过，如果轴承是在高得多的负荷下运转，而且偏位很大，那么，象P这样的轮廓就更为合适。
图45 S轮廓是为负荷等于或低于C90额定负荷以及几乎没有或根本
没有偏位的轴承而设计的轴承接触轴向廓形；P轮廓是为高
负荷和高偏位而设计的廓形，在轴承轴向廓形上有修正
图46 上侧两线表示两倍C90径向负荷和0.0027弧度偏位下沿
轴向接触的接 触应力，应力模式的区别示出了S轮廓
轴承的高边缘应力集中与P轮廓轴承的更为均匀的应力
模式的比较；下侧两线表示一个轴承在0.25 C90径向负
荷和没有偏位下沿轴向接触的接触应力，应力模式的区
别示出了P轮廓轴承的高中心应力集中与S轮廓轴承更
为均匀的应力模式的比较。
对采用S轮廓或P轮廓设计的特殊轴承来说，这就有可能计算出沿接触长度的应力模式。图中所示的例子，是假定负荷为C90径向额定负荷的两倍、轴承偏位为0.0027弧度。对用每种轮廓设计的轴承的应力模式也可用图解加以说明。
采用S轮廓的轴承，靠近接触的左端有大的应力集中，而采用P轮廓的轴承有更均匀的应力，由于偏位的影响，靠近大端面有较高应力。在这种应力条件下，采用P轮廓的轴承的相对寿命要比采用S轮廓的轴承长。
图47 轮廓设计对轴承寿命效应图。轮廓1是负荷条件1时的最佳化；
轮廓2是负荷条件4时的最佳化；轮廓3是对下列负荷循环条件
时的最佳化: 1~30%、2~60%、3~8.5%和4~1.5%（各种负荷条件所
占百分比），标定的四方黑点则是每种负荷条件的最佳化。
负荷条件 C90的百分比 偏位 1 50 0.001弧度 2 100 0.002弧度 3 150 0.003弧度 4 200 0.004弧度 不过，假定两个轴承都是在一种极端低的负荷下运转，沿轴向接触长度的这组接触应力表示的是负荷达到四分之一的C90额定负荷，而且没有偏位时的情况。在这种条件下，采用S轮廓的轴承，其相对寿命要比采用P轮廓的轴承长。不过，如果考虑到通常的负荷和寿命关系，在0.25的C90和两倍的C90的径向负荷之间的寿命差别已超过1000：1，如果较高负荷的预期寿命为200小时，那么，较低负荷的预期寿命就会大大地超过200，000小时。所以，较低负荷时的寿命差别，可能不是主要要关心的。
不过，这并不意味着最大负荷就是最重要的，必须考虑到轴承在典型应用中要经受负荷循环。轴承设计者必须考虑到所有的负荷、偏位以及在每种情况下所占的时间百分比，从而为应用设计出合适的廓形。
横坐标上由低到高表示负荷，纵坐标表示相对于标准性能的轴承寿命，还示出了在每种负荷条件下采用每种负荷条件最佳化的不同廓形得到的寿命性能，这样，采用合适的接触廓形就能够大大地提高轴承的性能。
③ 精加工的提高
由于在轴承应用中存在着宽范围的速度、润滑剂粘度和温度，轴承中产生的润滑膜也有很大的变化。λ比率是测定一个运转轴承润滑条件的一种方法，当以表面损坏为条件限制轴承寿命时，λ比率就可以用作为一种警报。λ比率的定义是：
λ=h0∕σ
式中：
h0=轴承接触中在滚子和滚道之间的运转中心润滑膜。
σ=滚动体和滚道表面粗糙度的综和。
当λ比率为1.0以下时，与材料有关和与表面有关的疲劳损坏就会出现，当这个比与1.0相比较而小得多时，与表面有关的疲劳损坏就会起主要作用，不过，表面速度、轴承内部温度、润滑剂反应性和化学性能以及润滑剂特殊添加剂都在疲劳损坏中起作用，为了决定预期的疲劳损坏性质，所有这些因素都必须连同λ比率一起考虑进去。
当疲劳损坏主要是与表面有关时，不考虑其它因素，可将λ比率作为工程上的近似计量，以显示减少表面粗糙度能获得多大的寿命延长。这里提供三组轴承的疲劳试验总结，每组都在不同的试验条件下运转，每组都在同一的负荷、速度和润滑剂条件下进行两次试验，每组比较高的λ比率的第二次试验试样均具有较低的表面粗糙度值。
六批试样每批至少包括24个轴承，相对寿命比的测定方法是：以控制样品的65%上限除降低粗糙度样品的65%下限，得到代表具有置信度为90%的两组轴承之间差别的寿命比。这样，对第一个试验组来说，寿命改善为20%，置信度为90%，由于λ比率在试验条件1时大于1，可以预料滚子和滚道表面之间的间隔相当大，因此，粗糙度的改善就不会给出寿命的改善，而在试验条件2和3下运转的二个试验组则可显示出寿命的提高。
一般来说，在低的λ比率条件下，象显微剥落这样与表面有关的疲劳会连同对表面靠得很近的与粗糙度有关的表面下疲劳一起产生。而在高的λ比率条件下，尤其是由改善的表面所发展的，预计则是在宏观剪切应力深度下的夹杂物类型的疲劳。因此，疲劳寿命产生重大改进的，预计当是在试验条件2和3的、提高了加工精度的P900轴承。
然而，应当指出的是，在图49所示的λ比值中，表面粗糙度仅由粗糙度读数来表示，由于制造工艺的改进，除粗糙度外，许多方面都得到了改进，所有零件圆度、尺寸和形状的偏差以及其他尺寸参数都获得了改善，这样，粗糙度不是产品全面改进的唯一代表参数，不过，这三组的数据表示了未来轴承可能获得的许多改进。
图48 P900精加工轴承与标准精加工轴承疲劳寿命的比较 随着实践包括轴承和滚子特征分析以及电子统计方法控制的轴承设计系统分析获得某些改进，制造技术也已大大地获得改进。包括振动频谱分析在内的用于对加工过程进行反馈和调整的工具的使用，使制造出超过1986年额定性能的轴承成为可能。
④ 计算机辅助选择：挑选合适的轴承
铁姆肯公司开发出一种被称之为性能900（P900）的轴承增强设计程序。该程序能减少轴承的设计尺寸，还可对接触表面轮廓形状和终加工进行改进。
建立P900轴承增强设计程序的基本原则是具有分析各种应用条件的能力，并且能找出哪些有益于增强设计的应用。
Select—A—Nalgss这一轴承选择和分析程序与轴承系统分析（BSA）这一程序相结合，提供了能够进行分析、设计和选择轴承的以计算机为基础的分析能力。
BSA是一种高级技术，它能分析在设计、选择圆锥滚子轴承中起着重要作用的各种环境因素和使用条件的影响，它包括可靠性、材料的寿命修正系数及环境条件。比如：负荷区（轴承承载部分）、润滑及同轴度这几个方面。
图49 超精加工提高λ值，在存在一层薄润滑油膜的使用条件下延长了轴承寿命。
实验A表示中等负荷、温度及润滑剂粘度条件。实验B和C表示比A更恶劣
的条件，充分证明了超精加工不仅能提高λ值，而且在恶劣条件下，也能提
高轴承寿命。
这些先进的选择技术，不仅可以找出轴承经增强设计后能收益的应用场合，而且还能找出如何在预先要求不同轴度、高负荷或薄的润滑膜的条件下研究解决安全设计问题。对于要求不同轴度及不同重载的使用场合，应用改进增强的外形轮廓能提高使用寿命。对由于润滑油膜薄将缩短轴承寿命的场合，提高表面粗糙度能减轻其影响。对于轴承在过载的场合，P900程序可在不降低性能的情况下减小其尺寸。
⑤ 提高额定容量
1986年，铁姆肯公司宣布提高轴承额定容量，范围是内径为180mm以下的轴承提高1%，更大尺寸的轴承提高35%，25%的轴承寿命超过了轴承计算寿命的两倍。
额定容量的提高意味着轴承能获得更长的寿命，也就是说，设计者能选择一种更小、更便宜的轴承来做以前需要更大轴承所做的相同工作。
额定容量的提高在很大程度上是因为使用了十分纯净的空气冶炼轴承钢。
早期的计算方程式可用于所有尺寸的轴承。而下面的额定能力计算方程式已经发展成专门用于圆锥滚子轴承的公式：
C90=fe（Leff cosa）4/5
Z7/10Dwo16/15
式中：
C90=单列圆锥滚子轴承在90´106转有L10额定寿命时的基本径向动负荷（在L10时可靠性为90%）。
fe =轴承的几何—材料常数（H´M），H为SAE技术论文No.841121附录中给出的几何函数；M=57.6，为1986年时以牛顿为单位计算的额定容量。
Leff=有效的滚子接触长度。
a=外圈半圆锥角。
Z=轴承一列中的滚子数。
Dwo=平均滚子直径。
材料疲劳常数是通过实际的疲劳试验建立的。轴承是在七个国家内从该公司每个厂家的生产中连续抽取样品得到的。每年对数千套轴承进行测定、证明和试验，使其结果对发货轴承具有代表性。这些数据对为提高轴承性能所必需采取的材料和几何形状改变及加工改进提供了重要的关联关系。
上述试验是在实验室条件下以典型方法生产的轴承进行的，使用符合SAE20矿物油粘度和粘度指数规范的一种特殊混合石蜡试验油（但需保持更加严格的粘度范围），掺和时防锈添加剂和防氧化添加剂要仔细地进行化学控制，由于按这个纲领抽取的样品包括了汽车轮毂轴承、主传动小齿轮轴承以及工业和铁路轴承，试验速度在600~2700转/分之间变化，温度在40~75℃，轴承游隙（侧向游隙）调整到在径向负荷下，负荷区为150℃（负荷区是指受径向负荷或联合负荷的滚子区域）。
在实验室，以6mm2的剥落作为疲劳寿命的极限。所有试验运转包括有一个额定40微米过滤器的循环油系统，在这样条件下所提供的碎片情况用近似的微粒大小分布与其数量的关系来说明。尽管试验是在实验室条件下进行的，但目的只是将环境控制住（而不是空想的），这样就有可能把特定的应用环境与实验室的环境联系起来。
图50 在装有额定40微米过滤器的实验室循环油系统中得出典型碎片分布图
自1979年以来用40个系列、外径为40~250毫米的5000套轴承共进行了207组实验，根据实验结果绘制出一个组合曲线图。从这个相关寿命图中可以看出，自1982年以来轴承寿命有快速增加的趋势，到1985年轴承寿命约为1979年的2.5倍。
⑥ 性能极限分析
显然，要了解轴承用户应用中的性能极限，关键是要了解应用中通常出现的损坏类型，多年来，轴承损坏分析一直是美国铁姆肯公司的一项重要研究课题。在六种接触损坏类型中，下面所要讨论的四种损坏类型代表了实际环境中可能大量出现的损坏形式：
1） 夹杂物类型；
2） 显微剥落或脱皮损坏；
3） 表面起始型疲劳；
4） 几何应力集中。
一般来说，与材料有关的表面下开始的疲劳与轴承的长寿命有关，不过，有迹象表明，在表面粗糙度足够高的情况下，微观应力可能比通常的表面下的宏观剪切应力大，这种条件也会导致表面下疲劳，虽然它发生在比通常预料的更接近轴承的表面。这种疲劳类型发生在润滑膜比较薄的情况下，在齿轮接触中已得到了证实。这样，夹杂物疲劳类型的轴承预计具有从中等到长的寿命，而且与以前预计的相比，具有更宽广的使用范围。证明这种情况的主要证据是：在表面发生显著的相互作用和λ比率小于1.0的润滑条件下，轴承寿命仍得到提高。
显微剥落起源于表面凹凸不平的尖峰，靠近滚道上凸起沟的地方，开始出现为碎片损伤边缘或接触边缘，这与薄的润滑膜条件、低粘度的润滑剂和导致润滑剂从接触表面漏掉的表面条件（沟槽、凹槽或凹痕）有关。在这种工作条件下，局部应力可能稍高。
对后面两种类型的疲劳接触来说，疲劳损坏的位置比较特殊，通常是由引起显微剥落的那些不正常现象的显著发展造成的；对起始型表面类型来说，损坏位置可以是造成局部应力集中的较大的损伤。正如所指出的那样，如果这些点疲劳源损坏是由润滑系统中大的碎片微粒所造成，损伤的数目就比较少。因为这是一种局部的应力集中，试验数据表明，象用渗碳淬硬钢制造的圆锥滚子轴承这样的线接触轴承，对这种类型的损坏，其耐受力要比用淬透钢制造的点接触轴承强。
点表面源疲劳损坏的例子表明，损坏是从小型圆锥滚子轴承内圈表面上相当大的碎片凹坑开始产生的。在薄的润滑膜条件下，这种损坏类型以一种特有的箭头形外观扩展。
由于几何应力集中的出现和扩展，沿接触边缘的损坏模式是以一个相当大的局部应力增高作为特征的，高负荷与显著的偏位相结合，常常引起这种疲劳。
对多种不同损坏模式的辨别称之为损坏模式分析，这有助于确定保持轴承性能的使用工作条件，在轴承系统分析计算机程序中，对一般应用中的一定工作条件范围已数量化。这些技术的发展以及设计和制造能力的提高，使得铁姆肯公司开发出象P900轴承这样的顶尖水平的产品，并使轴承的性能得到了全面的提高。
待续 | 
IP卡
发表于 2013-1-19 23:04:36
显身卡
发表于 2013-1-7 09:55:24
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