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滑动轴承材料研究、故障形式 及其寿命预测

2011/11/4

演讲内容

由于滑动轴承的工作环境越来越复 杂,要求更多的滑动轴承在高温、 高负荷、强腐蚀的环境中工作,这 就对材料提出了更高的要求。

研究轴承的故障形式对于弄清轴承 的失效以及对其故障诊断具有现实 意义。

寿命预测对于轴承的大修与更换具 有参考价值。

这里介绍三种种常见 的滑动轴承寿命预测的方法。

一、滑动轴承材料研究

理想的滑动轴承材料应该具有的性能: (1)减摩性:材料要具有较低摩擦阻力的性质,与轴颈材料和 润滑剂有关。

(2)耐磨性:材料抵抗磨损的能力,与材料的显微组织、屈服 强度和硬度有关。

(3)抗咬合性:轴承工作时防止轴承和轴颈表面互相咬粘或防 止轴承和轴颈烧伤的能力,与材料的显微组织、剪切强度、 亲油性和表面氧化等有关,而且还与匹配轴的材质有关。

(4)可嵌入性:材料嵌入外来异物或污物,避免表面划伤或磨 损的能力,也即材料在硬颗粒作用下产生局部塑性变形的 能力,与材料的显微组织、屈服强度、硬度、合金层和镀 层的厚度有关。

(5)跑合性:依靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面 初始配合不良的性能,具有低弹性模数和好的可塑 性的软金属有良好的跑合性,在跑合过程中降低摩 擦力、温度和磨损量。

(6)承载能力:材料在低的摩擦因数和适度磨损时,能 承受最大载荷的能力,与材料的化学成分、润滑油 粘度、轴的状况和轴承工作温度有关。

(7)抗疲劳性:指材料在变载荷条件下,抵抗疲劳破坏 的能力,轴承发生疲劳破坏时,裂纹正好是从接近 材料表面受最大剪应力处开始,在多层滑动轴承材 料中,这种裂纹垂直于表面的方向往里蔓延,一直 到达背材的结合处,然后沿背材扩展并相互连接而 剥落,与材料的化学成分、轴承的表面缺陷、工作 温度、装配和润滑状况有关。

(8)亲油性:指材料易被润滑油湿润和在工作表面上形成边界 膜的能力,主要与材料的成分和润滑油的性质有关。

(9)耐蚀性:指材料抵抗腐蚀的能力,主要与材料中的化学成 分、环境中的腐蚀介质的种类有关。

? 实际上没有一种材料能同时满足这些性能要求。

因此,轴 承材料必须根据其使用条件进行合理的选择。

尽管可采用 的工程材料范围很广,但针对滑动轴承对材料所提的要求, 现代轴承材料主要有以下几种:巴氏合金、铜合金、铝合 金、多孔质金属材料、非金属材料,如塑料、碳、橡胶和 陶瓷等。

1.轴承合金(巴氏合金)

1839年JBabbitt发明了一种适合蒸汽发动机使用的白 色软质轴承合金,称为巴氏合金,由于其具有优良的滑动轴 承特性,广泛应用于从小型汽油发动机到大型柴油发动机 以及各种工程机械领域中,时至今日,它仍不失为一种较好 的滑动轴承材料。

起初巴氏合金主要是一种以锡锑为主的 合金,后经多年发展,为了节约昂贵的锡,逐渐采用铅基取 代锡基。

无论是锡基还是铅基,都是软质低熔点的材料,所 以其具有优良的减摩性、抗咬合性、可嵌入性以及跑合性, 然而其承载能力以及耐热、耐疲劳性能较差随着机械设备 向更高性能方向发展,巴氏合金还是逐渐失去了其在滑动 轴承材料中的主导地位,特别是20世纪70年代以后,采用巴 氏合金材料制作的轴承在汽车发动机中的使用量急剧减少, 尽管如此,巴氏合金在低载、高速条件下仍有广泛的应用。

2、铜合金轴承材料

伴随着汽车工业的发展,汽车发动机的性能不 断提高,要求滑动轴承具有更高的承载能力和高的 抗疲劳性能,因而铜合金材料逐渐取代巴氏合金而 成为滑动轴承的主导材料。

铜合金材料是目前使 用最多的一种轴承材料,其具有热传导性好、承载 能力强、熔点高、耐热性好,减摩性与耐磨性好 等特点。

其中铅青铜、锡青铜和铝青铜是最主要 的铜合金轴承材料。

锡青铜的减摩性与耐磨性最 好,但嵌入性差,适用于重载及中速场合。

铅青 铜抗粘附能力强,适用于高速、重载轴承。

铝青 铜强度硬度高,适用于低速,重载轴承。

3、铝合金材料

铝合金轴承材料的研究开发与使用起始于第一次世界 大战期间的德国,主要运用于一些军事装备上。

后来英美 日等国相继开展了铝合金轴承材料的研究。

铝合金有相当 好的耐腐蚀性和较高的疲劳强度,摩擦性能也较好。

这些 优点使得其在部分领域取代了较贵的轴承合金和青铜。

4、多孔质金属材料

这是用金属粉末压制、烧结而成的轴承材料又叫含油 轴承。

用粉末冶金法制作的轴承,具有多孔组织,可存储 润滑油,可用于加油不方便的场合。

运转时轴瓦温度升高, 由于油的膨胀系数比金属大, 油自动进入摩擦表面起到 润滑作用。

含油轴承加一次油,可使用较长时间。

5、无油润滑轴承材料

利用固体润滑剂实现自润滑的轴承称为 无油轴承。

作为固体润滑剂有软质金属(Au、 Ag、In、Sn、Pb)、氧化物(PbO、PbO4)、 氟化物(BaF2、CaF2)、硫化物(MoS2、WS2), 以及石墨、氟化石墨、各种树脂材料等,但 使用较多是石墨、MoS2和聚四氟乙烯(PTFE)树脂材料。

二、滑动轴承故障形式

滑动轴承的主要故障形式及形成原因: 1)正常磨损。

当轴承的磨损量累积到超过许用磨损 值时,就认为轴承失效。

其主要原因是超速、超载 运行,或在润滑油中含有杂质。

2)擦伤。

主要是由于轴承在启动或停止时,由于轴承 的油膜压力不够、润滑油太少或者润滑油中混有 杂质,导致轴承与轴颈表面发生直接接触而产生擦 伤。

3)胶合。

轴承在超负荷的运行状态下,局部的温度过 高、载荷过大或者缺少润滑油以及轴承座的振动, 使轴承与轴配合各表面直接接触而局部熔合在一 起。

4)烧瓦现象。

在高温、高速、高载荷的运行情况下,轴颈与 轴瓦材料发生热膨胀,轴承间隙消失,金属之间直接接触, 使得润滑油燃烧。

在高温下,轴瓦和轴颈表面的合金发生 局部熔化。

严重时,轴瓦与轴一起旋转或者咬死。

由于轴 承长时间在无润滑油条件下工作,使轴瓦温度急速上升。

5)疲劳破坏。

在交变载荷的作用下,轴承表面产生往复作用 的拉应力、压应力以及剪切应力,从而在轴承表面产生细 微裂纹,在不断的运行状态下,最后形成疲劳破坏 6)腐蚀破坏。

由于润滑油被氧化或者被污染,使轴承的工作 环境防腐蚀不良,轴承的工作表面有寄生电流通过,导致轴 承表面起毛及出现随机分布的不规则凹坑。

另外还有气蚀 失效和油膜振荡造成的轴承失效。

三、滑动轴承的寿命预测

一、平均值法 平均值法是一种简单的算法,对参加试验的多个相同 滑动轴承,按试验前、后对运动副零件尺寸的精密测量结 果,算出平均的磨损量,与滑动运动副允许的最大配合间 隙进行比较,得出运动副的使用寿命或更换期限,表示为:

式中 μmax———滑动轴承允许的最大配合间隙(mm) μ0———试验前初始配合间隙的平均值(mm) Δμ———试验后平均磨损量(mm/103h) T———滑动轴承的寿命或更换期限(103h)

umax ? u0 T? ?u

二、可靠性计算法 可靠性设计计算方法认为,作为滑动轴 承的支承孔、轴瓦和轴颈的尺寸由于加工 误差,都是服从一定分布的随机变量,在使 用过程中,轴承和轴颈的磨损量也是服从一 定分布的随机变量,不是定值。

在预测滑动 轴承的寿命时,应考虑上述变量的分布进行 计算,这样比较符合实际情况的。

三、模糊可靠性计算法 从失效的形式来讲,滑动轴承运动副的磨损失 效是一种耗损性失效,是一个由量变到质变的渐进 过程。

所以,不能采用处理突变性失效那样,用一 个明确的分界线将磨损状态划分为安全或不安全。

滑动轴承副的失效是一种由于磨损耗损,使轴承间 隙过大而引起的,从新的轴承副到轴承副失效,是 一个渐进的过程。

因此,我们可以采用模糊数学 方法来处理滑动运动副可靠性计算的问题,这主要 是选择模糊安全状态的隶属函数模型。


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