用于滾動軸承的疲勞評估的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種方法和裝備配置，用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限。該方法包括運(yùn)行被施加載荷的滾動軸承，這在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。此外，在接觸區(qū)中沿著滾動軸承的滾道部分次表面變化組被確定、測量并且用于參數(shù)數(shù)據(jù)值的產(chǎn)生，其中代表滾動軸承預(yù)測的疲勞極限的疲勞參數(shù)值基于所產(chǎn)生的次表面變化的數(shù)據(jù)組被確定。
【專利說明】用于滾動軸承的疲勞評估的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種方法或測試方法，用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限。該方法包括運(yùn)行包括多個布置在外圈和內(nèi)圈之間的滾動元件的滾動軸承，同時滾動軸承被施加載荷，這在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。
[0002]本發(fā)明還涉及用于測試滾動軸承的裝配配置，用于確定滾動接觸開始疲勞的疲勞極限，其中裝配配置包括用于運(yùn)行滾動軸承的測試設(shè)備，所述測試設(shè)備布置為在滾動軸承上施加載荷，以在滾動軸承的外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。
[0003]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝備配置可以比如說用于測試滾動軸承或者特定類型的滾動軸承組，并且評價該類型的特性，從而確定滾動接觸開始疲勞的疲勞極限。
【背景技術(shù)】
[0004]在操作過程中，比如良好潤滑、正確對準(zhǔn)以及充分阻止磨損和潮濕影響的滾動軸承仍會由于滾動接觸疲勞而失效。這種失效通常被觀測到金屬顆粒從軸承內(nèi)圈或外圈的滾道表面或者從滾動元件的表面剝落。剝落典型地作為表面下的次表面裂縫開始擴(kuò)散到表面，在施加載荷的表面中形成凹陷或碎裂。
[0005]為了改進(jìn)滾動軸承的使用和益處，重要的是能夠預(yù)測使用期限、壽命、耐性，這些可從在特定應(yīng)用的軸承中獲得。但是，由于滾動接觸疲勞，實現(xiàn)這種預(yù)測的能力被妨礙。
[0006]為了預(yù)測軸承疲勞參數(shù)，已經(jīng)建立了例如軸承疲勞壽命的理論壽命預(yù)測的統(tǒng)計程序。這種使用Weibull統(tǒng)計的預(yù)測基于大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過包括大量的受到明顯相同載荷、速度、潤滑和環(huán)境條件的明顯相同的滾動軸承的實驗技術(shù)收集到。
[0007]用于測試軸承的壽命或耐性、參數(shù)的方法還用于評價和估定軸承的軸承材料和制造工藝，例如表面成形和熱處理過程。但是，在滾動接觸應(yīng)用中次表面開始疲勞的起始和發(fā)展的評估非常消耗時間、成本并且由于比如試驗疲勞數(shù)據(jù)的分散而難以測量和預(yù)測。為了評估用于軸承鋼部件生產(chǎn)的有用性，使用的已知方法包括巨大費(fèi)用支出和時間，并且無數(shù)的在超過特定應(yīng)用實際條件的條件下測試的軸承的使用妨礙了所有這些方法。換言之，即使使用了加快的技術(shù)，為獲得有效的軸承壽命估計必須用相對長時間測試大量的軸承，這其中測試成本接近于軸承測試樣品的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的上述以及其它缺陷，本發(fā)明的基本目的是提出一種用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限的方法，其中該方法包括運(yùn)行包括設(shè)置在外圈和內(nèi)圈之間的多個滾動元件的滾動軸承，同時滾動軸承被施加載荷，這在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。該方法還包括識別沿著滾動軸承的滾道部分的接觸區(qū)中的次表面變化組，并且對于滾道部分中的每個次表面變化測量代表次表面深度的位置參數(shù)值和代表接觸區(qū)中接觸應(yīng)力的應(yīng)力參數(shù)值。另外，該方法包括對于每個次表面變化產(chǎn)生關(guān)于應(yīng)力參數(shù)值的包括位置參數(shù)值的次表面變化的數(shù)據(jù)組，以及基于所產(chǎn)生的次表面變化的數(shù)據(jù)組確定代表滾動軸承的預(yù)測疲勞極限的疲勞參數(shù)值。
[0009]優(yōu)選地，本發(fā)明實現(xiàn)了評估滾動軸承中例如鋼對滾動接觸疲勞阻力的改進(jìn)的方法，其中該方法提供了滾動接觸疲勞極限的解決方法以及定義。特別地，該方法用單一或可觀地更少的測試樣本提供更加有效以及簡化的低成本可能性來實現(xiàn)特定的相關(guān)軸承屬性組合的疲勞極限預(yù)測，例如為機(jī)加工選定的熱處理和選定的軸承鋼材料、鋼對于表面開始疲勞的阻力以及組合鋼和熱處理對于接觸應(yīng)力響應(yīng)的估計。
[0010]換言之，本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)知，S卩，通過提供一種用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限的測試方法，更快以及更有效的手段提供有意義的結(jié)果以及預(yù)測，所述方法能夠?qū)崿F(xiàn)次表面變化開始和發(fā)展的統(tǒng)計性評估，例如在單個測試樣本中蝴蝶以及蝴蝶翼形的形成的開始和進(jìn)展。此外，通過限定沿著滾動軸承滾道部分的次表面開始疲勞和接觸應(yīng)力之間的關(guān)系，不同應(yīng)力水平之間應(yīng)力條件的評估在單個測試樣本中實現(xiàn)，例如從非常高或最大到零或者其它合適的應(yīng)力條件范圍的應(yīng)力條件。因此，對比于不直接提供以及不提供滾動接觸疲勞極限的直接預(yù)測的已知現(xiàn)有技術(shù)中的測試方法，本方法簡化并且加速接觸應(yīng)力和次表面開始疲勞之間的關(guān)系的預(yù)測和限定。
[0011]例如，當(dāng)評估引入對于滾動軸承應(yīng)用的新的鋼鐵冶煉和處理方法時，根據(jù)本發(fā)明的實施方式用于確定所述的疲勞極限的方法可有利地對比數(shù)個因素，例如不同的鋼成分或者相同的鋼成分的不同熱處理。因此，該方法有利地允許不同的軸承樣本的參數(shù)之間的快速預(yù)測和相關(guān)對比。
[0012]例如，通過產(chǎn)生包括位置參數(shù)值的數(shù)據(jù)組以及與分別的次表面變化相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)，該方法允許提取出接觸應(yīng)力和接觸區(qū)中次表面變化之間的有用的關(guān)系，用于疲勞極限預(yù)測。例如，對于單個測試對象，使次表面結(jié)構(gòu)變化的形成與在產(chǎn)生它的應(yīng)力集中源位置所經(jīng)歷的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)，并且基于這一關(guān)聯(lián)確定疲勞極限預(yù)測。例如，疲勞極限預(yù)測的確定可通過分析數(shù)據(jù)組實現(xiàn)，用于識別次表面變化的分布以及所產(chǎn)生的次表面變化對于深度和接觸應(yīng)力的相關(guān)性。次表面變化參數(shù)值的數(shù)據(jù)組可以解析地、數(shù)值地或者圖形地分析，例如通過繪制接觸應(yīng)力/次表面深度分布。因此，數(shù)據(jù)組可有利地被用于例如限定接觸應(yīng)力/深度圖或空間，其代表產(chǎn)生以及識別的測軸承的次表面變化的特性。例如，單個測試軸承的測試可涉及外圈或內(nèi)圈的滾道部分的接觸區(qū)中至少20個次表面變化、或者至少50個、至少100個、至少500個單獨(dú)的次表面變化的產(chǎn)生。
[0013]根據(jù)本發(fā)明示例性的實施方式，該方法還包括確定代表接觸區(qū)中剪切應(yīng)力的至少一個剪切應(yīng)力水平參數(shù)值，其中剪切應(yīng)力參數(shù)取決于接觸區(qū)深度和施加的接觸應(yīng)力。因此，在單個測試軸承樣品中，與多個次表面變化相關(guān)的代表涉及表面以下深度、應(yīng)力條件的參數(shù)值的數(shù)據(jù)組可與確定的剪切應(yīng)力水平參數(shù)值組合使用，用于確定疲勞極限。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，確定疲勞參數(shù)值的步驟還包括將至少一個剪切應(yīng)力水平參數(shù)值與次表面變化的數(shù)據(jù)組對比。例如，通過使用例如接觸應(yīng)力-深度圖結(jié)合一個或多個剪切應(yīng)力水平，估定和評價關(guān)于剪切應(yīng)力水平的以所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組形式的測試數(shù)據(jù)。通過分析與次表面變化相關(guān)的參數(shù)值，為了開始次表面變化的發(fā)展而必需超過的應(yīng)力極限、或者損失的預(yù)測是可能的。為了開始次表面變化而必需超過的應(yīng)力極限可通過數(shù)據(jù)組的解析、圖像或數(shù)值分析確定。
[0014]根據(jù)一實施例，疲勞參數(shù)值基于剪切應(yīng)力水平參數(shù)值確定，在滾動軸承運(yùn)行期間，低于該剪切應(yīng)力水平參數(shù)值的情況下不產(chǎn)生或者產(chǎn)生少于5%或者少于10%的次表面變化。因此，對于單個測試對象，可基于與所識別的次表面變化和確定的剪切應(yīng)力水平相關(guān)的收集到的參數(shù)數(shù)據(jù)有利地預(yù)測疲勞參數(shù)。換言之，可確定代表疲勞極限的固定的剪切應(yīng)力水平，其中在超出固定應(yīng)力水平的條件時，形成與數(shù)據(jù)組相關(guān)的以及在數(shù)據(jù)組中描述的所識別的次表面變化的基本上全部或者95%、或者90%。因此，在確定疲勞極限時，該方法有利地說明了發(fā)生在不同深度以及對于在單個軸承中的不同應(yīng)力條件的次表面變化的范圍。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施方式，確定失效參數(shù)值的步驟還包括確定連續(xù)的剪切應(yīng)力水平值的剪切間隔組、對于各剪切間隔確定代表位于各剪切間隔內(nèi)的次表面變化數(shù)目的頻率參數(shù)值，以及通過估計剪切間隔組合頻率參數(shù)之間的關(guān)系評估疲勞參數(shù)值。因此提出了用于分析和取得疲勞極限預(yù)測的有效方法。例如，通過數(shù)據(jù)組限定的接觸應(yīng)力/深度圖或空間可隨著在測試軸承樣品運(yùn)行時使用的特定測定條件得到的剪切應(yīng)力曲線增加，其中曲線限定了數(shù)據(jù)組中分開的組或者間隔。因此，基于次表面變化的收集到的數(shù)據(jù)，識別位于每個剪切應(yīng)力組的次表面變化頻率并且用于疲勞極限的數(shù)值化、解析化以及圖像化估計。例如，曲線擬合、多數(shù)據(jù)插值方法或者最小二乘方技術(shù)可用來基于與接觸應(yīng)力/深度數(shù)據(jù)組相關(guān)的次表面變化的頻率確定趨勢和曲線。
[0016]此外，根據(jù)本發(fā)明所述的實施方式，所施加的載荷產(chǎn)生滾動接觸應(yīng)力或最大滾動接觸應(yīng)力，至少大于3000MPa、至少大于4000MPa或至少大于4500MPa。因此，提供了高接觸應(yīng)力，這有利地加速次表面變化的開始和發(fā)展。例如，在滾動元件和外球形滾道之間具有點(diǎn)接觸的自調(diào)心軸承可在1800rpm的測試設(shè)備中運(yùn)行，并且具有產(chǎn)生4.9GPa的外圈接觸應(yīng)力的徑向載荷18kN。相對高的徑向載荷(例如在15和20kN之間)有利地提供了滾道中的高接觸應(yīng)力條件，這將產(chǎn)生統(tǒng)計上相關(guān)的次表面變化數(shù)量。這還允許了對于單個測試對象或兩個、五個或一些測試對象組，關(guān)于預(yù)測疲勞極限方面在統(tǒng)計上改良的以及相關(guān)的結(jié)果。
[0017]根據(jù)實施方式的載荷可以是徑向點(diǎn)載荷或者作用在基本上圓形或者點(diǎn)形面積中的載荷。此外，取決于哪一個在旋轉(zhuǎn)，載荷可關(guān)于外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)固定。換言之，載荷關(guān)于不旋轉(zhuǎn)圈的接觸區(qū)固定，在該接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。這就意味著，與載荷接觸點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，施加在滾道的接觸區(qū)中的接觸應(yīng)力沿著滾道部分相對于距離或位置不同。
[0018]例如，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，滾道部分包括最大載荷點(diǎn)或最大接觸應(yīng)力點(diǎn)，并且滾道部分從最大載荷點(diǎn)延伸至少整個滾道的四分之一。因此在該部分中產(chǎn)生的基本上所有的次表面變化可被識別并且分析，其中滾道部分的延伸包括適合的接觸應(yīng)力梯度。特別地，根據(jù)所施加的載荷或操作屬性、例如預(yù)載荷等，接觸應(yīng)力數(shù)量是可變化的，從在載荷接觸點(diǎn)位置的最大值變化到在例如與載荷接觸點(diǎn)有四分之一滾道距離位置處的低水平或者最小值。
[0019]根據(jù)另一示例性實施方式，該方法還包括沿著滾道切割穿過接觸區(qū)或者磨削至接觸區(qū)，其中切割表面或者磨削表面與具有法向方向的幾何平面一致，所述法向方向與滾動軸承的軸向方向一致。通過切割或磨削軸承至接觸區(qū)從而使得橫截面具有法向方向、該法向方向與軸承的軸向方向一致，沿著滾道部分的次表面變化可以有效的方式識別和測量。例如，根據(jù)有利的實施方式，識別和測量次表面變化的步驟包括視覺或光學(xué)檢查，例如高倍數(shù)光學(xué)檢查、顯微鏡方法、掃描電子顯微鏡方法等。其它檢查方法還包括基于冶金和維度的測量和檢查，和/或化學(xué)評估方法。[0020]在本發(fā)明的又一實施方式中，所述方法包括在滾動軸承運(yùn)行期間監(jiān)控疲勞失效的發(fā)生以及運(yùn)行滾動軸承直至達(dá)到預(yù)定的疲勞失效參數(shù)。用于指示疲勞的操作參數(shù)可以是振動、噪音和/或溫度等。
[0021]典型地但并不限于這種使用，根據(jù)本發(fā)明的實施方式所述的方法被用于確定球軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限，例如自調(diào)心球軸承。特別地，例如外圈滾道的球形幾何形狀能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)心性能，意味著球和滾道之間具有足夠高接觸應(yīng)力水平的點(diǎn)接觸。應(yīng)當(dāng)注意的是，點(diǎn)接觸典型地指的是在球和滾道相遇處的特定的基本上圓形的面積，可與包括滾子元件的軸承相比，所述滾子元件具有更大的橢圓形接觸面。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，它涉及包括程序代碼方法的計算機(jī)程序，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明所述實施方式的任一個所述的方法，其中程序由至少一臺微處理器運(yùn)行。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明涉及一種用于測試滾動軸承的裝備配置，包括用于運(yùn)行包括多個布置在外圈和內(nèi)圈之間的滾動元件的滾動軸承的測試設(shè)備。測試設(shè)備布置為在滾動軸承上施加載荷，用來在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化。另外，裝備配置還包括測量裝置，所述測量裝置布置用于識別沿著滾動軸承滾道部分的接觸區(qū)中的次表面變化組，其中所述測量裝置還布置為對于滾道部分中的每個次表面變化測量代表次表面深度的位置測量值以及代表接觸區(qū)中接觸應(yīng)力的應(yīng)力參數(shù)值，以及控制單元，所述控制單元配置用于收集參數(shù)值并且產(chǎn)生次表面變化的數(shù)據(jù)組，對于每個次表面變化所述數(shù)據(jù)組包括關(guān)于應(yīng)力參數(shù)值的位置參數(shù)值，其中控制單元還配置為基于所產(chǎn)生的次表面變化數(shù)據(jù)組確定代表滾動軸承的預(yù)測疲勞極限的疲勞參數(shù)值。
[0024]有利的是，根據(jù)本發(fā)明的裝備配置允許在滾動軸承中例如鋼對滾動接觸疲勞阻力的經(jīng)過改善的評價和估定。此外，該裝備實現(xiàn)了限定滾動接觸疲勞極限的有效的和改良的方法。特別地，該裝備用單一或顯著更少的測試樣本提供更加有效以及低成本可能性來實現(xiàn)特定的相關(guān)軸承屬性組合的疲勞極限預(yù)測，例如為制造所選定的熱處理和所選定的軸承鋼材料、鋼對于次表面開始疲勞的阻力以及響應(yīng)于接觸應(yīng)力的熱處理和組合鋼的評估。此夕卜，該裝備配置按照本發(fā)明所述的方法和方法實施方式配置會更加有利。
[0025]從以下具體的公開并且從所附從屬權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特點(diǎn)和優(yōu)勢將表現(xiàn)出來。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]參考表示至少一個本發(fā)明的示例性實施方式的附圖，現(xiàn)將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
[0027]圖1a是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明所述的方法的實施方式的流程圖。
[0028]圖1b是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明所述的方法的實施方式的流程圖。
[0029]圖2a示意性地表示自調(diào)心球軸承的切開視圖。
[0030]圖2b示意性地表示自調(diào)心球軸承的橫截面視圖。
[0031]圖3示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式所述的用于測試的軸承外圈的兩個側(cè)視圖。
[0032]圖4示意性地表示沿著軸承滾道在接觸區(qū)中所產(chǎn)生的示例性的次表面變化。
[0033]圖5示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方式所述的所產(chǎn)生的次表面變化參數(shù)值數(shù)據(jù)組的圖像表現(xiàn)。[0034]圖6圖像表示在根據(jù)本發(fā)明實施方式所述的接觸應(yīng)力/深度圖中所確定的剪切應(yīng)力水平。
[0035]圖7a至c示意性且圖像表示基于根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方式所述的第一示例性測試的次表面變化和疲勞極限近似。
[0036]圖8a至b示意性且圖像表示基于根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方式所述的第二示例性測試的次表面變化和疲勞極限近似。
[0037]圖9示意性表示根據(jù)本發(fā)明所述的裝備配置的實施方式。
【具體實施方式】
[0038]在附圖中，相似或相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。附圖僅僅是示意性的表示，并不是真實比例并且不應(yīng)該當(dāng)成限制本發(fā)明的范圍。
[0039]在圖1a至b中，示意性的流程圖表示根據(jù)本發(fā)明的兩個不同方法實施方式I和Ilo參考圖la，在初始運(yùn)行軸承步驟2中，測試軸承在測試設(shè)備中運(yùn)轉(zhuǎn)，例如SKF R-2測試機(jī)，其中測試軸承經(jīng)受機(jī)械載荷，該機(jī)械載荷在滾道接觸區(qū)產(chǎn)生次表面變化。接觸區(qū)由滾道材料的三維體積形成，其受到內(nèi)應(yīng)力和剪切應(yīng)力條件，這種條件在例如球形滾動元件和滾道之間的點(diǎn)狀滾動接觸面產(chǎn)生并且開始。典型地，測試軸承運(yùn)行直到碎裂或次表面開始疲勞失效發(fā)生、或者直到運(yùn)行程序的有意中止。運(yùn)行之后，在識別步驟3中，沿著測試軸承的外圈或內(nèi)圈的滾道的接觸區(qū)受到檢查，其中次表面變化的一組統(tǒng)計上的相關(guān)數(shù)量、例如由內(nèi)含物產(chǎn)生的蝴蝶形被識別出。識別可以通過例如包括光學(xué)、視覺的不同技術(shù)檢查部分滾道的接觸區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來完成。
[0040]在測量步驟4中，對于被檢查的滾道部分中每個次表面變化，測量代表接觸區(qū)中的接觸應(yīng)力的應(yīng)力參數(shù)值和次表面深度的位置參數(shù)值。例如，相對于所施加的載荷，由次表面變化產(chǎn)生的每個結(jié)構(gòu)特征的位置關(guān)于其進(jìn)入滾道的深度及其圓周位置被記錄。此外，產(chǎn)生蝴蝶形的內(nèi)含物大小以及所產(chǎn)生的翼形的最大(一側(cè))尺寸可通過光學(xué)顯微鏡在500倍放大倍數(shù)下檢查而被測量和記錄。
[0041]例如，沿著外圈或內(nèi)圈的滾道部分的接觸區(qū)在延伸穿過滾道接觸區(qū)的縱向的“Melander”切割上得到檢查。另外，對于每個次表面變化的位置和應(yīng)力參數(shù)值可在每個變化識別之后直接測量?？商娲氖?，一組次表面變化在第一步驟中被識別，之后與每個分別的次表面變化相關(guān)的參數(shù)值在之后的步驟中被測量。
[0042]如圖1a所示，該方法包括產(chǎn)生數(shù)據(jù)組步驟5，其中次表面變化的數(shù)據(jù)組產(chǎn)生，該數(shù)據(jù)組包括對于每個次表面變化的關(guān)于應(yīng)力參數(shù)值的位置參數(shù)值。因此，所收集的數(shù)據(jù)匯集到包括參數(shù)值信息的數(shù)據(jù)組中，該數(shù)據(jù)組被用于限定沿著滾動軸承的滾道部分次表面開始疲勞和接觸應(yīng)力之間的關(guān)系。另外，它允許不同應(yīng)力水平之間的應(yīng)力條件評估在單一的測試樣本中實現(xiàn)，例如應(yīng)力條件從非常高或最大到零或其它合適范圍的應(yīng)力條件。例如，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組包括代表位置數(shù)據(jù)的一組第一數(shù)值、表示所識別的次表面變化組的每一個的滾道深度，以及代表應(yīng)力參數(shù)的一組相應(yīng)的第二數(shù)值、表示與所識別的次表面變化的組相關(guān)的接觸應(yīng)力值，其中應(yīng)力值由次表面變化到施加機(jī)械載荷的滾道上的載荷接觸點(diǎn)的距離或角距離確定。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組還可以包括與次表面變化相關(guān)的額外的參數(shù)值，例如蝴蝶成長、次表面變化關(guān)于主滾道方向的縱向延伸的橫向或軸向位置、次表面成長方向、測試方法的一般操作條件，以及次表面變化的類型。
[0043]如圖1a所示，方法I包括確定疲勞預(yù)測步驟6，其中代表滾動軸承預(yù)測疲勞極限的疲勞參數(shù)值基于所產(chǎn)生的次表面變化的數(shù)據(jù)組確定。換言之，可以分析從單個軸承測試對象得到的參數(shù)值的數(shù)據(jù)組從而確定例如接觸應(yīng)力值、內(nèi)部剪切應(yīng)力值或表示所測試軸承類型的預(yù)測疲勞極限的等效靜態(tài)軸承載荷值。因此提出了一種用于預(yù)測或?qū)Ρ葐蝹€或一組軸承的疲勞屬性的有效、通用、快速的方法。
[0044]參考圖lb，用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限的方法22包括與圖1a所述相似的初始操作步驟，即，運(yùn)行軸承的步驟12、次表面變化的識別13、測量次表面變化的參數(shù)值14以及產(chǎn)生數(shù)據(jù)組15。如圖所示，方法11包括確定剪切應(yīng)力水平間隔步驟16，其中適合的剪切應(yīng)力值間隔被確定并且被用于分析和在圖上標(biāo)出數(shù)據(jù)組中的參數(shù)值。特別地，剪切應(yīng)力間隔被用來基于它們相關(guān)的參數(shù)值將次表面變化分組。如圖1b所示，這在確定頻率參數(shù)步驟17中進(jìn)行，其中代表位于每個剪切間隔內(nèi)的次表面變化的數(shù)目的頻率參數(shù)值被確定。基于頻率參數(shù)，方法11還包括估計疲勞參數(shù)步驟18，該步驟包括通過估計剪切間隔組和頻率參數(shù)之間的關(guān)系估計疲勞參數(shù)值。
[0045]圖2a示意性地表示自調(diào)心球軸承20的透視剖視圖。特別地，球軸承20包括適合的測試軸承，其適用于根據(jù)本發(fā)明的疲勞測試和預(yù)測。球軸承20包括多個布置在外圈22和內(nèi)圈23之間的相鄰兩排中的呈球21形式的滾動元件?？紤]到球軸承20的幾何形狀，它包括具有溝槽的內(nèi)圈溝槽30，所述溝槽在球21和內(nèi)圈23之間提供了增加的滾動接觸面積。因此，在測試時施加的載荷分布到較大的面積上，這意味著在內(nèi)圈中將會產(chǎn)生典型地在統(tǒng)計上不相關(guān)的低數(shù)量的次表面變化。但是，外圈23的滾道31和球之間的滾動接觸形成小的點(diǎn)接觸，這種點(diǎn)接觸將施加的載荷集中到滾道31上，這增加了次表面變化的生成。根據(jù)本發(fā)明所述的方法的實施方式，它用于這樣的測試軸承:具有能充分實現(xiàn)高接觸應(yīng)力或正常應(yīng)力(例如在3000到6000MPa范圍內(nèi))的幾何形狀。例如，適合的滾動軸承類型包括但并不限于在滾動元件和內(nèi)圈或外圈之間具有單個、兩個以及有限數(shù)量點(diǎn)接觸的軸承。
[0046]圖2b示意性地表示自調(diào)心球軸承20的橫截面視圖。如圖所示,外圈23的徑向內(nèi)側(cè)包括彎曲的或球形的橫截面形狀，其中球21a和滾道31之間的滾動接觸面積限定接觸區(qū)24a，其中由于施加的載荷該接觸區(qū)中產(chǎn)生應(yīng)力和剪切應(yīng)力。因此，接觸區(qū)包括體積，其中次表面變化主要在滾道31接觸區(qū)下的外圈內(nèi)的給定深度、典型地是在最大剪切應(yīng)力位置開始和發(fā)展。
[0047]圖3示意性表示根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于測試的軸承的外圈22的兩個側(cè)視圖。在左視圖中表示出在測試時施加于軸承載荷L。該載荷關(guān)于被測試的外圈22是固定的并且限定最大載荷點(diǎn)(用A表示)。載荷L產(chǎn)生的接觸應(yīng)力(用B表示)在朝向低載荷點(diǎn)的方向上減小。在測試設(shè)備中運(yùn)行軸承之后，檢查最大載荷點(diǎn)A和低載荷點(diǎn)B之間限定的滾道的一部分25，用于次表面變化的識別和測量。如圖所示，滾道的一部分25對應(yīng)于90度的角距離?？申P(guān)于最大載荷點(diǎn)A與角距離相應(yīng)，范圍在30度到150度之間、45度到135度之間或者70度到110之間?？商娲氖?，可收集到沿著滾道31全長的來自次表面變化的數(shù)據(jù)。
[0048]圖3的右視圖表示外圈22的徑向外側(cè)，其中在測試設(shè)備中運(yùn)行軸承之后，可通過Melander切割(如26所示)檢查中央滾道區(qū)域，由此提供測試軸承接觸區(qū)和滾道的橫截面圖?？梢赃@樣提供切割，即，通過將外圈分成沿著26的兩部分或者通過例如以平面的方式軸向地磨削將材料移除到外圈中，從而提供在法線方向與外圈22的軸向一致的平面中延伸的檢查表面。
[0049]圖4表示根據(jù)本發(fā)明所屬的在測試期間在接觸區(qū)中沿著軸承滾道產(chǎn)生的示例性的次表面變化40。變化40包括具有翼形41和42的典型的蝴蝶狀。此外，內(nèi)含物43的大小和組成是驅(qū)使與蝴蝶狀翼形41和42相關(guān)的微裂紋發(fā)展的典型參數(shù)。典型地，例如蝴蝶等的次表面變化發(fā)生在與最大剪切應(yīng)力水平的深度一致的深度，所述水平被認(rèn)為是接觸區(qū)中的微裂紋發(fā)展的主要起作用的應(yīng)力動因。
[0050]圖5示意性地表示根據(jù)本發(fā)明所述的方法的實施方式的示例性的次表面變化參數(shù)值的數(shù)據(jù)組的圖形表示。在測試方法中識別的每個次表面變化的位置和應(yīng)力參數(shù)值已被繪制到接觸應(yīng)力/深度圖中，其中每個點(diǎn)代表次表面變化。垂直軸線代表位置參數(shù)，其與次表面變化位于接觸區(qū)中多深相對應(yīng)，而水平軸線對應(yīng)于所施加機(jī)械載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力條件。更具體地，所施加的載荷在如圖3所示的最大載荷點(diǎn)L處產(chǎn)生最大接觸應(yīng)力4900MPa。從繪制的數(shù)據(jù)能看出，在非?？拷畲筝d荷點(diǎn)處產(chǎn)生次表面變化的數(shù)目增加。從繪制的接觸應(yīng)力/深度圖中的次表面變化數(shù)據(jù)組的分布可進(jìn)一步得出，具有最大深度的次表面變化也非?？拷鼒D右側(cè)的最大載荷點(diǎn)。
[0051]圖6表示根據(jù)本發(fā)明實施方式的接觸應(yīng)力/深度圖中的示例性的剪切應(yīng)力水平參數(shù)值。剪切應(yīng)力水平參數(shù)值代表接觸區(qū)中的剪切應(yīng)力并且取決于接觸區(qū)深度和施加的接觸應(yīng)力。剪切應(yīng)力水平值在200到IlOOMPa范圍內(nèi)繪制，如上垂直軸線所示。例如，通過識別沒有次表面變化形成的適合的剪切應(yīng)力水平值可以提供基于包含在所繪制的次表面變化的數(shù)據(jù)組中的信息的疲勞極限。
[0052]參考圖7和圖8，通過示意性地并且圖像表示來自根據(jù)本方法的實施方式所述的第一和第二示例性測試的次表面變化數(shù)據(jù)和疲勞極限值，提出本發(fā)明的兩種應(yīng)用。更具體地，對于引入用于滾動軸承應(yīng)用的新的鋼鐵冶煉和處理方法的可能性評估，測試方法和評估程序用于比較多個因素。
[0053]參考圖7a至C，表示包括不充分地?zé)釡p少的標(biāo)準(zhǔn)鋼的自調(diào)心球軸承的測試數(shù)據(jù)，其中圖8a至b包括具有一定程度的熱成型減少的高潔凈度鋼的相似軸承的測試數(shù)據(jù)。
[0054]在圖7a中，次表面變化的數(shù)據(jù)組繪制在接觸應(yīng)力/深度圖中，以及所確定的連續(xù)的剪切應(yīng)力水平值的剪切間隔的組。在圖7b中繪制了確定的頻率參數(shù)值，代表位于每個剪切間隔內(nèi)的次表面變化的數(shù)目，其中剪切應(yīng)力間隔和次表面變化的數(shù)目之間的關(guān)系近似通過曲線擬合來近似。在圖7c中數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步概括，其中結(jié)果已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成所檢查的滾道部分的投影的每單元面積的次表面變化的數(shù)目。例如，基于示例性數(shù)據(jù)的曲線擬合提供了220MPa的估計疲勞極限值，即每單位面積的為零的次表面變化的近似值。高潔凈度鋼的次表面變化的數(shù)據(jù)組以類似方式圖像繪制在圖8a中。關(guān)于剪切應(yīng)力水平間隔的次表面變化頻率的類比分析提供了每單位面積的變化數(shù)目的一般化結(jié)果，如圖8b所示。對于該軸承，以相同方式所計算的估計疲勞極限增加至350MPa。
[0055]根據(jù)本方法的實施方式的示例性測試中，軸承在使用以1800rpm運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)SKFR-2機(jī)器的相同條件下運(yùn)行。機(jī)械地施加ISkN的純徑向載荷，用于給予外圈4.9GPa的Po、
2.16的C/P、未調(diào)整的IOMrevs的LlO壽命以及未調(diào)整的12.8Mrevs的LlOmh壽命估計。循環(huán)的油潤滑系統(tǒng)與作為潤滑劑的殼牌多寶100(Shell TurbolOO) 一起使用。給出2.61的卡帕值K”，軸承外圈操作溫度維持在70至80攝氏度。測試由靈敏維護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控，并且運(yùn)行至碎裂發(fā)生或者有意中止。圖9示意性表示用于測試滾動軸承的示例性的裝備配置90，其中裝備配置90包括設(shè)置用于在測試運(yùn)行期間在滾動軸承上施加載荷的測試設(shè)備91、布置用于識別在測試運(yùn)行期間產(chǎn)生的次表面變化組的測量裝置92，以及配置或指示用于采集參數(shù)值并且確定代表預(yù)測的疲勞極限的疲勞參數(shù)值的控制單元93?？刂茊卧?3可包括例如微處理器和存儲裝置、或者進(jìn)行疲勞極限預(yù)測的操作者。
[0056]應(yīng)當(dāng)注意的是，上面已經(jīng)參考一些實施方式描述了本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地領(lǐng)會到，在本發(fā)明范圍內(nèi)、由所附專利實施方式限定的未在上面公開的其它實施方式是同樣可能的。還應(yīng)當(dāng)注意到，在權(quán)利要求中“包括”一詞并不排除多個。單個裝備或其它單元可滿足權(quán)利要求所述的數(shù)項的功能。在相互不同的從屬權(quán)利要求中所述的某些測量的僅有事實并不表示這些測量的組合不能更優(yōu)。應(yīng)當(dāng)注意的時，根據(jù)本發(fā)明所述的方法和裝置配置可以不同的順序執(zhí)行或操作。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定滾動軸承的滾動接觸開始疲勞的疲勞極限的方法，該方法包括: 運(yùn)行滾動軸承(20)，所述滾動軸承包括多個布置在外圈(22)和內(nèi)圈(23)之間的滾動元件(21),所述滾動軸承被施加載荷,這在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)(24a ;24b)中產(chǎn)生次表面變化， -識別(3)沿著滾動軸承滾道部分(25)的接觸區(qū)中的一組次表面變化，以及-對于滾道部分中的每個次表面變化，測量(4)代表次表面深度的位置參數(shù)值和代表接觸區(qū)中的接觸應(yīng)力的應(yīng)力參數(shù)值，其中該方法還包括: -對于每個次表面變化產(chǎn)生包括關(guān)于應(yīng)力參數(shù)值的位置參數(shù)值的次表面變化的數(shù)據(jù)組，以及 -基于所產(chǎn)生的次表面變化的數(shù)據(jù)組確定(6)代表滾動軸承的預(yù)測疲勞極限的疲勞參數(shù)值。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(I)，還包括確定至少一個代表接觸區(qū)(24a)中的剪切應(yīng)力的剪切應(yīng)力水平參數(shù)值，其中所述剪切應(yīng)力參數(shù)值取決于接觸區(qū)深度和所施加的接觸應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法(I)，其中確定疲勞參數(shù)值的步驟還包括將至少一個剪切應(yīng)力水平參數(shù)值與次表面變化的數(shù)據(jù)組進(jìn)行對比。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(I)，其中疲勞參數(shù)值的確定基于剪切應(yīng)力水平參數(shù)值，在滾動軸承運(yùn)行期間低于 該剪切應(yīng)力水平參數(shù)值不產(chǎn)生或產(chǎn)生低于5%或低于10%的次表面變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(I)，其中確定疲勞參數(shù)值的步驟還包括: 確定(16)連續(xù)剪切應(yīng)力水平值的一組剪切間隔， 對于每個剪切間隔，確定(17)代表位于每個剪切間隔內(nèi)的次表面變化數(shù)目的頻率參數(shù)值，以及 通過估計(18)剪切間隔的組和頻率參數(shù)之間的關(guān)系預(yù)估疲勞參數(shù)值。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(1)，其中所施加的載荷形成至少高于3000MPa或至少高于4000Mpa或至少高于4500Mpa的滾動接觸應(yīng)力。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(I)，其中所述載荷是徑向點(diǎn)載荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(I)，其中所述載荷關(guān)于滾動元件接觸區(qū)固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中的任一項所述的方法(1)，其中滾道部分包括最大載荷點(diǎn)，并且 其中滾道部分從最大載荷點(diǎn)延伸至少整個滾道的四分之一。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(I)，還包括沿著滾道切割穿過接觸區(qū)或者磨削至接觸區(qū)，其中切割表面與具有法向方向的幾何平面一致，所述法向方向與滾動軸承的軸向方向一致。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法(I)，其中識別和測量次表面變化的步驟包括視覺或光學(xué)檢查。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(I)，其中所述方法還包括在滾動軸承運(yùn)行期間監(jiān)控疲勞失效的發(fā)生以及運(yùn)行滾動軸承直至達(dá)到預(yù)定的疲勞失效參數(shù)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法(I)，其中滾動軸承是自調(diào)心球軸承。
14.一種用來實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項所述的方法(I)的包括程序代碼方法的計算機(jī)程序，其中程序由至少一臺微處理器運(yùn)行。
15.一種用于測試滾動軸承的裝備配置，其包括 用于運(yùn)行包括多個布置在外圈和內(nèi)圈之間的滾動元件的滾動軸承的測試設(shè)備，其中測試設(shè)備布置為在滾動軸承上施加載荷，用來在外圈或內(nèi)圈的滾動元件接觸區(qū)中產(chǎn)生次表面變化，其中裝備配置還包括， 測量裝置，所述測量裝置布置用于識別沿著滾動軸承的滾道部分的接觸區(qū)中的次表面變化組，其中所述測量裝置還布置為對于滾道部分中的每個次表面變化測量代表次表面深度的位置參數(shù)值以及代表接觸區(qū)中接觸應(yīng)力的應(yīng)力參數(shù)值，以及 控制單元，所述控制單元配置用于收集參數(shù)值并且產(chǎn)生次表面變化的數(shù)據(jù)組，對于每個次表面變化，所述數(shù)據(jù)組包括關(guān)于應(yīng)力參數(shù)值的位置參數(shù)值，其中控制單元還配置為基于所產(chǎn)生的次表面變化的數(shù)據(jù)組確定代表滾動軸承的預(yù)測疲勞極限的疲勞參數(shù)值。
【文檔編號】F16C19/00GK103748449SQ201280027418
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月4日
【發(fā)明者】T.倫德, K.賴登 申請人:Skf公司