滚动轴承性能变异的近代统计学分析

第1章 绪论 本章论述滚动轴承的类型与用途，主要内容包括滚动轴承的失效机理，滚动轴承的性能特征，滚动轴承性能研究的现状与进展，滚动轴承性能变异研究的基本思路等。 1.1 滚动轴承概述 滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架等多个元件组成，特殊情况下可以无内圈或外圈，由相配的轴或轴套代替。滚动体在套圈滚道上滚动，实现轴与机座的相对旋转、摆动或往复直线运动。分离型轴承的保持架把滚动体结合成一个组件，既便于安装，又防止严格分组的滚动体互相混淆。滚动轴承的种类繁多，每种类型又有许多不同的结构形式，以满足不同的需要。 1.1.1 滚动轴承的类型与用途 1.向心球轴承 向心球轴承是用途*广、生产批量*大的一类滚动轴承。向心球轴承主要承受径向载荷，也可承受少量轴向载荷，径向游隙较大时轴向承载能力增加。摩擦系数小，适于高速运转。向心球轴承广泛用于变速器、电机、仪器仪表、家用电器、内燃机、燃气轮机、交通车辆、农业机械、建筑机械和工程机械等。 2.双列向心球面球轴承 双列向心球面球轴承的外圈滚道是球面的一部分，曲率中心和轴承中心一致，轴承具有调心性，调整偏斜角可在3°以内。接触角小，所以轴向承载能力小。双列向心球面球轴承主要应用于轴易弯曲或加工安装误差较大的部位，如木工机械和纺织机械的传动轴。 3.向心推力球轴承 向心推力球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可承受纯轴向载荷。名义接触角有15°、25°和40°等三种，高精度和高速轴承通常取15°接触角。此类轴承有70多种不同结构，单列的常成对使用。各种结构的此类轴承广泛用于磨削主轴、高频电动机、燃气轮机、高速离心机、仪器仪表、小轿车前轮等。 4.推力向心球轴承 推力向心球轴承能承受较重的双向轴向载荷和少量的径向载荷，轴向刚性好，适于较高的转速，主要用于车床、镗床、摇臂钻床等机床主轴。 5.推力球轴承 推力球轴承的接触角为90°，结构是可分离型的，只能承受轴向载荷。带球面座圈的推力球轴承具有调心性，可消除安装误差的影响。钢球因离心力挤向滚道外侧，易于擦伤，所以不适于高速运转。这类轴承主要用于机床主轴、立式车床旋转工作台、汽车转向运动等。 6.微型球轴承 内径小于10mm或外径小于26mm的轴承称为微型轴承。微型球轴承主要用于各种仪器仪表、微型电机、陀螺仪、自动控制机构和医疗器械等。 7.直线运动球轴承 直线运动球轴承由外圈、保持架(又称钢球循环架)和3～5列钢球组成。摩擦因数比滑动轴承低很多，一般为0.001～0.003。这类轴承径向游隙小，直线运动精度高，主要用于数控机床的往复机构、仪表自动记录装置、自动跟踪机构以及冲压模具的导柱等。 8.圆锥滚子轴承 圆锥滚子轴承的滚子与滚道为线接触或修形线接触，可承受较重的径向和轴向联合载荷，也可承受纯轴向载荷，主要用于汽车的前轮和后轮、机床、机车车辆、轧钢机、建筑机械、起重机械、印刷机械和各种减速装置等。双列圆锥滚子轴承主要用于机床主轴和机车车辆等，四列圆锥滚子轴承用于轧辊支撑等。 9.向心短圆柱滚子轴承 向心短圆柱滚子轴承的滚子与滚道接触为线接触，径向承载能力及径向刚度都比球轴承高。这类轴承摩擦因数小，适合高速运转，但对与轴承相配合的轴和机座孔的加工精度要求较高，安装后内外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触应力集中。向心短圆柱滚子轴承广泛用于大中型电动机、机车车辆、机床主轴、内燃机、燃气涡轮机、减速箱、轧钢机、振动筛以及起重运输机械等。 10.双列向心球面滚子轴承 双列向心球面滚子轴承的外圈滚道是球面的一部分，轴承具有内部调心性，以适应轴与机座孔的相对偏斜，可承受径向重载荷和冲击载荷，也可承受一定的双向轴向载荷。这类轴承主要用于轧钢机、造纸机械、工程机械、破碎机、印刷机械以及各种减速装置等。 11.滚针轴承 滚针轴承的径向尺寸小但径向承载能力很高，不可承受轴向载荷，仅作为轴自由端的支撑使用。滚针轴承的摩擦因数大，特别是没有保持架的满装滚针轴承，摩擦因数更大，因而不适合较高的转速。这类轴承主要用于汽车变速箱、万向接头、小型发动机的曲轴和连杆、液压机械等。 12.推力滚子轴承 推力滚子轴承可承受轴向重载荷，轴向刚度大，承载能力比同尺寸的推力球轴承高很多，主要用于立式电动机、船用螺旋桨轴、旋臂吊车、机床旋转工作台及加压丝杠等。 13.转盘轴承 转盘轴承是承受重载荷、工作速度很低地转动或摆动的一类特大型轴承，可承受很大的轴向力，还可以承受很大的径向力和倾覆力矩。在此类轴承的设计与选用中，一般不考虑疲劳寿命，而以额定静载荷作为选择的准则。转盘轴承主要用于矿山机械、工程机械、冶金设备、重型机床、大型仪器与风力发电等重型设备中。 1.1.2 滚动轴承的失效机理 滚动轴承失效机理主要有磨粒磨损、微动磨损、腐蚀磨损、刮伤、胶合、疲劳剥落等。 1.磨粒磨损 由于轴承的工作状况不同，轴承的磨损情况也不尽相同。在正常工作环境下，也会有磨粒(如灰尘、沙粒等坚硬的微粒)进入到轴承的表面；轴承工作时，磨粒会将轴承表面当作研磨的平面，使表面受到损害，这样会出现轴承性能在预期寿命前就急剧恶化的情况，主要是在启动、停车或轴颈与轴承发生边缘接触时，导致几何形状改变、精度丧失、轴承游隙加大。 2.微动磨损 滚动轴承处于非工作状态时，由于外界振动载荷的作用，或者处于微幅摆动工况时，滚动体在滚道接触区附近会发生微小的相对运动，因为运动幅度很小，润滑油无法在接触区表面重新分布，而使金属表面直接接触，并在氧气的参与下相互作用，造成金属表面的腐蚀，同时产生金属氧化磨屑，这种现象称为滚动轴承的微动磨损，这种磨损是由外界环境引起的不可避免的磨损。 3.腐蚀磨损 滚动轴承在运行过程中，不可避免接触水、水气以及腐蚀性介质，这些物质会引起滚动轴承的生锈和腐蚀；另外，在滚动轴承运行过程中，还会受到微电流和静电作用，造成滚动轴承的电流腐蚀；滚动轴承的生锈和腐蚀会造成套圈、滚动体表面的坑状锈、梨皮状锈，*终造成轴承的失效。 4.刮伤 在滚动轴承运行过程中，较大的坚硬杂质进入到轴承间隙中，当发生相对运动时，杂质不会以同等速度进行运动，产生的速度差会使表面划出浅痕或者深沟，导致轴承工作性能丧失。 5.胶合 轴承长时间连续工作或者保养不当，以及承受载荷过重都会使轴承整体温度急剧升高，导致润滑油膜破裂；在缺少润滑和重载的情况下，轴承表面就会出现黏接在一起的现象，在发生相对运动时，会使轴承表面破裂或者轴承不能运转。 6.疲劳剥落 长时间重载工作，会使轴承表面金属达到其疲劳极限，表面会出现裂纹，一般疲劳裂纹与运动方向垂直，严重后逐渐扩大，*后金属出现疲劳剥落，造成轴承工作性能丧失。 由于滚动轴承使用场合复杂、环境多变等，滚动轴承工作性能丧失往往是多种失效形式的综合表现。 1.1.3 滚动轴承的性能指标 作为现代机械设备中广泛应用的关键性部件之一，滚动轴承性能对设备的运行质量、可靠性、寿命有重要的影响，滚动轴承的性能主要有摩擦、磨损、润滑、温升等，体现为滚动轴承摩擦力矩、振动、噪声等指标。下面阐述滚动轴承摩擦力矩、振动、噪声及温升的形成过程。 1.滚动轴承摩擦力矩的形成过程 滚动轴承摩擦力矩是指在滚动轴承运转与启动时，内圈、外圈、保持架、滚动体、密封装置等元件之间产生相对运动，以及润滑剂溅射与拖拽等，产生了各种各样的摩擦阻力矩，即滚动摩擦、滑动摩擦和润滑剂摩擦的总和产生的阻滞轴承运转与启动的阻力矩。它表示轴承运转与启动过程中轻快、灵活的程度，对于灵敏度要求高的轴承，要以摩擦力矩来衡量其旋转灵活性，摩擦力矩越小，灵活性越好。 2.滚动轴承振动的形成过程 滚动轴承在运转过程中，除轴承各元件间一些固有的、由功能所要求的运动以外的其他一切偏离理想位置的运动均称为轴承振动。轴承运动时产生的振动是很复杂的，目前还不可能完全用某种具体的运动方程加以描述。影响轴承振动的因素也很复杂，如套圈滚道波纹度、粗糙度、表面质量、滚动体尺寸相互差、轴承本身的结构类型、组装游隙、安装条件、润滑条件与工作条件等都会影响轴承工作时的振动。 3.滚动轴承噪声的形成过程 滚动轴承在运转过程中，由于滚道和滚动体之间相互接触、碰撞而产生振动，当滚动轴承的振动传播到辐射表面时，振动能量转换成压力波，经空气介质再传播出去即为声辐射，其中20Hz～20kHz部分为人耳听阈可接收到的声辐射，即为滚动轴承噪声。由振动产生的机械波向空间辐射，引起空气的振动，从而产生声响，这种声响习惯上被称为轴承的噪声。即使轴承零部件表面加工十分理想，清洁度和润滑油或油脂也无可挑剔，在轴承运转时，仍会因滚道和滚动体间弹性接触构成的振动，而产生一种连续轻柔的声响，这种声响被称为轴承的基础噪声。基础噪声是轴承固有的，不能消除。 4.滚动轴承温升的形成过程 滚动轴承的温升是在运行过程中，由于外圈、内圈、滚动体、保持架等各元件之间的摩擦与变形产生的热量来不及散发，使轴承温度升高。温升是衡量滚动轴承运行质量的重要性能指标，与滚动体的形状与数量及保持架形状与材料有重要关系。 根据上述滚动轴承的失效形式及性能指标，可以看出，滚动轴承性能与内部元件、制造精度、安装工艺、调试技术及使用环境有很大关系，具有多样性和复杂性。因此，如何研究与评估滚动轴承的性能一直是困扰轴承工业的重要问题[1-9]。 1.2 滚动轴承性能研究的现状与进展 长期以来，国内外很多学者一直关注与致力于轴承性能的研究，并取得了许多成果。例如，Nataraj[5]，Sinou[7]，Ahmad[10]和Harsha[11]分别用时间序列、频率响应和相轨迹等概念进行非线性分析，探讨轴承系统的稳定性，发现轴承性能的多变性；Lioulios[12]用频谱分析、相空间、高阶Poincare映射和Lyapunov指数方法研究速度波动对轴承动态性能的影响，认为速度的微量变化会导致系统动态行为的重大变化；蔡云龙[13]提出了用Duffing混沌振子检测轴承早期故障的相轨迹图法和Lyapunov指数法；姜维[14]用拟动力学理论分析角接触球轴承的接触力、接触角、旋滚比的变化状态，认为轴承各性能参数呈现出显著的非线性变化特征，并发现钢球轴承和陶瓷轴承的动态特性参数具有不同的稳定性；王黎钦[15]、赵春江[16]和何芝仙[17]分别研究了轴承零件相互作用的力学模型和轴承系统的动力学行为；夏新涛等[1-4，8]对轴承摩擦力矩及振动进行了动态分析；徐志栋[18]探讨了不同轴向载荷和温度条件下轴承摩擦力矩的波动特性；Douglas[19]提出了某种聚乙烯材料轴承滚动滑动磨损的分层机理，以描述磨损碎片的生物活性；林冠宇[20]阐明了氯苯基硅油润滑球轴承的润滑机理，并研究了不同真空度和转速下的轴承摩擦力矩行为；Saad[21]用声发射技术探讨了滚动轴承表面缺陷的几何尺寸鉴别方法；黄敦新[22]由干摩擦高速运转实验发现了陶瓷球以表面裂纹和表层剥离为主的破坏机制，滚道破坏呈现疲劳裂纹、点蚀和犁痕等多种形式；Abbasion[23]用小波和支持向量机理论推荐了轴承系统的多故障诊断方法；杨将新[24]考虑轴承运行状况下载荷分布、故障冲击脉冲序列组成、损伤部位的位置变化和环境噪声等参数对振动特性的影响，建立了内圈局部损伤状态的振动模型；Antoni[25]对轴承振动信号进行谐波分析，使用了频谱概率密度和标准差概率密度等统计学概念；Ueda[26]提出了增强寿命概念并进行因素分析，以提高污染润滑条件下