滚动轴承疲劳寿命模型的对比分析

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1、《中国轴承论坛》第二眉会议论文滚动轴承疲劳寿命模型的对比分析浙江大学机械系鄢建辉汪久根杭州轴承试验研究中心李兴林一、引言20世纪初期，当滚动轴承工业刚刚兴起的时候，人们就观察到这么一个现象，即使在理想(例如正确的设计、选型、安装和调试，良好的润滑、密封以及较轻的载荷)的条件下，任何使用场合的滚动轴承最终都必然因为接触疲劳而失效。对于同一型号的滚动轴承，在一定的载荷下究竟能够运转多长时间?同时，滚动轴承生产厂家和用户也迫切要求能够比较准确的预铡出特定条件下轴承的承载能力与疲劳失效寿命。在现代技术条件

2、下，由于高清洁度真空钢的出现，极大地提高了轴承的疲劳寿命。现代轴承的实际寿命已经大大地超过了计算标准值。长期以来，经典的lamdberg-Palragren模型一直是国际上公认的滚动轴承寿命计算的基础，这一理论从1960年以来得到了很多的发展研究，不同的学者提出了不同的寿命计算模型，本文拟对此进行评述。二、滚动轴承疲劳寿命模型的发展1．WeibuU分布与最大剪切应力理论早期的试验表明，轴承的疲劳寿命是以发生在内圈滚道上的疲劳剥落而终结的，即使是同一批生产的轴承，在相同的试验条件和载荷下，它们的疲劳

3、寿命是相当离散的。1939年，weibuUw．⋯提出滚动轴承的疲劳寿命服从某一种概率分布，即韦布尔分布，其概率分布函数为hll“j1=eIn百L(1)式中L——疲劳失效寿命s——生存概率e——待定指数韦布尔进一步提出生存概率S与表面下的最大切应力r、应力循环次数Ⅳ和受应力体积y遵从以下关系IniItOCrⅣV(2)这就是早期的最大切应力理论。2．Lundberg-Palmgren(LP)模型1947年和1952年，Lundberg和PalmgMI深化了weibull的理论‰”，提出了最大动态剪切应

4、力理论，认为接触表面下平行于滚动方向的最大动态交变剪切应力决定着疲劳裂纹的发生，为此给出了以下经验公式l“百1“丁ro／VV(3)式中r0——最大动态剪切应力振幅劫——最大动态剪叨应力所在的深度c、e、h——指数，由轴承试验数据确定·52·‘中国轴承论坛》第二届会议论文y——受应力体积假定受应力体积接触椭圆宽度为2n，深度为rO，则In百1。警(4)。Z0对于点接触的情况，由滚动接触的赫兹理论可得出In{《Q“。“mr(5)Qh矗+2加r=常数(6)若以Q表示L=l(即运转l驴转)时的滚动体载荷(

5、即额定滚动体载荷)，则得到￡：(秽。“”‘(7)同理，对于线接触有L：(”““”‘㈤以上两式可以写为工=(罟)9(9)对于点接触，P=学；对于线接触，p=掣。其中P值由试验数据决定。根据Palmgren的试验结果，对于球轴承，取p=3：对于圆柱滚子轴承，取P=10／3。3．0liu-附u∞工程模型20世纪60年代中后期，ChiuP和TallianTE发现有些轴承在经过长时间的运转后，也可以首先从表面上生成裂纹，然后向深处扩展。轴承的疲劳寿命与弹性流体动力润滑油膜厚度和零件表面的粗糙度有关。基于这样

6、一个事实，他们提出了考虑表面上的裂纹生成方式的接触疲劳工程模型。工程模型假定：(1)疲劳裂纹可由起源于表面下和表面上的两种扩展方式生成。起源于表面下的裂纹首先发生在最大动态剪切应力处；而起源于表面上的裂纹又可以分为两类，其中一类是由表面预缺陷引起的裂纹，如磨削加工中形成的犁沟状沟槽、微小压痕及邻近表面的污染物、夹杂物等，另一类是由表面粗糙凸峰相互接触引起的裂纹。(2)起源于表面下和起源于表面上的裂纹的扩展方式相互独立，彼此不受影响，而接触疲劳破坏则是这两种裂纹扩展方式共同作用的结果。(3)裂纹的生

7、成和扩展比较缓慢，占整个零件疲劳寿命的主要部分。因此可以用从裂纹的初始生成到形成扩展源所经历的时间来表征整个零件的疲劳寿命。对于每一种类型的缺陷，其单个缺陷处塑性应变和疲劳寿命都适用于Maroon-Coffin关系式。“)每种类型的缺陷的分布是稀疏的，其各自的疲劳寿命相互独立，每一种类型缺陷尺寸的分布符合幂函数分布，并且材料体积单元内的缺陷分布符合泊松分布。基于以上假定，考虑随机分布缺陷的联合作用，可以给出每种类型缺陷经受^i或札次应力循环而不破坏的概率，再考虑其联合作用。即可得出整个轴承零件疲劳

8、寿命公式。有关计算公式的详细推导可参见文献[3]。4．IommidesE—HarrisT．E(I-H)模型1985年，IoannidesE．和Hail'isTE．在I广P模型的基础上提出了～种经过修正了的新模型。引入了材料的疲劳极限应力这一参数，认为如果受应力体积内的最大应力小于材料的疲劳应力，材料不会出现疲劳现象，此时零件将显示出几乎无限的疲劳寿命。他们提出以下关系式一h△s。型生竿立些(10．)·53-《中国轴承论坛》第二届会议论文如果口．一a。(0，则郝部分体积不会发生疲劳失