1　前言
　　復(fù)合材料滾動軸承具有良好的耐磨損性、耐腐蝕性、耐熱性及尺寸穩(wěn)定性，并能減振降噪且成本低，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域中獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。但復(fù)合材料的疲勞性能與金屬材料有明顯不同［1］。復(fù)合材料對加載頻率和試驗溫度很敏感，而且疲勞壽命實測數(shù)據(jù)更離散，所以把金屬疲勞的試驗方法用于復(fù)合材料顯然是不適合的。本文對復(fù)合材料滾動軸承進行了疲勞試驗研究，提供了一種簡單方便的測試方法，以保證復(fù)合材料滾動軸承的安全可靠性，促進復(fù)合材料滾動軸承在工業(yè)上的應(yīng)用和發(fā)展。
2　試驗研究
2.1　試件和試驗設(shè)備
　　試驗采用25套204型復(fù)合材料滾動軸承，試驗復(fù)合材料滾動軸承由短玻纖增強的尼龍66制成，制作工藝采用可熔性合金型蕊注射成型［2］。
　　試驗設(shè)備選用JB-30型滾動軸承疲勞試驗機。
2.2　試驗方法
　　軸承疲勞壽命是非常離散的，要用數(shù)理統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)。本試驗采用簡單方便的截尾試驗法。
　　設(shè)試驗軸承為n套，其中有r套軸承已破壞，其壽命分別為L1，L2，…，Lr。其余的(n-r)套軸承已分別試驗了Lr+1,Lr+2,…Ln時間，尚未破壞。此時可以不再進行試驗，用已得到的試驗數(shù)據(jù)計算原壽命分布的參數(shù)估計值。截尾試驗法有定時和定數(shù)兩種，本試驗采用定數(shù)截尾法。設(shè)事先給定應(yīng)得到疲勞破壞的軸承套數(shù)r，又稱為截尾數(shù)，試驗到所給定的截尾數(shù)后停試，且應(yīng)使未疲勞破壞軸承的壽命大于疲勞破壞軸承中壽命最長的值。
　　在204型復(fù)合材料滾動軸承上施加徑向載荷588N，油潤滑，給定截尾數(shù)為15。試驗機轉(zhuǎn)速為12800r/min，所有試件的試驗頻率和溫度環(huán)境相同。另外，為了便于比較，同時對25套尼龍66制成的204塑料軸承進行試驗，施加徑向載荷為392N，20＃油潤滑，給定截尾數(shù)和試驗機轉(zhuǎn)速與復(fù)合材料軸承相同。
2.3　處理試驗數(shù)據(jù)
　　對疲勞壽命的研究發(fā)現(xiàn)，韋布爾(Weibull)分布比正態(tài)分布更接近于疲勞破壞規(guī)律。大量的試驗結(jié)果表明，滾動軸承的壽命符合兩參數(shù)韋布爾分布。軸承壽命L0的破壞概率用韋布爾函數(shù)表示為［4］：
　　　　F(L0)=1-exp［-(L0/β)e］
其中L0=106轉(zhuǎn)，e是斜率參數(shù)，β為特征壽命參數(shù)。本文采用最佳線性不變估計法估算參數(shù)e和β［3］，對復(fù)合材料軸承,e=5.756，β=4.467×106；對塑料軸承，e=3.02,β=7.104×106。
2.4　疲勞破壞的監(jiān)測
　　本試驗使用表面溫度計，采用溫升監(jiān)測法及聲響判斷法來判斷滾動軸承的疲勞破壞。
　　軸承運轉(zhuǎn)后，各相對運動表面之間產(chǎn)生摩擦熱，軸承的溫度從原始溫度逐漸上升。軸承運轉(zhuǎn)一定時間后產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達到平衡，溫度保持不變。軸承發(fā)生疲勞破壞時，摩擦加劇，產(chǎn)生的熱也增加，溫度再逐步上升。軸承運轉(zhuǎn)過程的溫度變化如圖1所示。T1為室溫，18℃左右；T2為軸承正常運行時的溫度，38℃左右；t1為初始運行時間，約50min；t2為正常運行時間，約150min。

圖1　軸承運轉(zhuǎn)過程與溫度變化圖
Fig.1　The effects of the time and the temperature on the bearing

      為了保證疲勞破壞的判斷準(zhǔn)確無誤，同時采用聲響判斷法。在試驗時，用傳聲工具接觸安裝軸承的零件，聽軸承轉(zhuǎn)動時的聲音變化，根據(jù)軸承疲勞破壞前后聲音的變化來判斷軸承是否破壞。

3　試驗結(jié)果與分析
3.1　疲勞壽命
　　對方程(1)取兩次自然對數(shù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)上，(1)式變?yōu)橹本€方程。根據(jù)試驗結(jié)果，作出204型復(fù)合材料和工程塑料滾動軸承的疲勞破壞概率圖，如圖2所示。
　　根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)對軸承疲勞壽命的規(guī)定［5］，一批軸承中90%的軸承在疲勞剝落前能夠達到和超過的運轉(zhuǎn)總轉(zhuǎn)數(shù)(以106轉(zhuǎn)計)。
       由圖2可知，對10%的破壞概率，204型復(fù)合材料滾動軸承在施加588N的載荷下的額定疲勞壽命為3.1×106轉(zhuǎn)。而204型工程塑料滾動軸承在施加392N的載荷下的額定疲勞壽命為2.2×106轉(zhuǎn)［6］。顯然，復(fù)合材料滾動軸承的負(fù)荷能力相對于塑料軸承提高了50%，而疲勞壽命仍有較大的提高。

 

圖2　204型復(fù)合材料滾動軸承的疲勞破壞概率圖
Fig.2　The probability of fatigue failure of model
204 composite material rolling bearings

    3.2　疲勞斷口特征
　　根據(jù)復(fù)合材料滾動軸承的疲勞破壞試驗，對疲勞斷口進行了微觀觀察，提出復(fù)合材料滾動軸承的四種失效形式。
3.2.1　表面疲勞
　　表面疲勞包括滾動接觸疲勞、點蝕、片狀脫落和片狀剝落。
　　滾動軸承的滾動接觸疲勞失效是由反復(fù)多次超過材料表面或次表面忍耐強度的應(yīng)力造成的。這些重復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合材料外圈滾道表面或次表面附近產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的擴展延伸導(dǎo)致滾道材料碎屑剝落下來，留下點蝕。點蝕現(xiàn)象由表面接觸應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)決定。隨著應(yīng)力或循環(huán)次數(shù)的增加，一種類似點蝕的現(xiàn)象剝落發(fā)生了，如圖3所示，剝落破壞具有不規(guī)則的象彈坑那樣較大凹坑的特點。

圖3　片狀剝落　10×
Fig.3　The sheet breaking-off

 3.2.2　塑性流動
　　塑性流動發(fā)生于鋼球和滾道的接觸應(yīng)力超過其表面和次表面忍耐強度并導(dǎo)致軸承幾何變形之時，表面變形是塑性流動的一種形式。其它的塑性流動有空腔和涂抹等。在重載和高速條件下，軸承的溫度將會變得很高，使內(nèi)外圈發(fā)生過熱現(xiàn)象，引起滾道和軸肩的塑性融化，如圖4所示。

圖4　滾道和軸肩的塑性融化　×10
Fig.4　Plastic melting of roll way nest and shaft shoulders

3.2.3　磨損
　　磨損是大量的軸承材料從接觸表面均勻或不大均勻地磨下來，這種失效形式的特點是在潤滑液中和接觸表面上存在著磨損的廢渣，它能引起鋼球和滾道的間隙增大。
3.2.4　相關(guān)失效
　　磨損也可能發(fā)生于軸承外圈和軸承夾具之間，由它們之間的相對運動引起。
　　對一套軸承而言，其失效形式可超過一種，即可能同時發(fā)生兩種或兩種以上的失效。

4　結(jié)論
　　（1）本文選用25套復(fù)合材料滾動軸承進行疲勞試驗，采用定數(shù)截尾試驗法，用最佳線性不變估計法進行數(shù)據(jù)處理來估算軸承壽命的韋布爾分布兩參數(shù)，方法簡單易行。
　　（2）玻纖增強尼龍66的204型復(fù)合材料滾動軸承在載荷588N，轉(zhuǎn)速12800r/min，油潤滑的條件下，其額定疲勞壽命為3.1×106轉(zhuǎn)，證明了復(fù)合材料制造滾動軸承的可行性。
　　（3）對疲勞破壞的復(fù)合材料滾動軸承進行了觀察，提出了表面疲勞、塑性流動、磨損和相關(guān)失效四種失效形式。為復(fù)合材料滾動軸承的性能、使用壽命和可靠性設(shè)計提供有價值的參考。