02-DIN-281-轴承疲劳寿命预测值与试验数据的比较

技术论文DIN281轴承疲劳寿命预测值与试验数据的比较作者：MichaelKotzalas,GeraldFox2摘要　　随着近年来滚子轴承的技术进步，业内掀起了一股重新评定轴承寿命预测值算法的浪潮。其意义对于风电齿轮箱行业尤为重要，在该行业对轴承的计算寿命L10的标准要求是20年。现在世界上有许多预测轴承寿命的公式或方法，但这些不同的方法所提供的预测值差别也很大。为了建立一种先进的、公认的预测轴承寿命L10的方法，使之成为统一依据，德国工业规范（DIN）已经建立了一种算法标准,它假设了典型的轴承的设计、制造工艺以及预期的失效模式损坏机理。该标准通过各成员公司的公开的试验结果来验证，或与这些公司的预测算法进行比较验证。　　为了进一步地思考DIN算法的有效性，正确地预测滚子轴承的疲劳寿命，本文将来自六家顶级制造厂、包括铁姆肯公司在内的标准的产品——圆锥滚子轴承（TRB）的试验结果，与DIN和铁姆肯公司的预测算法进行了比较。所选择的试验数据包括了当今试验程序中的不同操作条件、油膜厚度、装配偏差（不对中）、负荷差别和滚道座圈表面碎屑压痕状况。调查的结果显示：轴承制造厂的专有技术算法——本例中的铁姆肯公司专有技术算法——更加精确地预测到了他们的产品的实际性能。事实上，对于低负荷，以DIN算法预测的疲劳寿命趋于偏高，对于含有碎屑污染的工况下预测值则趋于偏低。3轴承疲劳试验　　本文的轴承疲劳寿命试验结果是从作者的实验室收集到的。试验仅采用了标准的产品或现有的圆锥滚子轴承（TRB），在科学地控制的工况下的轴承试验结果与轴承用户使用结果是不相关的。选择的试验涉及了来自六家顶级制造厂、包括铁姆肯公司在内的轴承，和不同的工况。总体上不同的工况包括油膜的厚薄、轴承的不对中、载荷的大小和滚道表面的碎屑压痕状况。　　所有的试验都是在作者的实验室内进行的，采用的是first-in-four方法案，见图1。该试验方案中，中心轴承承受的径向负荷来自液压汽缸，而端部轴承的负荷则通过轴与轴承座产生。当其中一个轴承出现有6mm2（0.01平方英寸）面积裂纹时，试验就会停止。此时，其余三个轴承试验也会暂停，得到该四个轴承的样品L15.91寿命。前言　　当今，滚子轴承技术巳经有了长足的进步。通过清洁度更高的钢材的使用、新的表面光洁度和金相技术、以及耐磨损涂层料的应用，上述进步已经在设计和制造中可以见到。另外，在滚子轴承性能的理念和模型化方面也有进步。计算机的使用，提高和完善了对轴承分析的水平，过去不可能做到的事情，现在己经是标准的实践方法。例如，在预测轴承性能的领域中当今已经开展了大量的研究活动［1-7］。这对于许多条件苛刻的和高度复杂的应用场合的意义变得特别重要。例如，对于风力透平齿轮箱行业，20年的轴承计算寿命L10是一种标准的要求。　　在与当今轴承分析中所有研究中活动有关的一个至关重要的问题是：为了预测轴承疲劳寿命，已经形成了许多的专有技术方法。但这些方法变化太大，使工程师们为选用轴承而犯难，因为，看上去完全相同的轴承,但根据其所用的方法，居然会得出截然不同的、预测的寿命。　　为了建立一种先进的、公认的预测轴承寿命L10的方法中，并使之成为统一的依据，德国工业规范（DIN）［5和6］已经建立了一种算法标准,它假设典型的轴承的设计、制造工艺以及预期的损坏机理制造工艺以及预期的失效模式。如同任何标准化活动一样，该标准的有效性仅通过各成员公司公开试验结果或比较他们的预测算法来进行验证。由于在新的美国齿轮制造商协会（AGMA）风力透平齿轮箱标准6006［8］里，使用DIN281.4标准作为轴承寿命选用的预测标准，因此，需要通过与轴承疲劳试验数据相比，来对该标准的准确性进行调查，这就是本文的目的。图1轴承试验设置4疲劳寿命预测　　在轴承疲劳试验数据收集后，采用铁姆肯公司样本方法和铁姆肯公司先进专有方法以及DIN281.1和DIN281.4的算法，对疲劳寿命进行预测。将从轴承外圈边缘上测得的平均温度用作确定润滑剂的性能，测得的平均载荷区的大小用作确定48组中每一组的对轴承施加的推力负荷。通过轴弯曲变形的分析以及轴承座套中预先设置的偏差，就可估算出轴承装配偏差。对于所有预测算法而言，上述各输入值都是必要的。然而，铁姆肯公司的先进方法和DIN281.4方法，还需输入滚道修形和表面光洁度的数据。当并不知道所有试验轴承的设计滚道修形和表面光洁度时，如对最终的用户而言，可以釆用每一种制成工具的默认滚道修形和光洁度。两种算法中的滚道修形都采用某些改良的（如对数式的）滚道形式。　　在48个试验组的寿命预测后，就可进行Weibull法分析，将试验数据与5类操作条件结合起来，为了做到这一点，将每一个试验组内的各个轴承试验寿命转化成相应的预测寿命L15.91。这样，就可为所有的操作组别进行Weibull法分析，以确定每一种预测算法的有效性。可将Weibull法分析结果、以90%的可信度间隔方式绘制成图2至图6中的图形。最后，下列公式（1）中规定的［4］、全部的总加权误差就可为铁姆肯公司和其它的顶级制造厂分别加以确定。　　从公式（1）中可以看出：总加权误差（TWE）表示与90%置信带有的寿命预测的误差。TWE的结果显示在图7中。　　标准的试验设置采用ISO等级粘度的矿物油，此油由循环系统供给。为了防止在完全配制的油中因添加物的原因，而使轴承疲劳性能产生任何改变，润滑剂仅包括防锈和抗氧化（R&O）添加物。循环油通过40mm独立的过滤器进行过滤。即使设置了这样的过滤器，但由于实验室总体的环境原因，所有试验轴承箱所测得的ISO4406油清洁度等级是在15/12。　　在利用前述标准的试验设置时，为了达到所要求的操作环境，对试验装置内的不同的参数进行了控制。例如，将润滑剂的入口温度设定在不同的数值，以达到所要求的润滑剂成膜条件。通常厚膜试验在37.8℃（100°F）油入口温度下运行，而薄膜试验则在82.2℃（180°F）油入口温度下运行。为了达到所要求的轴承不对中状态，在轴承座外使用液压加力来设定不同偏差。　　最后，碎屑压痕条件是在更加特殊的设置中形成的，釆用的办法是：将轴承部件预先进行压痕处理。期间，将单一的轴承在4448kN（1000磅）纯推力负荷下、在含有碎屑的润滑剂中、转动2000转。碎屑是以硬化了的工具钢T15、制成25μm至53μm尺寸的颗粒。该碎屑以0.5mg/ml的比值混入经过高度过滤了的ISOVG032矿物油中，该矿物油中仅含有R&O添加物。在压痕形成后，轴承采用超声波方法，除掉部件上所有残留的污物或碎屑，然后，将其装入疲劳试验装置。　　本次研究中所选择的试验模型列于表1中。表1表示了不同的48组轴承试验，它们包括了来自6家顶级制造厂的、1228个圆锥滚子轴承。按照不同的操作条件，将上述不同的组别分成5大类：即厚润滑膜、薄润滑膜、有组装偏差的、负荷变化的和带碎屑的。5测试组热处理λ率不对中（mrad）平均负荷区(deg)平均外圈温度(ºC)DPW(mm)K系数P/C厚膜薄膜不对中不同负荷碎屑表1.选用轴承的测试数据组123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748全淬透表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透全淬透表面渗碳全淬透全淬透表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳全淬透全淬透全淬透表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳全淬透全淬透全淬透全淬透表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳表面渗碳全淬透全淬透3.71.62.21.41.31.51.75.01.10.91.41.02.01.22.71.31.61.20.50.40.50.50.50.61.60.80.52.70.62.31.72.11.73.00.70.70.70.90.90.70.70.70.70.40.91.71.81.30.090.020.020.020.050.090.220.310.180.310.310.310.510.370.310.800.510.310.170.001.000.070.200.072.002.002.001.802.001.000.941.210.951.090.940.470.380.900.450.180.100.060.040.120.060.510.510.51135130135134142138145148155149140139135140133149128147146144150135149136135136153144146144147126152141175170140175165130130120120150135119148151485957615978464560434648465140464948798477919688768686477844484848438268678357898274668668785684612122122121206110957505752576270574562574710953120771206150475652534756503963636343439494949494946262621.51.31.31.31.31.51.41.51.41.51.81.51.11.41.51.41.11.51.41.41.61.31.41.31.51.11.11.11.81.61.11.11.11.61.71.71.71.71.71.31.31.31.31.31.31.11.11.10.410.460.460.460.420.410.390.410.450.410.440.410.440.380.410.410.440.410.400.380.370.420.410.420.410.390.390.400.400.390.420.450.440.400.390.200.160.390.200.620.360.210.150.410.210.390.390.3961.251.000.750.500.250.00铁姆肯公司样本方法铁姆肯公司先进专有方法DIN281.1DIN281.4图2.厚膜结果，可靠度达90%铁姆肯公司样本方法铁姆肯公司先进专有方法DIN281.1DIN281.41.751.501.251.000.750.500.250.00图3.薄膜结果，可靠度达90%铁姆肯公司样本方法铁姆肯公司先进专有方法DIN281.1DIN281.41.251.000.750.500.250.00L15.91——预测值/L15.91——测试值图4.不对中结果，可靠度达90%L15.91——预测值/L15.91——测试值L15.91——预测值/L15.91——测试值铁姆肯公司样本方法铁姆肯公司先进专有方法DIN281.1DIN281.43.002.502.001.501.000.500.00L15.91——预测值/L15.91——测试值7.006.005.004.003.002.001.000.00L15.91——预测值/L15.91——测试值1.251.000.750.500.250.00铁姆肯公司先进专有方法DIN281.4加权总误差图6.碎屑压痕结果，可靠度达90%图7.采用加权总误差的总体结果图5.不同负荷，可靠度达90%7结果讨论　　厚膜和薄膜的结果显示：在预测方法和试验数据之间显示出相对好的一致性。这也是在预料之中的，轴承的这种失效模式巳经研究了几十年。通常厚膜试验的失效形式如图8A所示的夹杂物损坏，而薄膜试验则如图8B所示的点表面源（PSO）损坏。先进的分析方法（即铁姆肯公司先进方法、和DIN281.4的方法）稍微保守地预测了厚膜和薄膜的数据，然而，90%置信带涵盖试验结果。换言之，以90%的可信度，L15.91的统计学寿命落在图2至图6的暗色带之间，其统计值可能相等于预测值。对于简易的方法（即铁姆肯公司样本方法和