在含杂质污染的润滑条件下评估轴承性能的实验和分析方法
2009-09-23 来源：铁姆肯公司
摘要：润滑剂中的杂质污染是轴承和齿轮过早失效的主要原因，并由此导致设备停机修理、担保索赔和生产损失费用的增加。为了帮助设计工程师们分析和开发出对这类污染较为不敏感的设备，己经建立了各种不同的实验和预测的方法。
本文提供了润滑剂中杂质污染的一个概述。本文还提供了关于不同圆锥滚子轴承在杂质污染的操作条件下寿命试验结果和预测分析方法比较的Z新数据。作为基准，对在这些领域先前所做的研究作了概要的总结并已被引用。近来的研究改进了那种分析方法（使用一种表面特征方法），使得这种方法与杂质条件下轴承试验寿命相关联，并指出要如何对轴承本身进行设计和制造改良。这在设计中已产生了效果，使杂质污染环境下的轴承寿命得到了改善。
前言：关于杂质污染对轴承性能的主要有害影响，已经发表了众多文献［8，11］，而对于可使轴承性能Z佳化的制造工艺、材料及其冶炼方法，也已提出了许多理论。本文将不同轴承产品的某些实验性能结果与用作预测和评估这一性能的分析方法做出切实的比较，并对当前关于杂质污染对轴承寿命的影响量化方法进行了初步陈述。
这些方法中大多数都基于确定润滑剂中的杂质含量的技术，而非滚动接触表面所承受的损害程度。其推理在于：当知道了润滑剂系统的污染含量时，就可了解到对系统部件的损害等级。根据现场试验，已得出部分结果，将润滑剂分析方法直接与寿命预测相联系。因此，一种采用直接的、表面特征的新的寿命预测模型也被提出，并讨论了它与寿命试验结果的关系。该模型是先前的方法［12，13］的延伸，它将应力为基础的分析方法与杂质压痕表面制图方法联系起来，目的在于更加精确地获取在特定杂质环境中出现的实际的杂质损害。
污染特征
当前，设备设计工程师们有许多污染润滑剂分析工具，这可帮助他们评估杂质对机械磨损的有害影响。这些工具采用多种方法， 包括铁粉记录仪方法［1］、重力过滤方法［2］、原子吸收光谱仪［3］、和SEM（EDAX）光谱分析法，来监控性能的总体损失和分析磨损颗粒和污染。这些方法的目的都在于了解材料的成分和润滑剂污染的特性。
另外，颗粒尺寸和计量技术都可用于确定颗粒尺寸分布及其浓度等级。这些技术应用手动的显微镜方法与可用于自动直接计量的光散射法［5］，这里提到的大多数分析手段都可用于监控，并了解设备失效的演变进程以及润滑剂污染的等级，以便进行预测和预防维护。
ISO 4406 额定值方法通常用于确定污染等级。许多工程师采用这一额定值方法，并将它与性能预测直接联系起来。虽然上述技术和方法帮助了解磨损机理和磨损速率，但他们不能有效帮助评估杂质损害对成品齿轮和轴承表面的影响，这些影响涉及到材料的疲劳寿命。
表面特征方法
为了评定被杂质污染的润滑环境对表面的有害影响，已经开发了一种使用表面损害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel 在资料［6］中描述了这一方法。它提供了一种确定污染影响的实际可行的方法，并命名为“杂质特征分析”。
污染润滑剂的分析
以下实地研究就是这种分析方法优势的一种实例，即这种表面特征方法可以使用于评估设备系统。与设备制造厂合作，将其装置配合样品润滑系统一起进行一段时间的现场试验。
确定颗粒尺寸分布和浓度等级用的标准方法，可在实际的用户应用领域中，用于监控其污染等级。在长期使用后，轴承从这些现场装置中拆卸下来。采用外观检查和表面特征方法，其轴承表面被杂质损害的情况随即能被检验出来，其损害等级也可量化。表 1显示了在使用中产生的典型的颗粒尺寸分布以及浓度。图1显示了使用了相同一段时间后的轴承受力表面的典型特征。
本文提供了润滑剂中杂质污染的一个概述。本文还提供了关于不同圆锥滚子轴承在杂质污染的操作条件下寿命试验结果和预测分析方法比较的Z新数据。作为基准，对在这些领域先前所做的研究作了概要的总结并已被引用。近来的研究改进了那种分析方法（使用一种表面特征方法），使得这种方法与杂质条件下轴承试验寿命相关联，并指出要如何对轴承本身进行设计和制造改良。这在设计中已产生了效果，使杂质污染环境下的轴承寿命得到了改善。
前言：关于杂质污染对轴承性能的主要有害影响，已经发表了众多文献［8，11］，而对于可使轴承性能Z佳化的制造工艺、材料及其冶炼方法，也已提出了许多理论。本文将不同轴承产品的某些实验性能结果与用作预测和评估这一性能的分析方法做出切实的比较，并对当前关于杂质污染对轴承寿命的影响量化方法进行了初步陈述。
这些方法中大多数都基于确定润滑剂中的杂质含量的技术，而非滚动接触表面所承受的损害程度。其推理在于：当知道了润滑剂系统的污染含量时，就可了解到对系统部件的损害等级。根据现场试验，已得出部分结果，将润滑剂分析方法直接与寿命预测相联系。因此，一种采用直接的、表面特征的新的寿命预测模型也被提出，并讨论了它与寿命试验结果的关系。该模型是先前的方法［12，13］的延伸，它将应力为基础的分析方法与杂质压痕表面制图方法联系起来，目的在于更加精确地获取在特定杂质环境中出现的实际的杂质损害。
污染特征
当前，设备设计工程师们有许多污染润滑剂分析工具，这可帮助他们评估杂质对机械磨损的有害影响。这些工具采用多种方法， 包括铁粉记录仪方法［1］、重力过滤方法［2］、原子吸收光谱仪［3］、和SEM（EDAX）光谱分析法，来监控性能的总体损失和分析磨损颗粒和污染。这些方法的目的都在于了解材料的成分和润滑剂污染的特性。
另外，颗粒尺寸和计量技术都可用于确定颗粒尺寸分布及其浓度等级。这些技术应用手动的显微镜方法与可用于自动直接计量的光散射法［5］，这里提到的大多数分析手段都可用于监控，并了解设备失效的演变进程以及润滑剂污染的等级，以便进行预测和预防维护。
ISO 4406 额定值方法通常用于确定污染等级。许多工程师采用这一额定值方法，并将它与性能预测直接联系起来。虽然上述技术和方法帮助了解磨损机理和磨损速率，但他们不能有效帮助评估杂质损害对成品齿轮和轴承表面的影响，这些影响涉及到材料的疲劳寿命。
表面特征方法
为了评定被杂质污染的润滑环境对表面的有害影响，已经开发了一种使用表面损害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel 在资料［6］中描述了这一方法。它提供了一种确定污染影响的实际可行的方法，并命名为“杂质特征分析”。
污染润滑剂的分析
以下实地研究就是这种分析方法优势的一种实例，即这种表面特征方法可以使用于评估设备系统。与设备制造厂合作，将其装置配合样品润滑系统一起进行一段时间的现场试验。
确定颗粒尺寸分布和浓度等级用的标准方法，可在实际的用户应用领域中，用于监控其污染等级。在长期使用后，轴承从这些现场装置中拆卸下来。采用外观检查和表面特征方法，其轴承表面被杂质损害的情况随即能被检验出来，其损害等级也可量化。表 1显示了在使用中产生的典型的颗粒尺寸分布以及浓度。图1显示了使用了相同一段时间后的轴承受力表面的典型特征。
图 1：带凹痕的典型轴承受载荷表面显微组织图
表 1
单独的外观比较显示：润滑剂分析并未说明预期的表面损害的等级。通过将表1中的数据与观测到的损坏情况进行比较，润滑剂样品很显然未预测到尺寸比300ｕm大得多的任何颗粒。但是，某些压痕直径接近于6mm 的外观比较显示了大颗粒杂质的存在，这些颗粒的尺寸比润滑剂样品中300ｕm颗粒的尺寸大约大100倍。这一杂质印记分析方法，即由文献资料［6］提及的详细方法，可应用于更加精确地描述其表面损害。该直接的表面分析方法指出：预测的寿命降低率为42％，而润滑剂分析结果并未显示出任何重大的有害影响。另外，表面分析结果与实际的现场性能更加相配。该实例说明了在将性能与污染损害相关联时，表面特征分析很必要。可以得出这样的结论：至少对于严重污染的系统，单一的润滑剂分析，就轴承损害与Z终的现场使用关系而言，它不是一种可靠的方法。
产品性能比较
作为评定和预测轴承在杂质污染的条件下性能的评估过程的一部分，进行了许多轴承寿命试验。为了对这些试验进行比较，采用了标准化方法进行杂质损害［7］。被试验的轴承要经过预先压痕处理，在试验过程中不再添加杂质。在图2中，显示了五家主要的圆锥滚子轴承制造厂的产品性能比较。该项试验曾在文献资料［11］中有过报导，并在被认为是标准的产品上进行了试验，对于给定的每一家制造厂，产品的制造都采用通用的常规制造工艺。该组内试验结果的变化系数为 3，轴承A具有相对Z高的性能。轴承B 和 E 采用了全淬透材料和工艺。轴承 A，C 和D是部分或全部由表面渗碳的部件所制成。
产品性能比较
作为评定和预测轴承在杂质污染的条件下性能的评估过程的一部分，进行了许多轴承寿命试验。为了对这些试验进行比较，采用了标准化方法进行杂质损害［7］。被试验的轴承要经过预先压痕处理，在试验过程中不再添加杂质。在图2中，显示了五家主要的圆锥滚子轴承制造厂的产品性能比较。该项试验曾在文献资料［11］中有过报导，并在被认为是标准的产品上进行了试验，对于给定的每一家制造厂，产品的制造都采用通用的常规制造工艺。该组内试验结果的变化系数为 3，轴承A具有相对Z高的性能。轴承B 和 E 采用了全淬透材料和工艺。轴承 A，C 和D是部分或全部由表面渗碳的部件所制成。
图 2：取自不同制造厂的5 种通用工艺轴承的寿命试验比较，轴承外径为73 mm
65% 置信带
为了达到统计比较的目的，寿命试验结果以65%置信带方式表示。置信带的宽度的计算是以样品尺寸和试验失效的散布情况为基础的，而且它是威波尔斜率的函数。当这些带宽在试验组之间有重叠时，在90%可信度时，从统计学上说，不可能提出性能上重要的差别。
常规轴承对比由不同的制造厂制作的特殊的抗杂质轴承的杂质试验
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图 3：常规制造工艺轴承与另一家制造商的特殊的”抗杂质”轴承的寿命试验比较，轴承外径为83 mm。
为了达到统计比较的目的，寿命试验结果以65%置信带方式表示。置信带的宽度的计算是以样品尺寸和试验失效的散布情况为基础的，而且它是威波尔斜率的函数。当这些带宽在试验组之间有重叠时，在90%可信度时，从统计学上说，不可能提出性能上重要的差别。
常规轴承对比由不同的制造厂制作的特殊的抗杂质轴承的杂质试验
对于特殊的轴承产品（图3、4和5）也进行了可比性的杂质损害试验。该寿命试验是将来自一家制造厂的常规的产品（轴承A）与来自两家或多家其它制造厂的特殊的抗杂质特产品进行了对比。在此，特殊的抗杂质的产品，其改良后的寿命达到常规加工的产品的10倍。进行了3种单独的试验（图3为试验1，图4 为试验2，图 5 为试验3）。在这些单独试验之间，其试验条件和轴承都是不同的。
图 3：常规制造工艺轴承与另一家制造商的特殊的”抗杂质”轴承的寿命试验比较，轴承外径为83 mm。
图3表示杂质损害试验的标准化结果，其试验条件与图2中试验的条件完全相同。这些结果在先前的文献资料［7］中曾作过报导。这表明：来自一家制造厂的常规加工工艺的轴承A，其寿命试验结果略高于来自另一家制造厂的特殊的抗杂质加工工艺的寿命试验结果。
图 4：取自其它制造厂的、常规制造工艺轴承与特殊的”抗杂质”轴承的寿命试验比较，轴承外径为68 mm。
图4表示杂质损害试验的标准寿命试验结果，除了试验介质改变外，其它试验条件与图2中试验条件相似。这一试验仅产生了轻微的杂质损害。杂质特征分析应用于常规的轴承A，且仅用于预测因杂质而产生的、Z低寿命降低。在这些条件下，来自一家制造厂的、
