滚动轴承微动磨损的影响因素

太原科技大学
课程设计
滚动轴承微动磨损的影响因素
设计名称材料课程设计
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2017 年03 月16 日
滚动轴承微动磨损的影响因素
[摘要]摩擦力矩是滚动轴承质量性能的一项重要影响系数。

它能够影响轴承的振动和噪声，而且影响轴承内的温度变化。

轴承运转中温度上升过大会引起润滑油变质和轴承因过热而损坏。

摩擦力矩同时还影响着主机的功耗，同时还关系着精密机械仪表动作和信息传递的准确性，例如陀螺仪轴承摩擦力矩的大小及其平稳性是影响惯性导航漂流率的一项重要因素。

一些特殊用途的轴承对摩擦力矩的要求更高。

迄今为止，关于滚动轴承摩擦力矩的研究已经取得了不错的进展，为轴承技术的发展提供了一定的指导和促进作用。

[关键词]滚动轴承摩擦力矩不确定性非线性特征
一、摩擦力矩
（一）摩擦力矩的介绍
滚动轴承摩擦力矩是指滚动摩擦、滑动摩擦和润滑剂摩擦的总和产生的阻滞轴承运转的阻力矩。

静态力矩（也称启动力矩）是指滚动轴承两套圈从静止状态到开始相对转动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩。

动态力矩是指轴承内外套圈相对转动时所需克服的摩擦阻力矩。

在测量时一般把最大力矩、平均力矩和力矩差作为评定轴承动态摩擦性能参数。

本课题主要研究动态力矩，它测量的是滚动轴承在旋转过程中的摩擦力矩值，表现为一个时间数据序列。

轴承各组件之间相互接触和运动，故滚动轴承在旋转过程中存在着摩擦阻力。

只要有摩擦就会损失能量，并且阻碍运动。

滚动轴承的摩擦主要由滚动体与套圈滚道之间的滚动摩擦与滑动摩擦；保持架与滚动体和套圈引导面之间的滑动摩擦（无保持架时为滚动体之间的滑动摩擦）；滚子端面与套圈档边间的滑动摩擦；润滑剂的粘性阻力；密封装置的滑动摩擦等方面组成，其大小取决于轴承的类型、尺寸、负荷、转速、润滑、密封等多种因素。

滚动轴承摩擦力矩的大小影响着功率消耗以及轴承的发热量，直接影响着轴承的温升失效，它是轴承优化设计中的一个重要的性能指标。

[1]
（二）摩擦力矩影响因素分析
我们把影响滚动轴承摩擦力矩的因素分为两种，一种是外部因素，此因素主要是由轴承使用的工作状况和轴承测试的条件影响决定的。

另一种是内部因素，主要包括设计参数、加工精度、质量参数等指标。

总的说来，设计的参数指标决定轴承摩擦力矩大小和波动平均值，加工中的工艺精度等参数决定摩擦力矩的均匀性和波动大小。

但是，两者之间并不是孤立存在的，而是相互作用，相互制约，相互影响。

1．影响滚动轴承摩擦力矩的外部因素
(1)轴承的载荷，摩擦力矩随着轴承轴向载荷的增大而增加；
(2)空气阻力；
(3)滚动轴承的旋转速度等。

2．影响滚动轴承摩擦力矩的内部因素
(1)滚动中的弹性滞后引起的纯滚动摩擦以及滚动体－滚道接触的滑动、保持架与滚动体之间的滑动、滚子端面与内圈或外圈挡边间的滑动和保持架与套圈之间的滑动；
(2)轴承制造所产生的宏观偏差；
(3)轴承的内部游隙，一般情况下，轴承的摩擦力矩值随着游隙的增大而有所降低；
(4)轴承在使用过程中的变形；
(5)轴承接触表面改性及形貌；
(6)套圈与滚动体的圆度和波纹度；
(7)轴承的污染与其长时间应用产生的表面缺陷等；
(8)轴承的润滑情况及润滑剂的选择。

二、滚动轴承摩擦力矩国内外研究现状
摩擦力矩是滚动轴承质量性能的一项重要影响系数。

它能够影响轴承的振动和噪声，而且影响轴承内的温度变化。

轴承运转中温度上升过大会引起润滑油变质和轴承因过热而损坏。

摩擦力矩同时还影响着主机的功耗，同时还关系着精密机械仪表动作和信息传递的准确性，例如陀螺仪轴承摩擦力矩的大小及其平稳性是影响惯性导航漂流率的一项重要因素[6]。

一些特殊用途的轴承对摩擦力矩的要求更高。

迄今为止，关于滚动轴承摩擦力矩的研究已经取得了不错的进展，为轴承技术的发展提供了一定的指导和促进作用，下面就理论和试验研究作一下介绍。

(一) 摩擦力矩计算公式研究
在摩擦力矩的理论计算方面，计算公式主要有Palmgren 法、角田和雄法等。

其中，Pallmgren 法应用比较广泛。

上世纪五十年代，Palmgren 用试验方法推导出摩擦力矩的计算公式。

而且用经验公式推导出中等速度和小载荷下工作的轴承的摩擦力矩和不同密度的润滑油的粘性摩擦力。

近几年，SKF 最新推出了一种轴承总摩擦力矩的计算模型，该模型对于低速和重载下的轴承摩擦力矩计算更为准确。

Kitahara Tokio 等对仪表精密滚动轴承摩擦力矩进行试验，在此基础上推导出在径向轴向两者共同影响下的角接触球轴承摩擦力矩的计算公式。

Genttle C R等对滚动轴承中的保持架和引导面之间以及与兜孔之间的摩擦力进行了研究，并建立了数学模型。

Yokooyama Kazuhiero 等分析了轴承运转速度、预载荷、润滑油填充量等
因素对角接触球轴承摩擦力矩的影响，得出角接触球轴承的理论计算公式。

但是推出的计算公式都是在一些假设情况下得出的，例如理想化的加工质量和工艺参数等。

从中可以看出，滚动轴承摩擦力矩是繁琐复杂的，是不容易精确计算的，这充分说明了试验研究摩擦力矩的合理性，体现了课题研究的重要意义。

(二) 摩擦力矩影响因素研究
Townsendd D P 等研究了滚动轴承在几种润滑状态下的摩擦力矩，从理论上研究了轴承润滑状态对摩擦力矩的影响。

Tordd M J 等研究了角接触球轴承曲率半径系数和摩擦力矩之间的关系，并建立了相应的计算公式。

Gupta P K 对滚动轴承摩擦力矩和保持架在运动中的关系进行了深入的研究，结果表明：随着球与保持架、滚道之间摩擦力矩的增大，在运转中保持架质心的轨迹由圆形向多边形甚至其它一些不稳定的形状变化，这样就导致保持架因形状改变而失效。

Rordionov EM 就滚动轴承的加工误差对其摩擦力矩的影响因素进行分析研究，得出：摩擦力矩会因滚动体表面的形状误差而引起波动。

三、微动磨损的影响因素
（一）摆动角度与负荷
由于内圈的损伤较外圈的损伤要激烈, 以下主要以内圈损伤对滚动轴承微动磨损的各因素进行讨论。

图1表示了在不同的负荷和轴的不同摆动角度下对内圈损伤增加率的影响。

由图可见, 摆动角度对微动磨损有很大的影响, 摆角较小时( 1°以下) , 损伤增加率限于30- 60%,摆角较大时, 损伤率激增, 在大负荷下尤为显著。

另外, 损伤增加率也随负荷的增加而增加, 但在小摆角场合, 负荷的影响较小。

如果摆角不变, 负荷增加时, 损伤增加率有趋于饱和的倾向。

图 1摆动角度、负荷与损伤增加率的关系
（二）重复次数
图2显示了轴承内、外圈损伤增加率与摆动次数的关系,可见内圈的损伤两端要比中部的增加率大, 并且其上升速度在初期比较激烈。

另外, 外圈的损伤增加率比内圈要小得多。

图2 重复次数对损伤的影响
图3中所述方法对由内圈/ 滚动体与外圈/ 滚动体接触面的差动滑动引起的τδ的最大值进行比较的结果, 其中τ为接触面上的切向应力,δ则为接触面上的相对滑动量, τδ的乘积可看作在摩擦面上单位面积的能量损失。

由图可见, 内圈/ 滚动体接触部的τδ值远远大于外圈/ 滚动体之τδ值。

随着轴的摆动角度减小, 接触部中央附近的τδ急剧下降, 而且τδ的峰值也向两端移动。

图3内、外圈与滚动体差动滑动τδ值的比较
图4为切向力滑动内圈/ 滚动体与外圈/ 滚动体接触面τδ的最大值进行比较的结果。

内圈/ 滚动体接触面上的τδ值也比外圈/ 滚动体的大, 而两者比值要比差动滑动的两者比值小。

在摆动角度较大的场合, 切向力滑动的τδ峰值与差动滑动在接触区域两端的τδ峰值, 在同一切向力条件下要小。

而在摆角非常小的情况下, 两者大小关系逆转。

这就意味着如果轴的摆角较大, 则差动滑动成为微动磨损的主因, 而摆角较小时,切向力滑动成为微动磨损的主因。

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图4内外圈/ 滚动体切向力滑动τδ值的比较
（三）力学参数
振动频率、幅度以及加速度对轴承微动磨损有显著影响。

通过自制的试验装置在干态下对轴承加载轴向振动，结果发现，微动磨损随振动频率和加速度的增加而
增加; 磨损先随振幅增加而增加，在振幅近似为轴承轴向游隙的 2 倍时达到最大值，然后随振幅的增大而减小; 在一定的测试条件下，磨损在微动初期增加较快，但随着微动次数的增加而趋于缓和。

在脂润滑条件下用型号为6104 球轴承考察了摆角、摆动次数及载荷等参数对微动磨损的影响，发现摆角在1°以内，磨损速度较小，但是超过该值后磨损急剧增加，这一倾向在重载下尤为显著; 微动磨损随载荷的增加而增加，但小摆角情况下，载荷影响较小。

[3]
（四）设计参数
轴承的接触角、沟曲率半径系数和游隙等设计参数不同导致其抗微动磨损能力也不同。

在球轴承受外部振动情况下，微动磨损的程度与接触区域上的切向力τ和相对滑动量δ的乘积τδ相关，因此在设计上可通过少量增大内、外沟道的沟曲率半径而大大减小接触表面上的τδ值来减缓球轴承的微动磨损。

但这种设计变化将增大接触应力，使润滑剂更难进入接触区，从而降低轴承寿命。

为减缓变桨轴承在风力发电机工作过程中的微动磨损，通过微动模拟试验得出，在轴承有一定的负游隙时磨损量最小，并从不同倾角的径向与切向微动组合而成的复合微动试验中得出，变桨轴承的初始接触角在45°附近取值有助于提高其抗微动磨损能力。

（五）小结
以上就滚动轴承在油脂润滑条件下, 不同的摆角、摆动次数及负荷对微动磨损的影响进行了考察, 总结如下:
1.轴的摆角对微动磨损有极大的影响, 摆角在1°以内, 磨损速度较小, 但超过该值后磨损急剧增加。

这一倾向在大负荷下尤为显著。

2.内圈/ 滚动体间产生的磨损要比外圈/ 滚动体间产生的磨损激烈得多, 且损伤的形态也不同。

3.虽然切向力滑动和差动滑动都与损伤有关, 但在轴的摆角非常小时, 切向力滑动为微动磨损的主因; 随着摆角增大, 差动滑动成为主因。

四、微动磨损机理
（一）运行模式
根据运动方式不同，按球/平面接触模型，微动可分为切向式、滚动式、径向式和扭动式。

目前国内、外关于微动磨损的报道以切向式为主，这些研究成果对钢球与沟道之间的微动磨损具有借鉴作用。

我们采用钢球/平面试样进行有润滑油参与的切向微动试验，通过测试的磨损数据训练神经网络来预测球轴承的微动磨损情况。

对于滚子轴承，滚子与滚道之间存在径向式、切向式和滚动式微动; 而对于球轴承，
钢球和沟道之间的微动为切向式、滚动式、径向式、Heathcote( 差动) 式和扭动式( 由于接触角的存在) 组成的复合微动。

（二）磨损特征
对钢球与内沟道接触面上的法向变形、切向变形以及Heathcote 滑动进行理论分析，并对径向加载的球轴承进行往复摆动试验，发现在摆角较小时，切向滑动为微动磨损的主因; 随着摆角增大，微动磨损则主要由重复的Heathcote滑动引起。

切向滑动引起的损伤在接触区的周围;Heathcote 滑动引起的损伤在接触区两端，接触面中心受力最大的部分未受损伤，且内圈损伤比外圈损伤严重得多。

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（三）磨损机理
发生在轴承接触面之间的由微幅滑动和滚动引起的微动磨损分别为微动腐蚀和伪压痕，且两种磨损机理不同。

微动腐蚀发生在无润滑状态，磨损机理是产生严重的黏着，并穿过自然氧化层与母体材料形成冷焊，磨屑成分为α－Fe2O3，呈暗红色; 伪压痕则发生在边界润滑，磨损机理是轻微限制在自然氧化层的轻微黏着，磨屑成分是黑色的Fe3O4。

微动磨损开始呈现伪压痕形态，当微动磨屑挡住润滑油脂从而使摩擦表面形成无润滑状态时，则逐步升级为微动腐蚀。

通过简易试验装置对推力球轴承进行了频率为7Hz、摆角为±3°以及有润滑油作用的微动试验，以了解微动磨损的过程和机理。

试验后通过扫描隧道显微镜观察轴承磨损表面发现，即使在有润滑的情况下接触表面在微动的一开始就以纳米量级被磨损; 微动开始几分钟后表面氧化物和几小时后表面微观结构的改变( 白层的形成) 会加速磨损。

[5]
五、结论
微动磨损对轴承运转性能和使用寿命影响较大，是轴承常见的失效方式之一。

而实际工程中轴承微动磨损的机理和过程较复杂，损伤程度涉及受力状态、润滑、材料以及设计参数等因素，且在不同的工程应用场合下，轴承有其特定的微动磨损过程。

因此未来有必要结合轴承使用情况对其微动磨损进行深入研究，以掌握规律，为减缓微动磨损提供参考。

参考文献
[1]周仲荣，罗唯力，刘家浚．微动摩擦学的发展现状与趋势［J］．摩擦学学报，1997，272 ～280．
[2]张雪萍，姚振强．轿车轮毂轴承微动磨损试验分析［J］．机械工程学报，2002，105 ～ 107．
[3]王思明，文鉴恒，杜海若，等．变桨轴承微动磨损分析与沟道参数确定［J］．轴承，2010 9 ～ 12．
[4]何明鉴. 机械构件的微动疲劳[ M] . 北京: 国防工业出版社,1994,65 ～ 72.
[5]王思明，许明恒．风力发电机转盘轴承微动磨损的试验研究［J］．中国机械工程，2010，430～ 433．。