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　　摘　要：通過(guò)對(duì)N203M軸承壽命試驗(yàn)樣本的觀察與分析，發(fā)現(xiàn)70％以上的滾子出現(xiàn)早期疲勞。從分析軸承使用中滾子所受載荷與變形的關(guān)系入手，找出滾子早期疲勞的原因，并追溯到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的某些不足。提出了從設(shè)計(jì)到加工制造的綜合改進(jìn)措施。
　　關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；全凸度滾子；早期疲勞；線接觸；變形量
　　多年來(lái)，用戶不斷反應(yīng)圓柱滾子軸承的使用壽命偏低，且尤以中、小型圓柱滾子軸承更為突出。為了查找原因，哈軸公司軸承壽命試驗(yàn)室模擬用戶使用條件，對(duì)N203M軸承進(jìn)行了壽命試驗(yàn)及相應(yīng)的系統(tǒng)分析，力圖找出其原因和相應(yīng)的改進(jìn)措施。 
　　1　壽命試驗(yàn)
　　1.1 試驗(yàn)條件
　　我公司對(duì)N203M軸承進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=7500r/min，徑向載荷F_r=3350N，計(jì)算壽命L_c=100h，潤(rùn)滑為JH-20噴油循環(huán)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為ZS-15/30。
　　1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
　　20套子樣經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。 　　將表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Z佳線性不變估計(jì)法程序進(jìn)行處理，可得以下參數(shù)：試驗(yàn)額定壽命L₁₀=72h；Weibull斜率α=1；可靠度R=0.79；壽命水平（統(tǒng)計(jì)額定壽命與計(jì)算壽命的比值）S=0.72。 
　　從表1中的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果可知，本批軸承的壽命水平較低，試驗(yàn)額定壽命僅為計(jì)算壽命的0.72倍。外滾道疲勞概率為 18.1％；內(nèi)滾道疲勞概率為45.4％；滾子疲勞概率為72.6％；顯然，滾子的早期疲勞是導(dǎo)致圓柱滾子軸承壽命偏低的主要原因。仔細(xì)觀察疲勞破壞的滾子，發(fā)現(xiàn)多數(shù)是在邊緣出現(xiàn)疲勞剝落。為了排除其他因素，對(duì)滾子進(jìn)行了硬度及金相組織檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明：硬度值、淬回火組織級(jí)別和非金屬夾雜物的含量等均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
　　2　早期疲勞原因分析
　　N203M 軸承的外圈、內(nèi)圈及滾子的成品零件圖如圖1所示。該軸承采用的是Ø5.5mm×5.5mm全凸度滾子，其凸度量為 0.004mm。本次N203M軸承壽命試驗(yàn)，其徑向載荷為F_r =3350N，在該載荷作用下，滾子產(chǎn)生的變形量按下式計(jì)算^[1] ： 　　式中：
　　Q_max為滾子承受的Z大載荷；F_r為徑向外載荷；Z為滾動(dòng)體數(shù)量（查產(chǎn)品圖可得）；L_y為滾子與滾道的有效接觸長(zhǎng)度。有效接觸長(zhǎng)度，應(yīng)取內(nèi)滾道有效寬度、外滾道有效寬度和滾子有效長(zhǎng)度三者中的Z小值。因此由表2可見(jiàn)應(yīng)取內(nèi)滾道有效寬度的平均值4.55mm。  　　將F_r=3350N，Z=10，L_y=4.55mm代入得δ=0.0083mm。
　　顯然，該變形量已大大超過(guò)了N203M軸承滾子的凸度量0.004mm。由此可見(jiàn)，N203M軸承雖然采用的是全凸度滾子，但在工作中，隨著載荷的加大，當(dāng)滾子的彈性變形超過(guò)凸度量時(shí)，滾子與滾道變成了線接觸，且產(chǎn)生邊緣應(yīng)力集中（圖2）。雖然該邊緣應(yīng)力值較直素線滾子的邊緣應(yīng)力值小很多。但其仍然是導(dǎo)致滾子70％以上在邊緣出現(xiàn)疲勞剝落的原因。 　　N203M軸承的滾子現(xiàn)有的凸度量能夠承受的載荷可按以下步驟推算。
　　將δ=0.004mm代入（1）式得
　　Q_max=683.5N
　　將其代入（2）式得
　　F_r=1486N
　　這就是說(shuō)，N203M軸承滾子現(xiàn)有的凸度量Z大能承受1486N的載荷。一旦超過(guò)，接觸區(qū)將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力集中。
　　3　改進(jìn)建議
　　為了改善滾子早期疲勞的現(xiàn)狀，提高軸承壽命。需從設(shè)計(jì)、加工和使用3個(gè)方面做如下改進(jìn)。
　　（1）適度加大滾子的凸度修正量，以提高滾子的承載能力，減少邊緣應(yīng)力集中。
　　（2）提高滾子的柔度，以減少邊緣應(yīng)力集中。
　　可通過(guò)在滾子的兩端各加工出一個(gè)如圖3所示，軸向剖面呈半圓形、半橢圓形和等腰梯形的孔，提高滾子的柔度。 　　（3）適度增加有效接觸長(zhǎng)度。如增加滾子長(zhǎng)度，減少擋邊厚度，嚴(yán)格控制油溝尺寸等。
　　（4）計(jì)算出每種規(guī)格的圓柱滾子軸承采用的 滾子的凸度修正量所對(duì)應(yīng)的載荷的Z大極限值，并標(biāo)注在《軸承樣本》上，以便用戶使用時(shí)參考。
　　4　結(jié)束語(yǔ)
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，造成滾子早期疲勞的根本原因是全凸度滾子的凸度量遠(yuǎn)小于軸承工作狀態(tài)下滾子的變形量，使?jié)L子重新產(chǎn)生邊緣應(yīng)力集中，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)等措施，取得了較好效果。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]阿•帕爾姆格林.滾動(dòng)軸承工程學(xué)[M].姚松官,譯.洛陽(yáng):洛陽(yáng)農(nóng)機(jī)學(xué)院,1981.
　　[2]Harris TA。Rolling Bearing Analysis[M].4th ed.John Wiley & Sons.Inc.2006.