污染表征

 

設(shè)備設(shè)計工程師有許多受污染的潤滑劑分析工具，幫助他們評估碎屑顆粒對機械磨損的檢測影響，并通過使用這些工具可以監(jiān)測由此造成的性能損失。其他研究旨在了解潤滑劑污染的材料組成和特征。剛才提到的大多數(shù)分析工具都用于監(jiān)測和了解設(shè)備故障的演變，以及用于預(yù)測和預(yù)防性維護的潤滑劑污染程度。

表面表征方法

 

Nix­on和Cogdell開發(fā)了一種評估碎屑污染潤滑環(huán)境有害影響的方法，該方法被適當標記為碎屑信號分析SM。

 

圖1–典型軸承承載表面的顯微照片，帶有非常大的凹痕

 

僅在這些視覺比較中就可以明顯看出，潤滑劑分析并未說明預(yù)期的表面損傷程度。通過將表1中的數(shù)據(jù)與肉眼可見的損傷進行比較，可以肯定的是，試樣取樣并沒有預(yù)測到任何大于300μm的顆粒。然而，凹痕的視覺比較（有些直徑約為6mm）表明，存在的巨大顆粒比潤滑劑樣品中300微米大小的顆粒大100倍。碎片特征分析SM方法用于更準確地表征表面損傷，并表明預(yù)計壽命將減少42%。該示例用于說明在將性能與污染損害聯(lián)系起來時需要進行表面表征。

 

產(chǎn)品性能比較

 

作為評估和預(yù)測軸承性能的評估過程的一部分，已經(jīng)進行了多次軸承壽命測試，并使用了一種標準化的方法來應(yīng)用碎片損傷。測試軸承預(yù)先凹陷，在測試過程中沒有添加額外的碎屑。

 

在圖2中顯示了主要的圓錐滾子軸承制造商。該測試之前曾報道過，并且是在被認為是標準產(chǎn)品的產(chǎn)品上進行的，該產(chǎn)品是按照每個制造商通用的常規(guī)工藝制造的。該組的結(jié)果相差約三倍，其中Brg a具有最高的相對性能。軸承B和軸承E通過硬化材料和加工使用，其他軸承C和D部分或全部由表面滲碳部件制造。

 

圖2–軸承外徑73 mm的壽命試驗對比

 

為了進行統(tǒng)計比較，壽命試驗結(jié)果用65%的置信度括起來。這些帶的寬度是根據(jù)樣本大小和測試失敗的分散度計算的，是威布爾斜率的函數(shù)。當這些條帶在測試組之間重疊時，沒有統(tǒng)計學(xué)意義，性能差異不能以90%的百分比來表示。

 

常規(guī)Ver­sus特殊防碎片軸承的測試

 

還對一家制造商的常規(guī)產(chǎn)品（Brg a）和另外兩家制造商的特殊“防碎片”產(chǎn)品進行了測試。在這里，特殊的抗碎片產(chǎn)品聲稱其壽命比傳統(tǒng)工藝提高了十倍。

 

圖3顯示了在與圖2相同的條件下碎片壩齡試驗的歸一化結(jié)果。在這種情況下，軸承A的壽命測試結(jié)果略微超過了特殊軸承的結(jié)果。

 

圖3–常規(guī)與特殊“防碎片”軸承（外徑83 mm）的壽命試驗對比

 

圖4顯示了在與圖2相似的條件下的標準化壽命試驗結(jié)果，但碎片介質(zhì)發(fā)生了變化。這只導(dǎo)致輕微的碎片損壞。在這里，碎片特征分析應(yīng)用于傳統(tǒng)的Brg A，并僅預(yù)測了碎片導(dǎo)致的閾值壽命減少。在這些條件下，軸承A的性能結(jié)果與特殊軸承的結(jié)果相同。

 

圖4–常規(guī)與特殊“防碎片”軸承（外徑68 mm）的壽命試驗對比

 

圖5顯示了318 mm大外徑軸承的標準化結(jié)果。采用了不同的壽命測試條件（部分原因是使用了更大的測試軸承）以及新的碎片介質(zhì)和應(yīng)用碎片介質(zhì)的新方法。這導(dǎo)致中度至嚴重的碎片損壞。碎片特征分析應(yīng)用于傳統(tǒng)的Brg A，并預(yù)測壽命減少3倍。

 

圖5–常規(guī)與特殊“防碎片”軸承（外徑318 mm）的壽命試驗對比

 

該測試得出的一個結(jié)論是，不同制造商生產(chǎn)的軸承在制造工藝、材料和冶金實踐方面的差異會影響在高碎屑環(huán)境中運行的軸承的疲勞壽命。

 

提高績效水平

 

通過研究用于生產(chǎn)Brg A的獨特冶金設(shè)計和工藝參數(shù)，開發(fā)了一種改進的抗碎片方法。目標是提高軸承的強度、延展性和韌性的機械性能，特別是在功能接觸（滾道）表面。陽離子涉及選擇參數(shù)，包括材料化學(xué)、殘余奧氏體、微觀結(jié)構(gòu)和近表面性能的熱處理后控制。

 

這種新型抗碎片設(shè)計和處理方法的性能結(jié)果如圖6所示。在這一特定的測試方案中，兩個無凹痕的常規(guī)基線組的壽命大約比無凹痕的預(yù)測壽命短2至3倍。應(yīng)用碎片特征分析，預(yù)測碎片壽命減少系數(shù)在0.4至0.5之間。對于這些基線方位。

 

圖6–特殊“耐碎片”軸承與傳統(tǒng)軸承（外徑248 mm）的壽命試驗對比

 

抗碎片軸承性能顯示出比基線組高得多，其上限為65%。因此，新的抗碎片軸承抵消了給定碎片損壞的影響，并使平均承載壽命比傳統(tǒng)工藝制造的兩個基線軸承組增加了2.3倍。目前，這種耐碎片軸承在碎片環(huán)境中的使用壽命提高了2倍。

 

壽命預(yù)測模型

 

Ai提出了碎片壽命預(yù)測工具的理論基礎(chǔ)，其中確定了磨損凹痕對滾道接觸應(yīng)力和疲勞壽命的影響。使用具有Brg A代表的性能特征的軸承進行受控碎片凹痕軸承試驗。

 

由于應(yīng)用中的碎屑覆蓋了大范圍的顆粒尺寸，因此制定了一個程序來確定由實際顆粒尺寸分布組成的潤滑劑污染的影響。使用了兩種方法。這個第一種方法模擬了與ISO 4406代碼分布相關(guān)的碎片粒度分布。ISO 13/10、15/12、17/14、18/16和21/18的52100鋼屑顆粒分布與潤滑劑混合，并用于凹痕軸承，如Nixon所述。例如，圖7顯示了用于ISO 4406 21/18和15/12清潔度等級的顆粒分布。這些分布是根據(jù)碎片污染的廢油的分析和ISO 4406表征得出的。然后對凹陷軸承表面進行光學(xué)映射，以獲得凹陷尺寸和表面密度分布。從而獲得碎片特征分析。數(shù)據(jù)包含凹痕尺寸和表面密度的les被存儲起來，供應(yīng)用工程師用于分析可能在這些環(huán)境中運行的軸承的壽命。

 

圖7–兩個特定ISO代碼的粒度分布

 

第二種方法是從eld和光學(xué)表征這些軸承上凹痕的尺寸和表面密度，以用于未來的壽命分析。這些是較大的軸承，通常在污染更嚴重的條件下運行，ISO 4406無法充分描述。工程師可以使用這些凹陷表面的照片來選擇在其應(yīng)用中常見的滾道表面損壞程度。

 

對取自標準壽命試驗機的典型壽命試驗潤滑劑的分析表明，基本清潔度等級為ISO 15/12。在此清潔度水平下，碎屑壽命系數(shù)的值為1.0。更清潔的潤滑劑可以延長使用壽命，而更多去毛刺的潤滑劑可以縮短使用壽命。

 

為了確定壽命減少系數(shù)，根據(jù)應(yīng)用條件確定滾動元件接觸載荷，以確定接觸應(yīng)力和接觸面積。然后可以確定凹痕的大小和數(shù)量在這種環(huán)境下對軸承壽命的影響。圖8顯示了33 mm孔徑圓錐滾子軸承在不同潤滑劑清潔度水平和徑向載荷下的碎屑壽命因子（a3D）圖，以百分比C（90）額定值表示?？梢钥闯?，在重荷載下，由于對一般應(yīng)力水平的凈影響減小，而在輕荷載下對修改一般應(yīng)力級別的影響更大，因此碎片水平變化的影響減小。

 

圖2顯示，與表面滲碳鋼制成的軸承相比，由完全硬化鋼制成的軸瓦對碎屑凹痕更為敏感。圖6顯示，滲碳軸承可以制造得更耐碎片。圖9顯示了在中度污染環(huán)境下，由這些材料制成的軸承與表面滲碳軸承的模型碎片壽命因子的差異。由完全硬化鋼制成的軸承比表面滲碳軸承的壽命稍低。正如預(yù)期的那樣，抗碎片軸承微觀結(jié)構(gòu)在污染環(huán)境更嚴重的情況下對提高軸承壽命更有效。

 

圖8——根據(jù)荷載和各種ISO規(guī)范進行的碎片壽命調(diào)整

 

圖9–軸承材料的相對碎片壽命系數(shù)

 

在作者的壽命試驗機中，對碎片凹陷軸承的傾斜數(shù)進行了壽命試驗。圖10顯示了實驗確定的碎片凹痕導(dǎo)致的壽命減少與該方法預(yù)測的壽命減少之間的關(guān)系。對于制造商的軸承產(chǎn)品，該模型已證明在實際碎屑凹痕和隨后的疲勞損傷之間提供了實際聯(lián)系。

 

圖10–實驗結(jié)果與模型預(yù)測的比較

 

結(jié)論

 

以下結(jié)論和觀察結(jié)果是分析經(jīng)驗和實驗測試結(jié)果的結(jié)果。

 

1） 對于嚴重污染的系統(tǒng)，潤滑油分析方法本身可能不是連接軸承損壞及其后果的可靠方法。

 

2） 對軸承進行疲勞壽命測試以評估碎片損傷敏感性，可以作為區(qū)分產(chǎn)品性能的有用工具。

 

3） 使用碎片進行的標準化壽命測試表明，來自不同制造商的傳統(tǒng)和抗碎片軸承性能顯著。在比較產(chǎn)品抗碎片能力的相對等級以及應(yīng)用性能預(yù)測工具時，應(yīng)考慮這些差異。

 

4） 在碎片特征分析SM的指導(dǎo)下，直接測量損傷的方法有望比其他涉及潤滑油污染分析的方法提供更高的精度，以量化壩齡差異。

 

5） 碎片特征分析SM應(yīng)提供一種工具，用于定量比較，能夠?qū)⒊晒υO(shè)備性能的污染環(huán)境與不成功的污染環(huán)境進行比較。

 

6） 新的壽命預(yù)測模型提供了實際碎片凹痕和隨后的疲勞損傷之間的實際聯(lián)系。