氮化硅陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命研究.pdf

1、陶瓷軸承是為解決傳統(tǒng)軸承在超高速、腐蝕、高溫及其它惡劣工況下難以工作的問題而研制的一種新型軸承，陶瓷球是陶瓷球軸承的重要零件之一，滾動接觸疲勞壽命是評價其能否用于滾動軸承的主要技術(shù)指標(biāo)。本文作為上海市科技發(fā)展基金重點(diǎn)項(xiàng)目的一部分，對軸承用氮化硅(Si<,3>N<,4>)陶瓷球的滾動接觸疲勞性能進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，完成的主要工作有： 一、設(shè)計和研制了一臺三點(diǎn)接觸純滾動軸承球的強(qiáng)化接觸疲勞壽命新型試驗(yàn)裝置，被試球在最大圓截面上受到

2、三次等接觸強(qiáng)度的循環(huán)接觸載荷的作用，并沿此圓周作純滾動；克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)因接觸點(diǎn)少、或是滾/滑狀態(tài)、或需其它附加結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)，有效地減少了試驗(yàn)結(jié)果的影響因素。 二、利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號分析和處理技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)，開發(fā)了上述疲勞試驗(yàn)機(jī)的測控系統(tǒng)，便于自動記錄和監(jiān)控試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及被試軸承球的工作狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)能夠自動識別并采取相應(yīng)的措施，保證試驗(yàn)機(jī)安全可靠地運(yùn)行，減輕了實(shí)驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度，提高了試驗(yàn)

3、效率。 三、對GCrl5鋼球和二種分別由氣壓燒結(jié)工藝生產(chǎn)的GSN-200及熱等靜壓工藝生產(chǎn)的NBD-200 Si<,3>N<,4>陶瓷球進(jìn)行了滾動接觸疲勞性能的對比試驗(yàn)研究，通過疲勞失效球表面的顯微觀察，驗(yàn)證了陶瓷球的疲勞失效形式同鋼球一樣仍為表層剝落。利用韋布爾理論處理疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，被試的GSN-200陶瓷球的疲勞壽命與GCrl5鋼球相當(dāng)，而NBD-200陶瓷球的壽命則要遠(yuǎn)長于前兩者。試驗(yàn)還表明，在相同試驗(yàn)工況下

4、，兩種陶瓷球的運(yùn)行溫升均低于鋼球，而疲勞剝落發(fā)展速度則慢于鋼球。 四、通過掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對失效球的疲勞表面及其剖面進(jìn)行觀察，分析了陶瓷球的失效原因、失效現(xiàn)象和失效機(jī)理。分析表明在剝落形成過程中次表面裂紋起著主導(dǎo)作用，這些裂紋起源于材料的體積缺陷，受到滾動接觸引起的最大主拉應(yīng)力作用，從次表面向表面擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞剝落，剝落輪廓為橢圓錐狀。 五、利用掃描電子顯微和純滾動加速疲勞試驗(yàn)技術(shù)，研究了Si<,3>N<,4>陶

5、瓷球的顯微結(jié)構(gòu)對滾動接觸疲勞性能的影響。研究表明，顯微結(jié)構(gòu)不僅影響韌性、強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時也影響滾動接觸疲勞性能。 六、應(yīng)用彈性接觸力學(xué)和赫茲理論分析了純滾動條件下陶瓷球表面層接觸應(yīng)力，得到了表面層最大主拉應(yīng)力場，并與相應(yīng)的純滾動接觸疲勞試驗(yàn)的裂紋進(jìn)行對照，分析表明，理論計算的最大主拉應(yīng)力等高線與實(shí)際的裂紋走向趨于一致，從而驗(yàn)證了陶瓷球失效的臨界應(yīng)力為最大主拉應(yīng)力。 七、針對球與圓柱接觸模型中的陶瓷球，利用Weibul

6、l斷裂統(tǒng)計方法導(dǎo)出球疲勞失效概率與壽命之間的關(guān)系方程。在相關(guān)額定壽命與最大接觸應(yīng)力的數(shù)值解基礎(chǔ)上，基于最大主拉應(yīng)力，構(gòu)建了全新的Si<,3>N<,4>陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命與接觸應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)與不同接觸應(yīng)力水平下的滾動接觸疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，表明了該拉應(yīng)力一壽命模型的可行性。通過與L-P剪應(yīng)力-壽命模型預(yù)測結(jié)果的比較，說明拉應(yīng)力-壽命模型更適合于陶瓷球的滾動接觸疲勞壽命預(yù)測，進(jìn)而驗(yàn)證了該模型的正確性。 本文研究成果為陶瓷