CN113390785A

CN113390785A - 一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法

Info

Publication number: CN113390785A
Application number: CN202110668037.1A
Authority: CN
Inventors: 贺甜甜; 张永振; 杜三明; 刘建; 傅丽华; 岳赟; 逄显娟; 郑晓猛
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2021-09-14

Abstract

本发明涉及一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，属于轴承材料检测技术领域。本发明选取摩擦系数变化率突变量、摩擦系数变化率突变时间作为评价轴承材料润滑失效的评估指标，在轴承出现润滑不良时，对服役过程的轴承的摩擦系数进行实时检测，将得到摩擦系数变化率与摩擦系数变化率突变量进行比较，根据比较结果判断轴承材料润滑是否失效，其中的摩擦系数变化率突变量与轴承材料和工况有关。通过这种评估方式，本发明能够准确、及时发现轴承润滑失效，避免长时间润滑失效导致的安全事故。

Description

一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法

技术领域

本发明涉及一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，属于轴承材料检测技术领域。

背景技术

轴承是装备制造领域的核心基础零部件，轴承工业是国家基础性战略性产业，对国民经济发展和国防建设起着重要的支撑作用。在轴承服役过程中，随着工况的改变，往往会出现急加速/减速、高速/变载、高温/低温、乏油等条件下的非稳态润滑情况，轴承高摩擦接触区域产生高温、高应力，导致轴承材料组织发生转变，包括奥氏体、马氏体转变，碳化物分解、析出，晶粒细化等；同时在力的作用下位错运动、塞积，导致裂纹源萌生，从而导致轴承过早失效，甚至出现突发性事故，造成严重的人身伤亡及经济损失。

润滑剂作为轴承的关键材料之一，在轴承各种工况的切换中，提供接触区的承载、润滑与散热功能。轴承的各种失效往往是从接触区的润滑失效开始，尤其在大温度/速度范围内温度及速度急剧变化的情况下，可能会出现某些时刻轴承已进入非稳态润滑状态，导致轴承的运行可靠性发生显著变化。若不能及时发现非稳态润滑下轴承材料的失效，对导致轴承磨损严重，甚至发生安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，以目前无法及时发现非稳态润滑下轴承材料的失效导致轴承磨损严重的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，该评估方法包括以下步骤：

1)当待测轴承出现润滑不良时，对服役过程的待测轴承摩擦系数进行实时检测，将得到摩擦系数变化率与摩擦系数变化率突变量进行比较；摩擦系数变化率突变量指的是轴承材料从正常润滑到润滑失败之间摩擦系数变化率最大值，摩擦系数变化率突变量与轴承的材料和加载工况有关；

2)若当前得到摩擦系数变化率小于对应的摩擦系数变化率突变量，则说明此时轴承润滑未失效。

本发明选取摩擦系数变化率突变量作为评价轴承材料润滑失效的评估指标，在轴承出现润滑不良时，对服役过程的轴承的摩擦系数进行实时检测，将得到摩擦系数变化率与摩擦系数变化率突变量进行比较，根据比较结果判断轴承材料润滑是否失效，其中的摩擦系数变化率突变量与轴承材料和工况有关。通过这种评估方式，本发明能够准确、及时发现轴承润滑失效，避免长时间润滑失效导致的安全事故。

进一步地，若当前得到摩擦系数变化率大于对应的摩擦系数变化率突变量，则说明此时轴承润滑失效。

进一步地，为提高失效判断的准确性，若当前得到摩擦系数变化率大于对应的摩擦系数变化率突变量，则进一步判断从轴承出现润滑不良其到当前时刻的时间是小于摩擦系数变化率突变量对应的时间，若是，则说明此时轴承润滑失效。

进一步地，为准确得到摩擦系数变化率突变量，摩擦系数变化率突变量是通过实验标定得到。

进一步地，为得到不同材料、不同工况下的摩擦系数变化率突变量，实验标定过程如下：

对不同材料的轴承进行加载实验，记录轴承从出现润滑不良到润滑失效过程中摩擦系数变化率，将摩擦系数变化率最大的点作为摩擦系数变化率突变量，将达到摩擦系数变化率突变量对应的时间作为摩擦系数变化率突变时间；所述加载实验包括有不同加载工况。

进一步地，加载工况包括加载载荷和加载速度。

进一步地，所述步骤1)在进行比较时选用的摩擦系数变化率突变量是与待测轴承的材料相同以及服役工况相同或相近的对应的实验标定结果。

进一步地，为准确判断轴承是否出现润滑不良，所述的轴承出现润滑不良指的是轴承摩擦系数大于设定摩擦系数。

进一步地，所述的设定摩擦系数为0.1。

附图说明

图1是本发明非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法的流程图；

图2-a是本发明实施例中轴承材料摩擦系数随时间变化曲线示意图；

图2-b是本发明实施例中轴承材料摩擦系数变化率随时间变化曲线示意图；

图3-a是本发明实施例中GCr15轴承钢摩擦系数变化率小于摩擦系数变化率突变量时的磨痕表面示意图；

图3-b是本发明实施例中GCr15轴承钢摩擦系数变化率大于摩擦系数变化率突变量、且润滑不良持续时间大于摩擦系数变化率突变时间时的磨痕表面示意图；

图3-c是本发明实施例中GCr15轴承钢摩擦系数变化率大于摩擦系数变化率突变量、且润滑不良持续时间小于摩擦系数变化率突变时间时的磨痕表面示意图；

图3-d是图3-a情况下某一区域的能谱图；

图3-e是图3-b情况下某一区域的能谱图；

图3-f是图3-c情况下某一区域的能谱图；

图4-a是本发明实施例中三种不同材料的摩擦系数随摩擦时间变化曲线图；

图4-b是本发明实施例中三种不同材料的摩擦系数变化率随摩擦时间变化曲线图；

图5是本发明实施例中三种不同材料的磨损率大小分布图；

图6-a是本发明实施例中GCr15轴承钢在三种不同载荷的摩擦系数随摩擦时间变化曲线图；

图6-b是本发明实施例中GCr15轴承钢在三种不同载荷的摩擦系数变化率随摩擦时间变化曲线图；

图7是本发明实施例中GCr15轴承钢在三种不同载荷下的磨损率分布图；

图8是不同润滑条件下的摩擦系数分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明通过对轴承材料进行实验发现，轴承材料从正常润滑到润滑失败，一定会经过一个摩擦系数的突变，而摩擦系数变化率则代表了轴承摩擦系数(轴承运行)的稳定性。因此，本发明选取摩擦系数变化率突变量和摩擦系数变化率突变时间作为评估轴承材料非稳态润滑下失效的指标，摩擦系数变化率突变量指的是轴承材料从正常润滑到润滑失败之间摩擦系数变化率最大值，变化率突变时间指的是轴承从润滑不良开始摩擦系数变化率达到摩擦系数变化率突变量经过的时间，利用这两个指标可实现对服役过程中的轴承材料的失效进行评估，以及时发现轴承材料的润滑失效，对轴承进行提前预警，防止突发事故，提高轴承使用的可靠性。该方法的实现流程如图1所示，具体实现过程如下。

1.对轴承在各种工况下进行加载实验，确定各种工况下轴承对应的摩擦系数变化率突变量和摩擦系数变化率突变时间。

如图2-a和图2-b所示，对于任何材料的轴承而言，例如GCr15、GCr15SiMn或者M50钢，抑或是不同的工况条件，变载、变速或者便问，从正常润滑到润滑失效，总会经历一个摩擦系数的突变，而摩擦系数变化率则代表了轴承摩擦系数(轴承运行)的稳定性。因此本发明采用摩擦系数变化率突变量△f′和摩擦系数变化率突变时间△t作为评价非稳态润滑下轴承材料的失效的指标。△f′越小、△t越大，轴承稳定性越高，从润滑不良至润滑失效的运行时间延长，轴承的安全使用时间越长，其中△f′指的是摩擦系数变化率的突变值，△t指的是是摩擦系数变化率f′达到△f′所用的时间。

轴承出现润滑不良时的油膜厚度会发生变化，但是摩擦过程中油膜厚度不易测量，因此结合经典的Stribeck曲线和前人经验以摩擦系数数值作为判断轴承是否出现润滑不良的依据。将从有油到无油的摩擦过程分为正常润滑区、乏油区、过渡区和干摩擦区，正常润滑为流体润滑，根据实验发现，如图8所示，摩擦系数通常小于0.05；乏油阶段为往往为边界润滑，摩擦系数在0.1左右；过渡阶段为乏油向干摩擦转变的阶段，摩擦系数为0.1～0.5；干摩擦时无润滑，摩擦系数一般高于0.5。因此，对于本发明而言，当轴承的摩擦系数大于设定摩擦系数时，则认为该轴承出现了润滑不良的情况，其中的设定摩擦系数可以是本实施例中的0.1，若轴承材料发生变化，该设定摩擦系数也会调整。

当f′＜△f′时，磨痕表面磨损机制以磨粒磨损为主，磨痕表面仅存在部分黎沟(如图3-a所示，其对应的能谱如图3-d所示)；当f′＞△f′，t＞△t时，磨痕处组织发生变化，磨痕表面以及次表面产生微裂纹、小剥落坑，随着摩擦时间的延长或摩擦工况的加剧，裂纹不断延伸扩展从而形成大的剥落坑(如图3-b所示，其对应的能谱如图3-e所示)；当f′＞△f′，t＜△t时，磨痕表面氧化、粘着明显，轴承发生失效(如图3-c所示，其对应的能谱如图3-f所示)。因此，当f′＞△f′，t＜△t时，认为轴承发生失效。

由于摩擦系数变化率突变量和摩擦系数变化率突变时间和轴承的材料与服役条件密切相关，因此需要针对不同工况条件和不同轴承材料均进行相关加载实验。

本实施例选择GCr15、GCr15SiMn和M50三种材料的轴承进行实验的，假设选取的载荷都为400N，加载速度为24mm/s，对上述三种材料的轴承进行加载实验，实验结果表1和图4-a和图4-b所示。

表1

从中可以看出，对于同一条件下，不同轴承材料所对应的△f′和△t不同，轴承的安全使用时间和从润滑不良至润滑失效的运行时间也不同。其中GCr15SiMn的f′最大，轴承稳定性最差，磨损最严重；M50的△t最大，从润滑不良到润滑失效的运行期最长，磨损最小，这三种材料的磨损率如图5所示。

对于同种材料(本实施例中用的是GCr15钢)，本发明做了不同载荷下(10N、30N和50N)的加载实验，其结果如表2所示，不同载荷下摩擦系数随时间变化的曲线如图6-a所示，不同载荷下摩擦系数变化率随时间变化的曲线如图6-b所示，不同载荷下GCr15钢轴承的磨损率分布如图7所示。

表2

从中可以看出，对于同种材料，△f′随载荷的增大而增加，△t随载荷的增大而减小，随着载荷的增加，轴承的稳定性变差，安全使用区大幅缩短，高载下材料从润滑不良到润滑失效的运行时间显著下降，轴承磨损量加剧。

通过上述过程，可以对不同材料的轴承，在不同的载荷和速度进行加载实验，以此得到其对应到△f′和△t。

2.当待测轴承出现润滑不良时，对服役过程的待测轴承进行检测，将检测到的摩擦系数变化率和与待测轴承相同材料、相同工况下的实验得到摩擦系数变化率突变量进行比较，以此判断待测轴承是否失效。

获取出现润滑不良的待测轴承的材质和服役工况(主要是载荷和速度)，找到材质和服役工况相同的轴承对应的摩擦系数变化率突变量以及该对应的时间△t，对服役过程的待测轴承的摩擦系数进行检测，判断其摩擦系数变化率是否达到所找到的对应的摩擦系数变化率突变量，若达到，则说明待测轴承已经失效，若未达到，则说明待测轴承还处于未失效状态。

同时，为了进一步提高失效判断的准确性，当检测到的f′达到对应的△f′时，此时f′的对应时间t与△f′对应的时间△t进行比较，若，则t＜△t说明待测轴承失效。

Claims

1.一种非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，该评估方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，若当前得到摩擦系数变化率大于对应的摩擦系数变化率突变量，则说明此时轴承润滑失效。

3.根据权利要求1所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，若当前得到摩擦系数变化率大于对应的摩擦系数变化率突变量，则进一步判断从轴承出现润滑不良其到当前时刻的时间是小于摩擦系数变化率突变量对应的时间，若是，则说明此时轴承润滑失效。

4.根据权利要求2或3所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，摩擦系数变化率突变量是通过实验标定得到。

5.根据权利要求4所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，实验标定过程如下：

6.根据权利要求5所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，加载工况包括加载载荷和加载速度。

7.根据权利要求5所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，所述步骤1)在进行比较时选用的摩擦系数变化率突变量是与待测轴承的材料相同以及服役工况相同或相近的对应的实验标定结果。

8.根据权利要求1所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，所述的轴承出现润滑不良指的是轴承摩擦系数大于设定摩擦系数。

9.根据权利要求8所述的非稳态润滑下轴承材料的失效评估方法，其特征在于，所述的设定摩擦系数为0.1。