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　隨著對可靠性要求的提高，軸承成為工程設(shè)計中一個非常重要的部件。越來越嚴(yán)格的要求可能會使以往正常使用的軸承無法滿足現(xiàn)在的要求。雖然現(xiàn)在的軸承鋼材質(zhì)量提高了、軸承設(shè)計取得了進(jìn)步，而且生產(chǎn)過程受到了更好的控制，但對軸承供應(yīng)商來說，提供合格的產(chǎn)品來占領(lǐng)新興的高科技市場(例如真空泵，壓縮機和醫(yī) 療設(shè)備等市場)仍是一項挑戰(zhàn)。在實際業(yè)務(wù)領(lǐng)域中，某些特殊情況已經(jīng)要求軸承交付前的內(nèi)部顆粒物降至微米級。

　　除了某些行業(yè)的要求之外，個人客戶、終端用戶和工業(yè)主機客戶有時也會提出特殊要求，使現(xiàn)代軸承生產(chǎn)的優(yōu)勢不復(fù)存在。例如現(xiàn)場運行過程中，由于暴露在嚴(yán)重污染的介質(zhì)中、不正確的拆裝和不細(xì)致的維護(hù)，軸承很容易喪失原有性能。

　　本文重 點論述與顆粒雜質(zhì)相關(guān)的軸承清潔度問題。對生產(chǎn)商來說，嚴(yán)格控制顆粒含量是生產(chǎn)過程中的一個瓶頸，而在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，保證軸承工作環(huán)境的清潔也是用戶面臨的一項難題。雖然出發(fā)點不同，但終端用戶和供應(yīng)商都清楚顆粒對軸承壽命的巨大影響，也希望能夠解決這個問題。

顆粒對軸承性能的影響
　　如上文所述，在生產(chǎn)方式改進(jìn)并且鋼材質(zhì)量提高之后，用Lundberg-Palmgren壽命公式計算出來的軸承壽命仍然達(dá)不到SKF在20世紀(jì)70 年代后期用實驗性方法測得的非常長的軸承壽命，即使Lundberg-Palmgren計算公式結(jié)合一些經(jīng)驗法、增加的額定動載荷以及“壽命調(diào)整系數(shù)” 也是如此。新的實驗結(jié)果與Lundberg-Palmgren 公式計算壽命存在差異的原因在于Lundberg和 Palmgren得出結(jié)論所依據(jù)的實驗條件。所有實驗都是在當(dāng)時所能達(dá)到的至清潔的實驗室條件下進(jìn)行的。因此，他們假定污物顆粒不會對軸承壽命造成影響。但是實驗中，所用過濾器的絕 對過濾精度都不高于10 μm，所以Lundbcrg-Palmgren壽命公式實際上沒有排除由污物顆粒和粗糙接觸造成的來自表面的損傷。因此，試驗環(huán)境越清潔(視當(dāng)前狀況而定)，測得的軸承運行時問越長。 Ioannides和Harris據(jù)此作出了修正。新的壽命模型考慮了更多影響因素，包括表面損傷和顆粒污染。

　　SKF《軸承綜合型錄》4000發(fā)布以后，新的壽命模型引入了壽命修正系數(shù)askf(在ISO 281:2007)和ONORM M 6320中分別表示為 aISO和aON)，用于考慮環(huán)境條件的影H向，例如潤滑膜k、雜質(zhì)η。和材料的疲勞載荷限度Pu。簡單表達(dá)為公式(1)和公式(2)：

　　Lma=al X aSKF X (C/P)p (1)

　　aSKF=f(ηc x Pu/P,K) (2)

　　新的壽命理論更重視來自表而的損傷，而不是傳統(tǒng)的因材料夾雜而產(chǎn)生的來自表面下的疲勞，因為現(xiàn)在大多數(shù)滾動軸承故障都是由來自表面的損傷造成的。而且存在于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒污染物又是造成此類故障的主要原因。在考慮材料性質(zhì)(即彈性模量、屈服強度、極限強度和泊松比)和摩擦系數(shù)的前提下，根據(jù)有限元模型的分析，積存于滾動部件和滾道接觸面上的顆粒在重載荷接觸時主要在入口區(qū)產(chǎn)生形變，在經(jīng)過赫茲接觸區(qū)時幾乎不發(fā)生變化，而是在配合面留下壓痕。明顯可以看出，脆性顆粒被挾帶到接觸面時會破碎成小塊，而韌性顆粒在挾帶過程中發(fā)生嚴(yán)重形變，隨后在接觸面受到擠壓，如圖1所示。Wan和Spikes 用各種固體碎屑行了非常有意義的研究，實驗結(jié)果表明，標(biāo)稱硬度低于軸承鋼材的大懸浮顆粒能夠進(jìn)入接觸區(qū)，并損壞鋼材表面。這一發(fā)現(xiàn)與 Sayles等人的研究結(jié)果完全一致，如圖2所示。 Sayles等人的研究表明，即使是非常軟的碎片也會使硬配合面產(chǎn)生塑性變形。

　　Gabelli等人的研究表明，在產(chǎn)生壓痕后的滾動過程中，在模擬的彈性流體動力潤滑(EHL) 接觸面上的凹痕會嚴(yán)重影響接觸壓力和油膜的厚度。Gabelli等人在研究中觀察接觸壓力的分布后發(fā)現(xiàn)，凹痕會引起高壓力峰值，且當(dāng)凹痕位于接觸區(qū)時出現(xiàn)至 大壓力峰值。圖3所示為滾動接觸面帶有0.55 μm厚的油膜時，凹陷表面的接觸壓力。至 大赫茲壓力p0為1255 MPa。在凹痕肩區(qū)附近可以清楚地觀察到更高的壓力峰值。

　　SKF研究人員發(fā)現(xiàn)，模擬EHL接觸面上的凹痕造成的高壓會引起很大的內(nèi)應(yīng)力，并使至 大內(nèi)應(yīng)力位置從表面下轉(zhuǎn)移至表面。圖4所示為接觸面中心凹陷表面的von Mises應(yīng)力分布?？梢钥闯?，至 大應(yīng)力向表面移動，而且與其他條件相同的平滑赫茲接觸面相比，至 大應(yīng)力的大小增加了。

　　接觸面凹陷區(qū)附近周期性出現(xiàn)高應(yīng)力可能會至終導(dǎo)致軸承表面發(fā)生疲勞故障，因為應(yīng)力集中會增 大凹痕附近局部位置發(fā)生故障的風(fēng)險。在總體疲勞風(fēng)險相同的情況下，凹陷表面比平滑表面能夠抵抗的應(yīng)力循環(huán)少，因此會縮短軸承壽命。

　　需要說明的是，上述內(nèi)容是針對滾動接觸面疲勞壽命縮短的情況。顆粒還能引起其他故障。例如軸承內(nèi)部的顆粒會導(dǎo)致磨損，也就是說軸承元件會不斷損耗，至 后引發(fā)故障。因此，無論從理論還是實際的角度，減少軸承內(nèi)部顆粒都會延長軸承壽命，提高軸承性能。