三点接触纯滚动轴承球的强化接触疲劳寿命试验机设计

　　0　引言

　　滚动轴承球的接触疲劳寿命是在标准工况条件下,评价轴承材料性能和加工工艺优劣的主要手段之一,目前常用来考核轴承球的滚动接触疲劳寿命性能的试验机主要有四球试验机、五球试验机、V形槽/球试验机、推力盘试验机,但它们各有缺点,或是接触点少,或是处于滚/滑状态[1],或是需其他附加结构等,使测试结果不太准确。

　　氮化硅是用作陶瓷轴承的理想材料,但目前还没有评定其滚动接触疲劳寿命的标准方法。针对上述因素,笔者设计了一种三点接触式纯滚动强化疲劳寿命试验机,既可用于传统的钢球滚动接触疲劳寿命测试,又适合评定陶瓷等材料球的滚动接触疲劳寿命,为陶瓷球的机械物理性能客观评定、陶瓷球轴承优化设计及开发高性能的纳米陶瓷材料、了解陶瓷材料的潜在性能提供了可靠的试验手段。

　　1　试验机的工作原理

　　滚动接触疲劳寿命受到诸多因素(材料性能、加工工艺、尺寸精度、使用工况条件等)的影响,因此,我们在设计试验机时,从研究滚动接触疲劳强度入手,强化主要的试验条件而弱化次要因素,以最大限度地减少这些因素的交叉耦合作用。图1给出了三点接触纯滚动轴承球强化接触疲劳寿命试验机的结构示意图,它由驱动装置、支承装置和加载装置等组成。

　　被试球与驱动轮1及陪试滚子之间为滚动接触。弹簧载荷被杠杆机构放大后通过驱动轮1作用在被试球上。被试球由两陪试滚子支承,同时两陪试滚子又被导轮3和两支承滚轮约束住。被试球仅在最大圆截面上受力,并沿此圆周做纯滚动,被试球每转一周受到三次非等间隔但等接触强度的循环载荷作用,且三接触点共处在同一最大滚动圆周上。当被试球或相关滚动件出现疲劳破坏时,以增大的振动输出值来终止试验。

　　2　设计中的关键问题[2~6]

　　设计时应充分考虑陶瓷材料的高硬度、耐磨损等特性,同时还应使测试结果能充分说明问题,这就要求解决以下3个关键问题:①要求较高的测试效率;②要求纯滚动,因为伴有滑动的滚动接触会显著降低疲劳寿命;③保证各接触点上的最大接触应力相等。

　　解决第一个问题的主要措施有:①提高转速;②加大载荷;③增加应力循环次数。如图1所示,被试球的转速达23 000r/min,接触载荷为4kN,球每转一周,会受到三次非等间隔的循环接触,充分体现了强化接触疲劳试验机高速、重载的特点。

　　解决第二个问题的主要措施是:使接触点在同一圆截面内,该圆截面通过被测球的几何中心,避免造成由于几何因素引起的滑动。

　　解决第三个问题的关键是确保在一定被试球的直径变化范围内,球每转一周的三次最大接触应力相等。