滚动接触疲劳试验机的研究现状

　　1　引　言

　　工程实际中,有一些机器零件是在滚动接触条件下工作的,如机械、汽车和航空工业中广泛用到的滚动轴承、齿轮和涡轮等。这类零件表面由于接触疲劳破坏而导致失效,甚至引起整部机器的报废。滚动零件在相互接触时,经过一定周次的循环接触应力后,在工作表面的局部地区产生小块剥落,形成麻点或凹坑,使零件在工作中产生噪声、磨损、振动及温升,从而导致零件失效,这种失效现象称为接触疲劳[1-5]。

　　滚动接触疲劳失效形式为接触表面出现点蚀分层、剥落。例如齿轮由于滚动接触疲劳产生点蚀将导致齿轮啮合情况恶化,磨损加剧,甚至引起齿根折断[6]。滚动轴承表面在高接触应力的循环往复作用下,表面或亚表面处便会产生裂纹,随着裂纹的进一步扩展,滚动轴承表面将产生分层和剥落,最终导致滚动轴承的失效[7]。轮轨滚动接触过程中,经过不同频率动载荷反复作用,将导致轮轨接触表面形成波浪形磨损、裂纹、剥落等疲劳破坏现象。这些疲劳破坏将会随时导致轮轨失效,危及行车安全[8-9]。由此可见,研究金属的滚动接触疲劳问题对提高这些机件的使用寿命有着重大的意义。

　　接触疲劳试验一般在模拟实际工作条件的接触疲劳试验机上进行,所以试验机必须坚固耐用并具有通用性。在滚动接触疲劳中,零件在形成一个点蚀坑导致性能的轻微下降后仍能继续运行,这使得失效点很难正确定义。然而,失效点的检测又是很重要的。由于试验的持续时间很长,需要尽量减少在失效点检测过程中的人力关注及人为误差,必须对试样的状况进行在线监测以精确判定失效点。因此,高性能滚动接触疲劳试验机的研制对于材料滚动接触疲劳的研究起着重要的作用[10-12]。

　　本文就国内外已经实际应用的多种接触形式的滚动接触疲劳试验机加以介绍,以期为相关滚动接触疲劳试验的设计和滚动接触疲劳试验机的研制提供参照。

　　2　常用滚动接触疲劳试验机

　　目前,国内外常用来检验滚动接触疲劳性能的试验机种类较多,包括球盘式试验机、三点接触式试验机、球柱式试验机、滚子接触式试验机等。

　　2.1　球盘式滚动接触疲劳试验机

　　西安交通大学研制的JP252接触疲劳试验机是国内最早的一款球盘式滚动接触疲劳试验机,图1为JP252接触疲劳试验机原理示意图,该机主要是模拟止推轴承的受力状态而设计。球盘式滚动接触疲劳试验机的工作状态比较接近纯滚动接触工况,同时点接触能获得较高的接触应力。目前,该型滚动接触疲劳试验机在高校和科研机构仍在使用[13]。

　　针对目前国内外表面超硬涂层零件接触疲劳失效行为的研究,燕山大学杨育林等[14]研制了YS21球盘式滚动接触疲劳试验机,图2为该试验机的接触副模型。该机在西安交大的JP252以振动信号判定疲劳失效的基础上增加了扭矩信号,采用双信号判断涂层失效的发生,在增加判定失效方法的同时提高了稳定性。装甲兵工程学院的朴钟宇等[15]利用该试验机分析研究了超音速等离子喷涂FeCrBSi自熔剂涂层接触疲劳性能,试验表明,在当接触应力为2.114GPa时,涂层的失效形式主要以分层和剥落为主,并研究了FeCrBSi涂层接触疲劳失效信号的响应[16]。