徐鶴琴，汪久根，王慶九

（浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310027）

近年來，通用機(jī)械零部件的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)得到廣泛關(guān)注，滾動(dòng)軸承是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械零部件之一，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)和方法的發(fā)展，計(jì)算模擬和模擬試驗(yàn)已廣泛用于滾動(dòng)軸承的摩擦學(xué)研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。滾動(dòng)軸承的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)有正向和反向2種思路［1］。

滾動(dòng)軸承的性能對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的性能有重大影響，然而影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命的因素眾多，如工作溫度、沖擊載荷、可靠性、材料、使用條件、極限轉(zhuǎn)速、表面粗糙度、夾雜物、壓痕、潤(rùn)滑狀態(tài)、徑向游隙、偏斜、疲勞裂紋誘導(dǎo)應(yīng)力、切向摩擦力、殘余應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力、表面處理等［1-2］，這些因素相互影響，加之疲勞壽命試驗(yàn)的非重復(fù)性，影響因素尚難以準(zhǔn)確地定量描述。

擬全面討論影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命的因素，以期通過控制這些因素來提高滾動(dòng)軸承的疲勞壽命，為高可靠度、長(zhǎng)壽命的滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)提供思路。

1 可靠度

高可靠度下二參數(shù)Weibull分布的壽命模型低估了軸承的疲勞壽命［3］。針對(duì)高可靠度的軸承壽命理論，將失效前的最小壽命作為第三參數(shù)γ，導(dǎo)出了一個(gè)三參數(shù)的Weibull壽命分布函數(shù)［4］。

對(duì)于特定的應(yīng)用，需要為90%以外的可靠度指定壽命。

GB／T 6391—2010通過引入修正系數(shù) a1和aISO，對(duì)額定壽命進(jìn)行了修正［5］，即

Lnm＝a1aISOL10。

2 溫度

溫度變化影響潤(rùn)滑油的黏度，通過改變油膜厚度進(jìn)而影響軸承的潤(rùn)滑特性［6］。高溫會(huì)導(dǎo)致軸承材料的硬度降低，對(duì)應(yīng)用于航空工業(yè)的軸承，溫度的影響尤為明顯。溫度還影響材料維持彈性響應(yīng)的能力［7］。滾動(dòng)接觸疲勞引起的材料退化會(huì)縮短彈性響應(yīng)階段，退化時(shí)間是最大載荷應(yīng)力、材料特性和運(yùn)行溫度的函數(shù)。在循環(huán)載荷作用下，關(guān)鍵是盡可能長(zhǎng)地維持該階段的彈性響應(yīng)以延長(zhǎng)軸承壽命，溫度升高會(huì)加劇回火馬氏體的碳擴(kuò)散，使彈性響應(yīng)階段縮短。

為了降低高溫對(duì)軸承壽命的影響，應(yīng)選擇具有良好黏溫性能的潤(rùn)滑劑，以提高潤(rùn)滑材料的熱穩(wěn)定性及軸承零件材料的抗回火穩(wěn)定性。

3 潤(rùn)滑狀態(tài)

根據(jù)潤(rùn)滑狀態(tài)可將滾動(dòng)接觸分為4種情況：彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑、干摩擦、接觸表面間存在污染物顆粒［8］。

軸承潤(rùn)滑和添加劑都對(duì)疲勞壽命和磨損有一定的影響。滾動(dòng)軸承工作時(shí)的膜厚比常處于0.5～3.0之間，為混合潤(rùn)滑狀態(tài)，即部分膜彈流潤(rùn)滑［8］。影響流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的因素有楔形項(xiàng)、黏度梯度項(xiàng)、密度梯度項(xiàng)、伸長(zhǎng)項(xiàng)、微峰承載以及熱彈變形等。

目前潤(rùn)滑理論的研究有多相流的潤(rùn)滑脂分析、非線性本構(gòu)關(guān)系與摩擦化學(xué)結(jié)合的研究，新的潤(rùn)滑技術(shù)仍在進(jìn)一步發(fā)展之中。在變速、變載和變向等條件下，潤(rùn)滑油的黏度提高25%左右，在軸承設(shè)計(jì)中可以利用這一特性。

3.1 潤(rùn)滑膜厚度

文獻(xiàn)［9］進(jìn)行的滾動(dòng)軸承耐久試驗(yàn)表明，潤(rùn)滑油膜厚度對(duì)疲勞壽命具有顯著影響。潤(rùn)滑油膜的潤(rùn)滑效果取決于潤(rùn)滑油膜相對(duì)厚度。文獻(xiàn)［1］用膜厚比Λ來表示潤(rùn)滑對(duì)軸承疲勞壽命的影響。文獻(xiàn)［6］將疲勞壽命減少量描述為一個(gè)膜厚比函數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)表達(dá)。

滾動(dòng)軸承在完全流體潤(rùn)滑的情況下達(dá)到最長(zhǎng)壽命，此時(shí)滾動(dòng)接觸的金屬表面被潤(rùn)滑劑完全分開。然而在一定的工況（低速、極高載荷、高溫）下只能建立起薄的、部分潤(rùn)滑油膜，金屬之間發(fā)生接觸，出現(xiàn)粘著，局部不可避免地出現(xiàn)較高的法向和切向應(yīng)力，使壽命大大減少。

文獻(xiàn)［10］在壽命模型中考慮了膜厚／綜合粗糙度比和粗糙峰銳度量對(duì)表面缺陷的影響，膜厚／綜合粗糙度比也會(huì)影響有效牽引系數(shù)。文獻(xiàn)［11］進(jìn)行了彈性流體動(dòng)壓力分布峰值對(duì)應(yīng)力場(chǎng)和滾動(dòng)壽命影響的參數(shù)化研究，結(jié)果表明，壓力峰高度、半寬和滑動(dòng)牽引系數(shù)增加，或者壓力峰數(shù)量減少，將導(dǎo)致近表面應(yīng)力場(chǎng)增加，滾動(dòng)壽命降低。

3.2 潤(rùn)滑劑清潔度

3.2.1 污染顆粒（磨粒污染）

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明污染顆粒會(huì)顯著降低軸承的疲勞壽命。文獻(xiàn)［12］研究了潤(rùn)滑劑中碎屑的類型和尺寸對(duì)軸承表面壓痕形成的影響。韌性和硬度不同的碎屑，造成的表面損傷形式差別很大。此外，存在一個(gè)臨界碎屑縱橫比，決定碎屑能否損傷接觸表面。由不同尺寸、同等硬度的碎屑造成的壓痕，會(huì)產(chǎn)生相同的次表面應(yīng)力。以壓痕形式出現(xiàn)的表面缺陷會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命降低，而非連續(xù)存在的污染物。

外來顆粒會(huì)使軸承壽命大幅降低。與用于加速壽命試驗(yàn)的高載荷相比，污染物的影響相對(duì)較小，故其對(duì)壽命的影響往往被低估。疲勞裂紋在損傷表面，尤其是在滾動(dòng)接觸零件上的污染物顆粒壓痕的周圍發(fā)展。后續(xù)的循環(huán)接觸導(dǎo)致裂紋朝最高等效應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的麻點(diǎn)和剝落［13］。

與沒有考慮這些因素的DIN／ISO壽命相比，潤(rùn)滑良好的清潔滾動(dòng)零件，其壽命對(duì)于接觸應(yīng)力變化的反應(yīng)不同（圖1）。從圖1可以看出，較小的載荷變化可能使高清潔度下潤(rùn)滑良好的軸承壽命產(chǎn)生較大的變化。

3.2.2 水對(duì)潤(rùn)滑劑的污染

當(dāng)潤(rùn)滑劑中出現(xiàn)0.01%的水時(shí)，表面疲勞壽命會(huì)嚴(yán)重降低。文獻(xiàn)［14-15］提出毛細(xì)凝聚假說：溶解的水壓入表面微裂紋，形成微毛細(xì)管，在裂紋中導(dǎo)致水腐蝕和氫脆，和動(dòng)壓力一起，減少裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸的時(shí)間。水能將碳?xì)錆?rùn)滑劑和金屬表面形成的摩擦聚合物從金屬表面移除，并與新露出的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增大磨損量。

文獻(xiàn)［16］以實(shí)物軸承為試驗(yàn)對(duì)象，研究海水對(duì)疲勞壽命和失效分布的影響。將海水作為污染物加到潤(rùn)滑油中時(shí)，發(fā)現(xiàn)角接觸球軸承的疲勞壽命大幅降低。失效分布從球的失效轉(zhuǎn)化為內(nèi)外圈溝道失效，這是因?yàn)閮?nèi)外圈纖維方向各向異性，海水對(duì)內(nèi)外圈的影響比球大。

前面所做的工作是研究溶解水和懸浮水對(duì)軸承疲勞壽命的共同影響。針對(duì)潤(rùn)滑劑中的溶解水，文獻(xiàn)［17］以圓錐滾子軸承為試驗(yàn)對(duì)象，評(píng)估了不同潤(rùn)滑劑的吸水性能及其對(duì)疲勞壽命的影響。

潤(rùn)滑劑還會(huì)從軸承所處的潮濕空氣中吸收水分，文獻(xiàn)［18］綜述了環(huán)境濕度和水對(duì)摩擦、磨損及潤(rùn)滑的影響，水對(duì)金屬磨損的影響要比摩擦的大。在潤(rùn)滑接觸中，水能夠通過改變潤(rùn)滑劑和邊界膜的化學(xué)性質(zhì)，增加滾動(dòng)體麻點(diǎn)。水影響疲勞壽命的3個(gè)主要方面是裂紋擴(kuò)展、與滑動(dòng)表面反應(yīng)以及改變磨損碎屑形成的聚合層。

3.3 潤(rùn)滑化學(xué)效應(yīng)

化學(xué)效應(yīng)對(duì)滾動(dòng)軸承材料接觸疲勞壽命有影響。文獻(xiàn)［19-21］將潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)劑、添加劑和接觸表面材料的化學(xué)組分作為最大的化學(xué)變量，研究潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)劑和添加劑的化學(xué)性質(zhì)對(duì)疲勞壽命水平、應(yīng)力／壽命指數(shù)和Weibull分布斜率的影響，潤(rùn)滑劑化學(xué)性質(zhì)的影響隨著應(yīng)力和滑動(dòng)率變化，在其研究中的試驗(yàn)條件下，并沒有檢測(cè)到濕度對(duì)疲勞壽命的顯著影響。

3.4 小結(jié)

綜上所述，除了通過增大膜厚比改善軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)，還有以下措施：

1）提高軸承系統(tǒng)的密封性能以抵抗外來顆粒的污染，針對(duì)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的磨粒，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行過濾，以減小潤(rùn)滑油中磨粒的尺寸和數(shù)量。

2）降低環(huán)境濕度，在油中加入抑水性添加劑以降低潤(rùn)滑劑中水的溶解量。

3）各向同性表面受水的影響要小于各向異性表面，在選擇表面加工工藝時(shí)使重要加工表面各向同性。

4）根據(jù)軸承工作的載荷和速度選擇化學(xué)性質(zhì)合適的潤(rùn)滑劑。

4 表面粗糙度

用光彈技術(shù)測(cè)量Hertz接觸中粗糙峰下的切應(yīng)力，結(jié)果表明，可以用材料疲勞分析的傳統(tǒng)強(qiáng)度解釋粗糙峰的持久極限和表面疲勞損傷［22］。

文獻(xiàn)［23］分析了接觸表面摩擦牽引力和表面粗糙峰斜率對(duì)用于表面和次表面起源剝落的失效風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)的影響，提供了一個(gè)精確預(yù)測(cè)滾動(dòng)接觸疲勞的數(shù)學(xué)模型。大粗糙峰斜率的主要影響是增加表面危險(xiǎn)微麻點(diǎn)。文獻(xiàn)［24］觀察了麻點(diǎn)試驗(yàn)中的裂紋。在接近麻點(diǎn)疲勞極限載荷條件下的麻點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管通過跑合增加了微觀幾何一致性，粗糙峰接觸的嚴(yán)重程度控制了表面層的應(yīng)力集中并對(duì)疲勞極限起著主要影響，還認(rèn)識(shí)到了機(jī)械加工痕跡的方向?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響。

由于粗糙峰的尺寸小，粗糙峰變形模式是彈塑性的。文獻(xiàn)［25］對(duì)彈塑性粗糙峰微接觸行為的規(guī)模效應(yīng)進(jìn)行了理論研究，以離散位錯(cuò)的形式描述了接觸塑性變形。研究二維粗糙峰微觀接觸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗糙峰尺寸減小到與典型顯微結(jié)構(gòu)的尺寸相差無幾時(shí)，接觸塑性變形將越來越困難，最終不可能發(fā)生。

文獻(xiàn)［26］使用膜厚比評(píng)估表面粗糙度對(duì)滾動(dòng)軸承壽命的影響和粗糙度變化導(dǎo)致壽命估計(jì)不準(zhǔn)確。用表面織構(gòu)測(cè)量?jī)x器和掃描電子顯微鏡檢測(cè)表面織構(gòu)的改變。中等和低水平的膜厚比下，軸承跑合過程的初始階段表面織構(gòu)出現(xiàn)了重大變化。

文獻(xiàn)［27］代替經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)薄膜潤(rùn)滑條件下的壽命，并說明了強(qiáng)化表面處理的軸承壽命長(zhǎng)于標(biāo)準(zhǔn)表面處理軸承的原因。試驗(yàn)前后強(qiáng)化處理的表面比標(biāo)準(zhǔn)處理的表面光滑，表面形貌更好。表面形貌對(duì)疲勞、剝落和擦傷的失效形式有很大影響，尤其是運(yùn)行在混合或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下。

減小粗糙峰高度、斜率，以及進(jìn)行表面強(qiáng)化處理均能夠降低軸承表面疲勞失效的概率、提高軸承疲勞壽命。實(shí)際零件間接觸情況與彈性接觸模型的計(jì)算結(jié)果有較大誤差，應(yīng)采用彈塑性接觸模型來分析。

5 材料

滾動(dòng)軸承材料主要采用高碳鉻軸承鋼。各國(guó)所用軸承鋼的化學(xué)成分基本相同，大體上含碳1%、含鉻1.5%。軸承鋼一般在正火、退火后加工為套圈，然后進(jìn)行淬火和回火。添加硅可提高軸承鋼抗回火軟化能力，減小磨削過程中表面殘余應(yīng)力，改善早期疲勞剝落。氧化物夾雜對(duì)接觸疲勞產(chǎn)生負(fù)面影響，易使不能塑性變形的氧化物夾雜與材料基體之間產(chǎn)生局部間隙，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋［28］。

5.1 鋼材成分和冶煉工藝

自從1960年真空脫氣鋼在美國(guó)推廣以來，軸承鋼的冶煉技術(shù)不斷得到改進(jìn)，耐疲勞能力顯著提高。軸承材料和設(shè)計(jì)的進(jìn)步提高了航空軸承的性能和可靠性壽命［29］。20世紀(jì)60年代，鉬基工具鋼AISIM50用于飛行器渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，完全硬化M50材料作為航空軸承鋼可用在更高的運(yùn)行溫度下。為提高軸承速度，80年代開發(fā)出了表面硬化M50NiL材料。Cronidur 30鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性、熱硬度以及較長(zhǎng)的壽命。軸系的集成設(shè)計(jì)減少了組件數(shù)量，獲得了更好的性能和高可靠度。

陶瓷材料，尤其是氮化硅，在軸承中得到了廣泛的應(yīng)用。熱等靜壓成形粉末冶金氮化硅用于制造高性能全陶瓷或混合鋼／陶瓷滾動(dòng)軸承［30］。與傳統(tǒng)的鋼軸承相比，氮化硅軸承在滾動(dòng)接觸疲勞壽命方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，材料的低密度大大減少了在高速時(shí)球／溝道接觸的動(dòng)載荷，如機(jī)床主軸和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。在惡劣的潤(rùn)滑和磨損條件下使用氮化硅軸承，如極端溫度、大溫差、高速度、極端高真空和對(duì)安全性要求苛刻的應(yīng)用中。氮化硅軸承還有抗腐蝕性和抗污染等優(yōu)點(diǎn)?；旌陷S承（鋼套圈和陶瓷滾動(dòng)體）也應(yīng)用于高性能的軸系中。

5.2 殘余應(yīng)力

文獻(xiàn)［31］用一個(gè)單球測(cè)試裝備對(duì)AISIM50軸承的鋼球進(jìn)行滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，研究在接觸疲勞的過程中初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。在滾動(dòng)接觸疲勞加載以后，有初始?xì)堄鄩簯?yīng)力的球表現(xiàn)出的材料性能變化更小。表面殘余壓應(yīng)力可抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度，從而延長(zhǎng)軸承疲勞壽命。加工工藝的選擇應(yīng)使軸承零件表面有殘余壓應(yīng)力，例如采用鋼球的沖擊硬化工藝。

5.3 熱處理工藝

熱處理工藝是決定金相組織的重要因素，從而對(duì)疲勞壽命有著重要影響［28］。馬氏體的含碳量在0.45%～0.5%時(shí)，軸承零件的疲勞壽命最長(zhǎng)。顆粒粗大的碳化物對(duì)軸承疲勞壽命有不利的影響。為了延長(zhǎng)軸承壽命，要求碳化物粒度細(xì)小、形狀圓滑、分布均勻。軸承零件的硬度若低于60 HRC，接觸疲勞壽命將顯著下降；表面變質(zhì)層通常會(huì)降低軸承零件的接觸疲勞壽命。

5.4 硬度差

滾動(dòng)體表面與滾道表面之間的硬度差影響軸承疲勞壽命。文獻(xiàn)［32］探究組件硬度差異及其對(duì)軸承疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸承滾動(dòng)體硬度比滾道硬度高出1～2 HRC時(shí)，軸承壽命最長(zhǎng)，承載能力最大。軸承零件硬度差、引入的殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命之間存在相關(guān)性，當(dāng)滾動(dòng)體硬度稍大于滾道時(shí)，殘余壓應(yīng)力顯著增加，從而使軸承的疲勞壽命提高。但是沒有考慮不同硬度組合、接觸溫度、塑性變形和磨損量對(duì)軸承疲勞壽命的影響。

5.5 夾雜物

文獻(xiàn)［33］對(duì)軸承鋼彎曲疲勞試驗(yàn)試件破裂部分的觀察發(fā)現(xiàn)，起始失效點(diǎn)與表面下非金屬夾雜物有關(guān)（圖2）。在試件斷裂部分的夾雜物周圍觀察到了魚眼形狀的疲勞裂紋。載荷循環(huán)次數(shù)取決于夾雜物類型和數(shù)量［8］。

圖2 壽命隨鋼材潔凈度的變化Fig.2 Variation of life with cleanliness of steel

對(duì)軸承鋼的性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估需要對(duì)非金屬夾雜物的材料應(yīng)力進(jìn)行微觀分析，一些類型的夾雜物可能在邊界形成拉伸應(yīng)力，從而影響熱傳遞。在非金屬夾雜物的邊界區(qū)域可能存在亞微觀小裂紋，夾雜物的強(qiáng)度和韌性也會(huì)影響材料的強(qiáng)度。夾雜物在鋼的生產(chǎn)過程中是無法完全避免的，其性質(zhì)對(duì)材料性能的影響取決于該材料具體的工作條件。

5.5.1 夾雜物的類型

夾雜物有各種不同的形態(tài)和類型，其邊界條件、硬度、脆性、殘余應(yīng)力和內(nèi)部缺口效應(yīng)對(duì)于滾動(dòng)接觸疲勞行為都有重要影響。軸承鋼中的鋁酸鈣夾雜物呈球形。碳氮化鈦是另一種重要的夾雜物類型，呈矩形并有鋒利的邊緣。

5.5.2 由擾亂的力流導(dǎo)致的內(nèi)部缺口效應(yīng)

夾雜物與基體的彈性性能差別擾亂了力流，如一個(gè)彈性模量高于基體的硬夾雜物，因?yàn)槟軌蛭α鞫鴮?duì)基體起到支援作用。而對(duì)于彈性模量小于基體的軟夾雜物，一些力繞過了夾雜物，使周圍基體中的應(yīng)力增大。夾雜物模型的光彈試驗(yàn)如圖3所示［8］，固定線載荷垂直加載于該模型，夾雜物周圍基體中復(fù)雜且不均勻的應(yīng)力清晰可見。

圖3 夾雜物模型周圍應(yīng)力狀態(tài)的光彈描述Fig.3 Photoelastic presentation of stress condition around inclusion model

文獻(xiàn)［34］研究初始材料缺陷（如夾雜物和彈性模量不均勻性）對(duì)疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，材料缺陷導(dǎo)致疲勞壽命明顯降低，壽命離散性增加。夾雜物導(dǎo)致由彈性模量不協(xié)調(diào)引起的局部應(yīng)力集中，在奇異點(diǎn)的周圍產(chǎn)生了塑性變形，并因此成為裂紋萌生點(diǎn)，最終的疲勞壽命是夾雜物深度和面積的函數(shù)。

文獻(xiàn)［35］把夾雜物當(dāng)作均勻材料基體中的不同質(zhì)，運(yùn)用離散單元模型，研究了夾雜物尺寸、位置、方向和彈性性質(zhì)對(duì)次表面應(yīng)力場(chǎng)的影響。發(fā)現(xiàn)彈性模量大于或者小于基體材料的夾雜物都會(huì)引起應(yīng)力集中。大彈性模量夾雜物的應(yīng)力集中效果大于小彈性模量夾雜物，夾雜物尺寸越大，產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)越高。方向與表面垂直的夾雜物導(dǎo)致的Misses應(yīng)力比方向與表面平行的夾雜物高得多；表面下深處的夾雜物對(duì)最大Misses應(yīng)力的影響很小。

通過改進(jìn)加工工藝減少夾雜物數(shù)量，尤其是近表面的夾雜物密度，能夠減小裂紋的萌生概率。軸承材料中應(yīng)當(dāng)盡量避免大顆粒夾雜物且方向應(yīng)盡量與接觸表面平行。

6 載荷分布

滾動(dòng)軸承的疲勞壽命在很大程度上取決于最大滾動(dòng)體載荷Qmax，若Qmax顯著增大，疲勞壽命就會(huì)明顯降低。因此，任何影響Qmax的因素，同樣也會(huì)影響軸承的疲勞壽命［1］。為了延長(zhǎng)疲勞壽命，滾動(dòng)軸承滾道上每單位長(zhǎng)度的接觸載荷應(yīng)保持一致。潤(rùn)滑劑的清潔度、軸承轉(zhuǎn)速、角偏差、游隙、殼體和轉(zhuǎn)軸剛度、載荷類型和熱梯度等都會(huì)影響滾動(dòng)軸承的載荷分布。

文獻(xiàn)［36］研究了游隙對(duì)軸向加載的深溝球軸承和圓柱滾子軸承載荷分布和疲勞壽命的影響，導(dǎo)出了壽命因子-游隙曲線。當(dāng)存在一個(gè)小的負(fù)游隙（過盈）時(shí)，球的載荷分布得到了優(yōu)化，軸承壽命最長(zhǎng)。壽命隨游隙的增加緩慢降低，隨著負(fù)游隙值增加迅速降低。游隙對(duì)滾動(dòng)軸承載荷分布和疲勞壽命的影響隨球的尺寸變化，而非軸承內(nèi)徑或者節(jié)圓直徑。

為了避免由于安裝誤差或者重載導(dǎo)致嚴(yán)重的高邊緣應(yīng)力，可為滾道外形設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐苟纫垣@得更長(zhǎng)的疲勞壽命。文獻(xiàn)［37］使用圓錐滾子軸承進(jìn)行了疲勞壽命試驗(yàn)研究以證明凸度的有效性。有控制凸度的軸承疲勞壽命要比有單圓弧凸度的軸承長(zhǎng)2～8倍。

提高潤(rùn)滑劑的清潔度、軸承的安裝精度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度、選擇合適的游隙值，以及對(duì)滾道或滾動(dòng)體進(jìn)行修形，均能夠改善軸承的載荷分布，從而提高軸承的壽命。

7 環(huán)向應(yīng)力

研究發(fā)現(xiàn)，軸與內(nèi)圈的過盈配合會(huì)顯著地減小軸承疲勞壽命。文獻(xiàn)［38-39］將環(huán)向應(yīng)力疊加在由軸向載荷導(dǎo)致的Hertz初始應(yīng)力上，并基于零初始間隙計(jì)算滾子軸承疲勞壽命。特定過盈配合下，不同種類的軸承壽命減小量不同。用壽命因子表示疲勞壽命的減小量，過盈配合的過盈量越大，壽命因子越?。▔勖蕉蹋?。盡管孔上的接觸面應(yīng)力明顯不同，對(duì)于特定的配合，內(nèi)徑尺寸一定的不同系列軸承的過盈配合壽命因子幾乎相同。過盈配合同樣影響最大Hertz應(yīng)力-壽命關(guān)系。

8 滑動(dòng)

Lundberg-Palmgren計(jì)算滾動(dòng)軸承額定壽命方法的前提為：所分析的軸承潤(rùn)滑良好且運(yùn)轉(zhuǎn)正常。即使?jié)L動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)良好，由于表面存在變形，接觸區(qū)內(nèi)仍然存在滑動(dòng)和微觀滑移。

L-P方法在一定程度上是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，在疲勞壽命公式中已經(jīng)考慮了這種接觸區(qū)內(nèi)的滑動(dòng)和微觀滑移。但是滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，因而L-P方程對(duì)此未作考慮。打滑將會(huì)導(dǎo)致球公轉(zhuǎn)速度降低，從而減小鋼球的離心力和陀螺力矩。但球與溝道接觸處的打滑對(duì)疲勞耐久性產(chǎn)生很大的不良影響，可能會(huì)完全抵消由于慣性載荷減小產(chǎn)生的有益影響。接觸面上出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，表面除了存在法向應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力分量，由此產(chǎn)生較高的次表面應(yīng)力，降低疲勞壽命。因此，減少軸承接觸表面的滑動(dòng)和微觀滑移可以提高疲勞壽命，而減少滑動(dòng)和微觀滑移的一個(gè)有效方法是提高接觸表面的硬度。

9 考慮多種失效模式

滾動(dòng)軸承疲勞壽命經(jīng)典的L-P理論基于假設(shè)［3］：滾動(dòng)接觸的疲勞失效起源于接觸區(qū)域下正交切應(yīng)力最大的深度處。然而隨著軸承制造工藝的發(fā)展，起源于表面的疲勞失效模式較表面下疲勞失效模式出現(xiàn)得更為頻繁。裂紋萌生有3種機(jī)制：起源于表面的裂紋萌生、起源于近表面的裂紋萌生和材料基體中的裂紋萌生［40］。

起源于表面的麻點(diǎn)和表面下起源的剝落壽命是競(jìng)爭(zhēng)的失效模式，被預(yù)測(cè)為膜厚比、粗糙峰斜率均方根值和邊界潤(rùn)滑粗糙峰接觸中的牽引系數(shù)的函數(shù)。

10 結(jié)束語

隨著高速鐵路和航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于軸承高可靠度的要求越來越多，同時(shí)軸承應(yīng)用環(huán)境溫度變化較大，有必要深入研究可靠度與溫度的耦合作用。

滾動(dòng)軸承材料仍在發(fā)展之中，有必要探索零件的表面完整性與表面疲勞麻點(diǎn)之間的關(guān)系，在微觀尺度上揭示零件表面完整性和潤(rùn)滑效應(yīng)對(duì)疲勞麻點(diǎn)的影響。另一方面，結(jié)合載荷特性以及材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來研究剝落失效，分析軸承材料對(duì)外界載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究疲勞性能與材料性能之間的耦合關(guān)系，獲取材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)與表層疲勞剝落的關(guān)系。

對(duì)于其他影響軸承疲勞壽命的因素，例如潤(rùn)滑劑和添加劑、表面粗糙度、環(huán)向應(yīng)力和界面滑動(dòng)等，也需要綜合地研究，如建立數(shù)據(jù)庫(kù)和研發(fā)軟件包，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑劑和軸承材料的自動(dòng)分析與選擇，這也是未來發(fā)展方向之一。

對(duì)影響軸承滾動(dòng)接觸疲勞的因素進(jìn)行分析，有助于更好地理解軸承疲勞失效的機(jī)制。一方面可以盡量避免產(chǎn)生降低軸承壽命的因素，提高軸承的疲勞壽命；另一方面，可以為疲勞壽命理論的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)，以期提高軸承疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。