滾動(dòng)直線導(dǎo)軌壽命影響因素研究

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1、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌壽命影響因素研究華中理工大學(xué)　　　　　　　李傳印　　新會(huì)凱特精密機(jī)械有限公司　孫健利　　摘要　通過對(duì)影響疲勞壽命諸多因素的分析,建議在以后的計(jì)算中可采用修正后的壽命計(jì)算公式。并針對(duì)各因素,提出了延長壽命的措施。關(guān)鍵詞　滾動(dòng)直線導(dǎo)軌　疲勞壽命　影響因素　表面殘余應(yīng)力1　前言　　滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的壽命計(jì)算一般借助于Lundberg-Palmgren提出的最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力理論。該理論認(rèn)為疲勞裂紋始發(fā)于接觸表面下某一含有雜質(zhì)的材料弱點(diǎn)處,最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力決定接觸表面的疲勞剝落。導(dǎo)軌的使用概率S與最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力τ0的幅值大小和位置、循環(huán)次數(shù)M以及作用體積V有關(guān),即ln∝(τc0MeV/

2、Zw0)(1)式中　Z0———最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力τ0的深度,mmc,e,w———指數(shù)系數(shù)由此推出壽命計(jì)算公式為N0=(C/P)ε(2)式中　N0———額定壽命,×50kmC———額定動(dòng)負(fù)荷,NP———當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷(計(jì)算時(shí)可取一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的平均值),Nε———指數(shù),一般滾動(dòng)體為滾珠時(shí),取ε=3,滾動(dòng)體為其它滾子時(shí),取ε=10/3生產(chǎn)實(shí)踐證明,Lundberg-Palmgren提出的壽命理論是正確的,但隨著冶煉技術(shù)的提高、加工工藝的改進(jìn),導(dǎo)軌副的失效機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。從近期發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]可以看出,與表面接觸狀態(tài)相關(guān)的諸多因素在導(dǎo)軌的疲勞過程中起著越來越重要的作用。這些因素主要

3、包括接觸表面的預(yù)損傷、表面粗糙度的大小及形式、表面殘余應(yīng)力、外來硬顆粒雜質(zhì)、潤滑油膜的狀態(tài)等,這就對(duì)壽命理論的進(jìn)一步發(fā)展提出了要求。2　影響疲勞壽命的因素2·1　固體雜質(zhì)固體雜質(zhì)摻入滾珠與滾道的接觸表面是導(dǎo)軌副磨損的一個(gè)主要原因。這可從兩方面理解。首先,固體顆粒特別是一些特定大小的硬顆粒的摻入,破壞了滾珠與導(dǎo)軌表面的正常接觸。在運(yùn)行過程中,由于外加載荷的作用,硬顆粒壓入滾道表面,使接觸表面強(qiáng)烈變形,形成壓痕。而塑性變形材料運(yùn)動(dòng)到壓痕邊緣,則形成壁凸?fàn)钏苄宰冃巍＿@種塑性變形嚴(yán)重削弱了壓痕區(qū)域的疲勞強(qiáng)度,所以,顆粒壓入不久,便會(huì)產(chǎn)生麻點(diǎn),并擴(kuò)展形成疲勞剝落。麻點(diǎn)的產(chǎn)生位置和擴(kuò)展方向取

4、決于壓痕周圍材料強(qiáng)度的差異,以及滑塊正反行程中載荷的變化。其次,導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)可以看作是滾動(dòng)與滑動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。磨粒的摻入會(huì)在滑動(dòng)量大的區(qū)域產(chǎn)生磨損,從而改變了接觸表面的幾何形狀,使?jié)L道的個(gè)別區(qū)域承受不同的負(fù)荷。負(fù)荷的差值隨時(shí)間而逐漸增大。這種載荷的不均勻必然會(huì)造成局部的高負(fù)荷,縮短導(dǎo)軌副的壽命。需要指出的是,并非所有顆粒的摻入都是有害的,只有那些特定大小并具有較大硬度的顆粒才會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不良影響。滾動(dòng)軸承在不同顆粒下的疲勞壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示[2]。2·2　殘余應(yīng)力圖1　雜質(zhì)對(duì)疲勞壽命的影響1·無雜質(zhì)　2·銼屑　3·磨屑　4·型砂　5·金鋼砂圖2　粗糙度對(duì)磨損率的影響一般認(rèn)為

5、,接觸表面保持一定的殘余壓應(yīng)力,可以增加表面的抗疲勞磨損的能力,從而延長接觸零件的疲勞壽命,反之,若表面殘存拉應(yīng)力,則會(huì)降低疲勞壽命。當(dāng)殘余壓應(yīng)力剛好疊加在彈性應(yīng)力上時(shí),可得到較高的疲勞壽命,此時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)即為最佳殘余應(yīng)力狀態(tài)?？梢?最佳殘余應(yīng)力分布對(duì)接觸表面的幾何形狀和負(fù)荷強(qiáng)度有很大的依賴性。根據(jù)H-M-H屈服準(zhǔn)則,在不考慮表面殘余應(yīng)力時(shí)接觸表面的等效應(yīng)力為σE(ξ)=1/21/2[(σX-σY)2+(σY-σZ)2+(σX-σZ)2+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ]1/2(3)式中　σX、σY、σZ———X、Y、Z三垂直方面的正應(yīng)力,MPaτXY、τYZ、τXZ——

6、—平面XY、YZ、XZ內(nèi)的切應(yīng)力,MPa　　　ξ———系數(shù)考慮到殘余應(yīng)力分布時(shí)等效應(yīng)力可表示為A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZσER(ξ)=1/21/2A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ(4)式中　A1={(σX+σXR)-(σY+σYR)}2A2={σZ-(σY+σXR)}2A3={σZ-(σX+σXR)}2式中　σYR———?dú)堄鄳?yīng)力引起的切向應(yīng)力,MPaσXR———?dú)堄鄳?yīng)力引起的軸向應(yīng)力,MPa對(duì)于負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的某點(diǎn),取σXR=σZ-σX(5)σYR=σZ-σY(6)此時(shí),等效應(yīng)力值最小,為σER(ξ)=[3ξ2(τ2XY+τ2

7、YZ)+3τ2XZ]1/2(7)我們稱σXR=σZ-σX,σYR=σZ-σY為最佳殘余應(yīng)力分布。一般在壽命計(jì)算中用殘余應(yīng)力系數(shù)表示殘余應(yīng)力的影響。2·3　表面微觀幾何形狀接觸表面的微觀幾何形狀對(duì)于導(dǎo)軌副的摩擦、磨損有直接的影響。表面越粗糙,表面上的刀痕、裂紋愈明顯,其輪廓谷低處愈容易引起應(yīng)力集中,致使材料的疲勞強(qiáng)度降低。而表面粗糙度值Ra小時(shí),導(dǎo)軌副表面大實(shí)際接觸面積增大,減少了局部應(yīng)力集中的可能性,表面磨損率降低,如圖2所示。2·4　潤滑狀態(tài)潤滑狀態(tài)直接影響接觸表面的接觸表面的