空间油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平选取方法与流程

本发明涉及机械器件寿命测试领域，特别涉及空间油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平选取方法。

背景技术：

由于空间中具有交变温度，高真空度，微重力，强辐射，原子氧等复杂情况的存在，并且航天机械产品具有价格昂贵，长寿命，不可修复的特点。航空航天领域对机械零部件的可靠性和寿命预测提出了更高的要求。对于轴承的实际工作时间可以多达几年甚至更多，尤其是航空航天领域所使用的轴承，因此在实际使用环境中对轴承进行1:1的开展寿命可靠性验证试验，无论是从经济上还是从时间上都是无法接受的。因此我们就需要通过加速寿命试验来验证轴承的可靠工作能力以及轴承的剩余寿命预测。在不改变故障模式以及故障机理的条件下，用加大应力的方法对零部件进行寿命试验，从而达到加速寿命试验缩短试验时间的效果。

加速寿命试验是在不改变产品失效机理的情况下，通过加大应力水平的方法，加快产品故障、缩短试验时间，在相对较短的试验周期内预测出产品在正常应力作用下寿命特征的方法。加大应力水平的前提是不改变失效机理。如果所加载应力水平过大，改变了产品的失效机理，则加速寿命试验就失去了意义，如果所加载应力水平过小，则导致加速寿命试验时间周期过长，加速寿命试验无法得到最佳的效果，同时，试验时间成本投入增加。

针对空间科学实验旋转机械部件(尤其是空间站舱外)，其主要是以固体润滑为主。依据《gbt28878.7-2016空间科学实验转动部件规范第7部分：可靠性试验》中的针对固体润滑球轴承旋转部件的加速寿命试验方案，其润滑方式选用的是固体润滑，以及只选取了轴承转速作为其加速应力，加速效果并不明显。针对油脂混合润滑的空间站变重力实验柜(舱内)离心机转盘轴承，其中《gbt28878.7-2016空间科学实验转动部件规范第7部分：可靠性试验》所提的转动部件固体润滑球轴承的磨损失效模型并不适用。

对于油润滑长寿命航天器机构(滚动轴承)开展有效的加速寿命试验比较困难。针对油脂润滑长寿命航天器机构加速寿命试验中对于如何选取加速寿命试验的加速应力水平，国内外都没有深入进行研究。特此，本发明提出一种关于油脂润滑轴承加速寿命试验加速应力水平的选取方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种空间油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平选取方法，以解决无法合理选取油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：空间油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平选取方法，包括以下步骤：

a.计算轴承在正常应力水平下工作时油膜厚度与接触表面的粗糙度之比λ，并将计算得到的λ作为加速寿命试验中油膜厚度与接触表面的粗糙度之比；

b.根据步骤a得出的λ计算轴承滚珠与内圈表面间的最小油脂膜厚度h；

c.根据h得出轴承滚珠与内圈之间的最小油膜厚度hmin；

d.将润滑油脂设计手册规定的转速阈值作为加速寿命试验的转速n，并根据hmin和n计算滚珠最大受载负荷qmax；

e.根据qmax求得用于加速寿命试验的加速应力；

f.判断步骤e求得的加速应力是否超出实验台的承载范围，若超出实验台的承载范围，则降低步骤d中计算qmax时n的值，重新计算qmax，并继续步骤e，直到步骤e求得的加速应力不超出实验台的承载范围。

优选的，步骤a得到的λ的范围为：1.5＜λ＜2。

进一步的，步骤b中，h可通过以下公式计算：

其中，σ1与σ2为轴承滚珠的两个接触表面的粗糙度。

进一步的，步骤c中，hmin可通过公式h＝1.5～1.7hmin得出。

进一步的，步骤d中，润滑油脂设计手册规定的转速阈值其中，ka是轴承系数，n为转速，dm为公称直径。

进一步的，步骤d中，qmax可通过以下公式计算：

其中，dw为轴承滚珠的直径；dm为轴承的节圆直径；α为压粘系数；η0为大气压力下润滑油动力粘度；e0为当量弹性模数；k为接触区域的椭圆率；e为自然对数的底；γi轴承的结构参数，α为轴承接触角。

进一步的，步骤e中，加速应力的计算方式如下：

1)当轴承仅受径向力fr作用时，fr通过公式得到，其中fr为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

2)当轴承仅受轴承力fa作用时，fa通过得到，其中fa为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

3)当轴承受轴承力fa与和径向力fr联合作用时，fr和fa通过公式得到，其中α为轴承接触角，jr(ε)为负荷分布径向积分，ja(ε)为负荷分布轴向积分。

本发明的有益效果是：本发明针对空间站油脂复合润滑的离心机转盘轴承加速寿命试验中对于如何选取加速寿命试验的加速应力水平，通过润滑介质对转速的限制阈值以及保证润滑状态一致性来反向推导加速寿命试验所采取的恰当的加速应力，达到可控性较高的加速应力选取效果，即能保证试验的一致性，也能在时间上、经济上给试验带来效应。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

对于滚动球轴承，加速寿命试验过程中的加速应力选取对加速寿命试验至关重要。恰当的选择加速应力不单单能有效地进行加速寿命试验，同时在经济上也大大节省预算。结合增大载荷和增加转速，将他们联合作为加速应力，对试验转盘轴承进行加速寿命试验，弥补了单独加载应力所带来的不足，在保证了失效机理一致的同时，能选择恰当的加速应力水平，并且达到较大的加速效果，同时加载转速与加载载荷达到加速应力可控性的效果。

(1)加速应力的选取

由轴承额定寿命计算公式可知：

其中，c为基本额定动载荷，p为当量动载荷，n为转速。

从上述的轴承的额定寿命计算公式可知，轴承寿命与载荷、转速皆相关。外加载荷作为加速应力时，加速效果比较明显，并且载荷在试验过程中易控制。当转速作为加速应力时，其加速效果并非很明显。

同时，润滑膜厚与温度、压力、速度紧密相关。由于温度的不可控性，进而我们不采用温度作为试件轴承加速寿命试验的加速应力。当轴承加载载荷时，滚珠与滚道之间的压力就会增大，膜厚会减小；当转速增大时，膜厚又会增大。如果我们能找到均衡的转速与载荷，就能保持其膜厚稳定在一定的范围内，保持膜厚一定，就能保持润滑状态的一致性，进而保持加速寿命试验过程中失效机理的一致性。

(2)应力水平的选取

加速寿命试验最关键的特征就是在加速应力水平下的产品的故障(失效)模式和故障(失效)机理应与正常应力水平作用下的故障(失效)模式和故障(失效)机理所一致。

试验轴承的失效往往是从润滑状态的改变开始，而润滑状态是由润滑油膜厚度来决定的，而润滑油膜厚度主要取决于以下因素：润滑油的粘性，速度参数，载荷(加速应力)参数，结构参数，弹性参数等。

对于滚动球轴承来说，通常滚动体与外滚道之间的油膜厚度将大于内圈与滚动体之间的油膜厚度。滚珠与内圈之间的最小油膜厚度计算公式如下：

其中，hmin为最小膜厚，单位m；dw为轴承滚珠的直径，单位m；dm为轴承的节圆直径，单位m；α为压粘系数，单位为pa^-1；η0为大气压力下润滑油动力粘度，单位为pa·s；n为转速，单位为r/min；e0为当量弹性模数，单位为pa；qmax为受载最大的滚珠负荷；k为接触区域的椭圆率；e为自然对数的底；γi轴承的结构参数(由轴承设计手册参阅)。α为接触角；其中，r为内滚道曲率半径，对于粘压系数α、润滑油粘度η0以及当量弹性模数e0，可分别查所采用的的润滑油参数与轴承材料可得知。qmax,对于轴承滚珠最大受载负荷，可依据轴承《滚动轴承设计原理》(邓四二版)进行计算。对于中低速轴承，以及空间站中转盘轴承甚至是超低转速转盘轴承，不考虑运动的影响，按静载荷负荷分布计算。

对于角接触球轴承而言：

1)当轴承仅受径向力fr作用时，其中fr为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

2)当轴承仅受轴承力fa作用时，其中fa为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

3)当轴承受轴承力fa与和径向力fr联合作用时，需要根据《滚动轴承设计原理》(邓四二版)中详细的计算其qmax。尤其对于空间站离心机转盘轴承这种双列角接触球轴承而言，其要根据轴承力fa与和径向力fr以及接触角关系得出双列轴承的符合分布情况，以及查表得出参数负荷分布径向积分jr(ε)与轴向积分ja(ε)，再根据关系式，进而可计算出qmax值。

综合上述三种计算qmax方法，将得到的qmax值带入到计算hmin过程中去，即可将润滑油膜厚度同转速n、载荷三者关系有效地联合起来，方便后面的确定值计算。

由油膜厚度公式可知，最小油膜厚度对轴承所受的载荷并不敏感，而对于轴承的寿命而言，增大载荷恰巧又能明显地增大加速因子。并且加速因子可控性高。轴承的转速对最小油膜厚度也有影响，对轴承寿命亦有影响，也是可控的。由公式亦可知，温度对最小油膜厚度的影响非常显著。但是，温度作为加速因子时，很难控制，使润滑油膜厚度保持与正常水平下的一致性。

结合最小油膜厚度计算公式，我们将转速与载荷作为加速应力，此外，参照润滑油脂设计手册得知，油脂润滑下的轴承低转速下最高转速(ka×n×dm≤350000，其中ka是轴承系数，n为转速，dm为公称直径)，以及结合轴承所受载荷，在确保润滑油膜厚度与正常运行时一致后，最后确定出加速应力的水平，通过计算以确保其加速过程的一致性。使得加速过程可控化，简洁明了。

此外，在确定加速应力的过程中需要考虑油脂润滑的复合膜厚度。研究表明，脂润滑在启动条件下的润滑膜厚度要大于同等情况下的油润滑的油膜厚度，但是又由于润滑脂的挤出效应，最终脂的润滑膜膜厚会稳定在基础油油膜厚度的50％～70％，稳定后的脂润滑膜厚接近基础油膜厚度的1/2。所以，最终油脂复合润滑时，油膜厚度取h＝1.5～1.7hmin。

在得出最小油脂润滑膜厚度h后，将最小油脂膜厚度值h与接触表面的粗糙度进行比较，进而油膜厚度与接触表面的粗糙度之比(膜厚比λ)成了使准加速寿命试验中轴承失效机理保持一致的关键所在。

(h为滚珠与内圈表面间最小的油脂膜厚度，单位μm；σ1与σ2为接触表面的粗糙度，单位μm)

其中，λ是决定润滑性质的重要参数。研究表明：1)λ＜1时，相互接触的表面会发生直接接触，相当于干摩擦，会造成擦伤胶合等；2)1＜λ＜3时，称为部分膜弹流润滑，接触表面之间部分区域会形成弹性流体动力润滑膜，处于混合润滑状态；3)λ＞3时，称为全膜弹流润滑，油膜的厚度足以将两接触表面完全隔开，形成流体动压润滑膜。滚动轴承中的润滑状态大部分是处于1.5＜λ＜2之间，处于混合润滑状态，因此针对一般情况，本发明可优选将保证轴承内圈与滚珠的λ值处在1.5＜λ＜2范围内。

综上，保证加速寿命试验时轴承内圈与滚珠的λ值与轴承在正常应力水平下工作时的λ值处在同一范围内，能保证轴承的润滑状态一致性，以及转速因子限制在脂润滑范围内，就能确保加速寿命试验的同时，取到合适的加速应力值。

结合以上分析，本发明提出了一种空间油脂润滑轴承加速寿命试验的加速应力水平选取方法，以解决无法合理选取油脂润滑轴承加速寿命试验加速应力水平的问题。该方法通过润滑介质对转速的限制阈值以及保证润滑状态一致性来反向推导加速寿命试验所采取的恰当的加速应力，如图1所示，具体的步骤如下：

a.计算轴承在正常应力水平下工作时油膜厚度与接触表面的粗糙度之比λ，并将计算得到的λ作为加速寿命试验中油膜厚度与接触表面的粗糙度之比。一般情况下1＜λ＜3即可保证轴承的润滑状态一致性；但由于滚动轴承中的润滑状态大部分是处于1.5＜λ＜2之间，本发明可优选将保证轴承内圈与滚珠的λ值处在1.5＜λ＜2范围内。

b.根据步骤a得出的λ计算轴承滚珠与内圈表面间的最小油脂膜厚度h，其中，h可通过以下公式计算：

其中，σ1与σ2为轴承滚珠的两个接触表面的粗糙度。

c.根据h得出轴承滚珠与内圈之间的最小油膜厚度hmin，其中，hmin可通过公式h＝1.5～1.7hmin得出。

d.将润滑油脂设计手册规定的转速阈值作为加速寿命试验的转速n，并根据hmin和n计算滚珠最大受载负荷qmax。其中，润滑油脂设计手册规定的转速阈值ka是轴承系数，n为转速，dm为公称直径；qmax可通过以下公式计算：

其中，dw为轴承滚珠的直径；dm为轴承的节圆直径；α为压粘系数；η0为大气压力下润滑油动力粘度；e0为当量弹性模数；k为接触区域的椭圆率；e为自然对数的底；γi轴承的结构参数，α为轴承接触角，r为内滚道曲率半径，

e.根据qmax求得用于加速寿命试验的加速应力。

其中，qmax可通过以下公式计算：

其中，dw为轴承滚珠的直径；dm为轴承的节圆直径；α为压粘系数；η0为大气压力下润滑油动力粘度；e0为当量弹性模数；k为接触区域的椭圆率；e为自然对数的底；γi轴承的结构参数，α为轴承接触角，r为内滚道曲率半径。

对于角接触球轴承而言，加速应力的计算方式如下：

1)当轴承仅受径向力fr作用时，fr通过公式得到，其中fr为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

2)当轴承仅受轴承力fa作用时，fa通过得到，其中fa为径向载荷，z为轴承滚珠个数，α为轴承接触角；

3)当轴承受轴承力fa与和径向力fr联合作用时，fr和fa通过公式得到，其中α为轴承接触角，jr(ε)为负荷分布径向积分，ja(ε)为负荷分布轴向积分。

f.判断步骤e求得的加速应力是否超出实验台的承载范围，若超出实验台的承载范围，则降低步骤d中计算qmax时n的值，重新计算qmax，并继续步骤e，直到步骤e求得的加速应力不超出实验台的承载范围，最终得到恰当的加速应力。