陶瓷混合轴承在严苛条件下的优势

陶瓷混合轴承具有轴承钢制的轴承圈和轴承级氮化硅（Si3N4）制的滚动体，它已经越来越广泛地应用于各种严苛的应用环境中，如高速、无油空调和制冷压缩机、通用流体机械、电动机器和齿轮箱。在一些上述应用中，边界或混合润滑条件和固体颗粒污染都会影响轴承性能。

在边界或混合润滑条件下，轴承滚道表面会对早期表面疲劳和来自表面的疲劳裂纹变得很敏感，具体取决于运行条件以及作用在接触表面的边界摩擦系数和磨损情况。

滚道表面的失效风险随着疲劳损伤的积累而升高。在受污染的环境中，嵌入滚动接触面的固体颗粒形成边缘凸起的压痕，即便轴承是在良好的全油膜状态下，这种压痕也会破坏润滑膜。这些较大但处于局部的表面压痕会导致早期表面疲劳。本文列出了专门试验和建模结果，来比较陶瓷混合轴承与全钢轴承的物理机理和性能，首先比较的是薄油膜条件下的典型轴承表面，然后比较了较大压痕形成的特点。

试验证据显示，在边界或混合润滑条件下通过使用陶瓷混合轴承能够获得突出的性能益处 ，包括提高表面疲劳抗性。借助滚动轴承疲劳试验，以及表面疲劳和磨损组合模型，本文详细考察了在润滑不良条件下，混合滚动接触面的性能。研究还发现，混合接触面表面疲劳抗性的显著提高，无法只通过全钢与混合接触面之间存在的一些粗糙度参数的正常差异来解释。在专门试验中，混合接触面的有效边界摩擦系数相较于全钢轴承显著降低（降低50%），必须将这一因素考虑在内。

试验是在垂直摩擦试验台（图1）按照表1中的试验条件进行的，采用圆柱推力滚子和钢制/Si3N4的垫圈来代表全钢或者混合接触配置，能表现出更高的循环和更快的表面疲劳发展。为避免试验中由于使用太硬的陶瓷平垫圈造成磨损，对其表面进行了抛光，因为陶瓷混合轴承中的陶瓷滚动体的典型表面粗糙度是非常低的。在数字仿真中考虑了钢和陶瓷垫圈之间的表面粗糙度的差异。对钢接触面和混合接触面各进行了总长6小时的四次试验（在2小时和4小时处暂停）。试验中用光学表面光度仪

（WYKO）对滚子进行了测量，并用内部开发的软件来量化表面疲劳面积。因为在6个小时测试时间内，混合接触面的钢滚子没有明显的表面损伤，所以又进行了97个小时的更长时间的试验（在37和60小时处暂停）。

图1：轴承试验台示意图

表1：轴承试验台-试验条件

图2列出了在上述条件下，混合和全钢接触面的表面疲劳面积的测量数据与数字仿真（使用基于疲劳的模型和疲劳-磨损组合模型）的关联性的主要结果。可以明显观察到全钢接触面随时间推移出现表面疲劳的逐渐积累，而混合接触面几乎未出现表面疲劳。还可看到具有混合接触面典型磨损率的表面损伤/磨损组合模型的结果（蓝色曲线）符合试验数据，略好于假设没有磨损的模型的结果（黑色曲线）。

混合和全钢接触面的微凹面积的数字仿真与测量数据之间的关联性提示，平均来讲，全钢与混合接触面的摩擦系数比值大约为2，这部分解释了后者表面疲劳抗性更好的原因。在以前的试验中也获得了这个平均比值。除了较低的边界润滑摩擦，混合接触面的表面疲劳抗性更好的原因还在于Si3N4部件比全钢部件的粗糙度更小、粗糙度偏度负值更大（即深谷超过高峰）。

图2：表面疲劳面积积累的试验数据与数字仿真

尽管对全钢轴承做了大量研究，研究与压痕有关的损伤演变和表面疲劳机理的一大难点是压痕形成的随机属性。控制压痕的数量、几何形状和位置颇具挑战性。这就是为什么许多研究采用人工压痕。采用洛氏球压头在轴承滚道上制造的压痕，常常被用于研究全钢轴承在滚动/滑动条件下的疲劳寿命缩减和损伤过程。观察到在相对滚动方向的压痕的后边缘开始出现剥落。更多滑动或高表面摩擦牵引力将加快表面裂纹的生成。裂纹是由在后边缘近表面处发展的最大正交剪切应力所引起的。

这些应力的大小取决于压痕的形状、润滑质量、公称接触压力和滚动/滑动量。此外，在出现磨损和其他表面损伤的压痕的前导边缘处，对润滑膜破损进行了建模分析。已发表的有关陶瓷混合轴承在受污染环境中性能的研究寥寥无几。开创性的工作显示出在严重污染油润滑条件下的卓越耐磨性能。