Механизм контактной усталости поверхностей тел качения подшипников исследуется с помощью специальных экспериментов и численного моделирования развития разрушений.

Контактная усталость при качении (RCF) – типичная причина выхода из строя подшипников качения и других подобных деталей механизмов. Фундаментальная теория RCF разработана Лундбергом и Палмгреном. Теория Лундберга и Палмгрена относилась главным образом к подповерхностной контактной усталости при качении и целиком опиралась на расчёты напряжений по Герцу для идеально гладких поверхностей. В отличие от контактной усталости при качении, поверхностная усталость при качении включает в расчёт область, близкую к поверхности контакта (глубиной несколько микрометров), которая сильно подвержена воздействию локальных поверхностных напряжений, связанных с геометрическими особенностями поверхности: шероховатостью, отклонениями формы, вмятинами и т.д. Взаимодействие между смазочной плёнкой в эластогидродинамическом режиме смазывания (EHL) и повреждениями поверхности, определяющими места концентрации напряжений, очень важно для понимания явлений поверхностной усталости подшипников качения. В этой статье исследовано развитие поверхностной контактной усталости при качении посредством моделирования контакта и взаимодействия с микроповреждениями поверхности, которые создают концентрации напряжения. Сравнение результатов численного моделирования с рядом экспериментальных результатов демонстрирует хорошую корреляцию, позволяя сформулировать гипотезу об основных механизмах поверхностной контактной усталости при качении, а также о возникновении и развитии такого усталостного разрушения в подшипниках качения. Эти новые знания хорошо согласуются с основной идеей обобщённой модели SKF для расчёта ресурса подшипников качения, которая различает поверхностное и подповерхностное усталостное разрушение.

Теоретические исследования развития разрушений

Часто контактное усталостное разрушение, обусловленное поверхностным микроповреждением, развивается в выкрашивание. На распространение выкрашивания на поздних стадиях заметно влияют аспекты макрогеометрии, например, развитие геометрии контакта на дорожке качения и возникающая концентрация напряжения в подшипнике качения. Несколько исследователей изучали распространение выкрашивания в подшипниках качения, пытаясь связать воздействие механических аспектов на развитие разрушения. В недавнем исследовании с помощью моделирования и экспериментов изучалось распространение поверхностной контактной усталости при качении в подшипнике с предварительно нанесёнными вмятинами. Авторы пришли к выводу, что механизмы характерные для работы шарикоподшипников, требуют учёта условий смазывания и взаимодействия напряжений между поверхностным и подповерхностным слоем, чтобы понять, почему развитие типичных клиновидных трещин вдоль дорожки качения отличается от начального поперечного развития разрушения в роликоподшипниках. В достаточной мере это объясняется лишь предположением о сухом трении качения.

Экспериментальные исследования развития разрушений

Снейр в своём статистическом анализе надёжности подшипников рассматривал распространение выкрашивания в цилиндрическом роликоподшипнике, указывая на начальное развитие поперечного разрушения дорожки качения с последующим продольным распространением повреждения.

Современная точка зрения

Из теоретических и экспериментальных исследований, представленных в специализированной литературе, ясно прослеживаются две отличительных стадии развития выкрашивания из-за повреждений поверхности. Первая-достаточно медленное развитие поперечного разрушения дорожки качения, вторая-более быстрое продольное распространение повреждения. Поперечное распространение выкрашивания на дорожке качения в его начальной стадии может быть следствием более высокого напряжения на диаметрально противоположных краях повреждения, то есть в направлении, перпендикулярном качению, по сравнению с напряжениями на краях повреждения в продольном направлении. Начальная стадия и развитие выкрашивания в шарикоподшипниках и роликодшипниках разительно отличаются. Повреждения, возникшие на поверхности дорожек качения шарикоподшипников, первоначально развиваются клиновидно на заднем краю вмятины и быстро увеличиваются в направлении качения со скалыванием материала дорожки качения из клиновидной области. Развитие выкрашивания наблюдается в направлении качения, которое противоположно направлению трения и проскальзывания в этом месте. Выкрашивание в роликоподшипниках первоначально развивается на двух краях начального повреждения, разрастаясь поперёк дорожки качения, а потом в продольном направлении.

Анализ и выводы

Эксперименты проводились на конических роликоподшипниках. На дорожки качения подшипников заранее были нанесены вмятины инструментом с заданной твёрдостью. Это создало ряд областей концентрации напряжений, в которых начиналось поверхностное выкрашивание, что давало возможность детального исследования его начальной стадии и стадии развития. Существующая модель для поверхностной усталости с учётом микрогеометрии была адаптирована для изучения процесса поверхностного макровыкрашивания. Модель была применена для достижения лучшего понимания и начального распространения выкрашивания. Анализ расчётов показал, что численное моделирование действительно может хорошо объяснить многие экспериментальные наблюдения. В частности, экспериментальные результаты показали, что в случае конического роликоподшипника выкрашивание распространяется первоначально поперёк дорожки качения, то есть в направлении, перпендикулярном качению. В общем случае в подшипниках с линейным контактом наибольшие напряжения приходятся на боковые края вмятины. Эти повышенные напряжения стимулируют поперечное распространение повреждения во время его начальной стадии.

Из результатов данного исследования могут быть сделаны следующие выводы:

— В подшипнике с предварительно нанесёнными вмятинами выкрашивание первоначально распространяется поперёк дорожки качения под воздействием повышенных напряжений на краях повреждения в направлении, перпендикулярном к направлению качения.
— Представленная модель хорошо описывает два механизма распространения выкрашивания. В частности, для выкрашивания в роликоподшипниках получена хорошая корреляция между прогнозами моделирования и экспериментальными измерениями начального темпа распространения выкрашивания.