摘　要：通过对N203M轴承寿命试验样本的观察与分析，发现70％以上的滚子出现早期疲劳。从分析轴承使用中滚子所受载荷与变形的关系入手，找出滚子早期疲劳的原因，并追溯到产品设计的某些不足。提出了从设计到加工制造的综合改进措施。
　　关键词：滚动轴承；全凸度滚子；早期疲劳；线接触；变形量
　　多年来，用户不断反应圆柱滚子轴承的使用寿命偏低，且尤以中、小型圆柱滚子轴承更为突出。为了查找原因，哈轴公司轴承寿命试验室模拟用户使用条件，对N203M轴承进行了寿命试验及相应的系统分析，力图找出其原因和相应的改进措施。 
　　1　寿命试验
　　1.1 试验条件
　　我公司对N203M轴承进行了寿命试验，其试验条件为：试验转速n=7500r/min，径向载荷F_r=3350N，计算寿命L_c=100h，润滑为JH-20喷油循环，试验机型号为ZS-15/30。
　　1.2 试验结果及分析
　　20套子样经过近4个月的试验，结果见表1。 　　将表1中的试验数据，用Z佳线性不变估计法程序进行处理，可得以下参数：试验额定寿命L₁₀=72h；Weibull斜率α=1；可靠度R=0.79；寿命水平（统计额定寿命与计算寿命的比值）S=0.72。 
　　从表1中的数据和处理结果可知，本批轴承的寿命水平较低，试验额定寿命仅为计算寿命的0.72倍。外滚道疲劳概率为 18.1％；内滚道疲劳概率为45.4％；滚子疲劳概率为72.6％；显然，滚子的早期疲劳是导致圆柱滚子轴承寿命偏低的主要原因。仔细观察疲劳破坏的滚子，发现多数是在边缘出现疲劳剥落。为了排除其他因素，对滚子进行了硬度及金相组织检验分析，结果表明：硬度值、淬回火组织级别和非金属夹杂物的含量等均符合国家标准。
　　2　早期疲劳原因分析
　　N203M 轴承的外圈、内圈及滚子的成品零件图如图1所示。该轴承采用的是Ø5.5mm×5.5mm全凸度滚子，其凸度量为 0.004mm。本次N203M轴承寿命试验，其径向载荷为F_r =3350N，在该载荷作用下，滚子产生的变形量按下式计算^[1] ： 　　式中：
　　Q_max为滚子承受的Z大载荷；F_r为径向外载荷；Z为滚动体数量（查产品图可得）；L_y为滚子与滚道的有效接触长度。有效接触长度，应取内滚道有效宽度、外滚道有效宽度和滚子有效长度三者中的Z小值。因此由表2可见应取内滚道有效宽度的平均值4.55mm。  　　将F_r=3350N，Z=10，L_y=4.55mm代入得δ=0.0083mm。
　　显然，该变形量已大大超过了N203M轴承滚子的凸度量0.004mm。由此可见，N203M轴承虽然采用的是全凸度滚子，但在工作中，随着载荷的加大，当滚子的弹性变形超过凸度量时，滚子与滚道变成了线接触，且产生边缘应力集中（图2）。虽然该边缘应力值较直素线滚子的边缘应力值小很多。但其仍然是导致滚子70％以上在边缘出现疲劳剥落的原因。 　　N203M轴承的滚子现有的凸度量能够承受的载荷可按以下步骤推算。
　　将δ=0.004mm代入（1）式得
　　Q_max=683.5N
　　将其代入（2）式得
　　F_r=1486N
　　这就是说，N203M轴承滚子现有的凸度量Z大能承受1486N的载荷。一旦超过，接触区将产生边缘应力集中。
　　3　改进建议
　　为了改善滚子早期疲劳的现状，提高轴承寿命。需从设计、加工和使用3个方面做如下改进。
　　（1）适度加大滚子的凸度修正量，以提高滚子的承载能力，减少边缘应力集中。
　　（2）提高滚子的柔度，以减少边缘应力集中。
　　可通过在滚子的两端各加工出一个如图3所示，轴向剖面呈半圆形、半椭圆形和等腰梯形的孔，提高滚子的柔度。 　　（3）适度增加有效接触长度。如增加滚子长度，减少挡边厚度，严格控制油沟尺寸等。
　　（4）计算出每种规格的圆柱滚子轴承采用的 滚子的凸度修正量所对应的载荷的Z大极限值，并标注在《轴承样本》上，以便用户使用时参考。
　　4　结束语
　　试验结果表明，造成滚子早期疲劳的根本原因是全凸度滚子的凸度量远小于轴承工作状态下滚子的变形量，使滚子重新产生边缘应力集中，通过改进设计等措施，取得了较好效果。
　　参考文献：
　　[1]阿•帕尔姆格林.滚动轴承工程学[M].姚松官,译.洛阳:洛阳农机学院,1981.
　　[2]Harris TA。Rolling Bearing Analysis[M].4th ed.John Wiley & Sons.Inc.2006.