轴承滚道裂纹演化的数值模拟与实验对比

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）427轴承滚道裂纹演化的数值模拟与实验对比：以推力球轴承为我的Toumia，S.Murerb，F.Bogardb，F.博拉尔湾aLISM，香槟-阿登兰斯大学，Campus Moulin de la Housse，兰斯，法国bGRESPI，Université de Reims Champagne-Ardenne，Campus Moulin de la Housse，法国兰斯阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年10月27日收到2018年1月17日收到修订版，2018年2018年1月31日在线提供保留字：滚动接触疲劳损伤推力球轴承FEALifetimeRacewayA B S T R A C T轴承是旋转机械设计中必不可少的元件在工业环境中，轴承故障可能会产生代价高昂的后果。本文对推力球轴承的滚动接触疲劳损伤进行了研究。它包括在建立一个动态的三维数值模型的循环移位的球上的凹进滚动表面，使用有限元分析（FEA）。还使用有限元法结合疲劳定律评估了表面层裂尺寸随载荷循环的演变。结果是在相同的条件下进行的实验室测试，使用专门的球轴承疲劳测试单元的良好协议。该研究可提高使用有限元分析和考虑结构损伤状态估计层裂后滚动部件寿命的知识。©2018 计 算 设 计 与 工 程 学 会 Elsevier 的 出 版 服 务 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在预测性维护的框架内，已经研究了几个主题，以提高对轴承疲劳损伤机制的理解。其中之一是监测轴承滚道上剥落尺寸的演变，以估计滚动元件的剩余寿命并预测维护。因此，一些研究集中在轴承疲劳的2D或3D建模上。Jacq（2001）围绕轴承材料在存在缺陷的情况下的实验疲劳行为阐述了他的论文工作，并研究了运行条件对疲劳寿命的影响。为此，他对缺陷处的滚动体通道进行了2D模拟。2012年，Tonicello（2012）的结果证实了他的结果，这有助于理解缺陷附近的裂纹萌生模式。另一方面，Liu，Stratman和Mahadevan（2006）提出了一种新的铁路车轮多轴高周疲劳寿命预测模型。他们开发了一个通用的疲劳损伤分析框架，适用于复杂的机械部件的车轮/轨道滚动接触疲劳问题。Kim、Cho、An和Lee（2003）对球面接触进行了类似的研究由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址：sebastien. univ-reims.fr（S. Murer）。在一个由三部分组成的系列中（Arakere、Branch、Levesque、Screwsen 、 &Forster ， 2009 年 ; Forster 、 Rosado 、 Ogden 、Trivedi ， 2009 年 ; Rosado 、 Forster 、 Thompson 、 Cooke ， 2010年），Rosado等人从数值和实验两方面研究了三种轴承材料的滚动接触疲劳以及层裂起始和传播特性。在他们工作的第二部分中，他们详细描述了缺陷附近的应力分布，并表明剥落最初是轴向增长的（即跨越滚道的宽度）。他们还开发了一个3D静态FEM模型，该模型扩展到不同的缺陷尺寸。2010年，Bogard、Lestriez和Guo（2010）设计了一个2D FEM模型。他们根据Sines准则和Lemaitre和Chaboche（1978）的损伤模型，发展了一种模拟循环载荷下轴承疲劳损伤的数值方法在尝试扩展这些工作使用实验和数值来源，我们开发了一个动态的三维有限元模型证实了实验研究，并使用它来确定推力球轴承的寿命后，发生剥落的跑道。我们的方法旨在提供更多的信息层裂的演变。在更广泛的实验研究（Toumi、Bolaers、Bogard、Murer，2015年）框架内，它涉及两个独立的商业代码，用于计算接触载荷（Abaqus©）和疲劳寿命（nCode©）&，该研究使用了一种新的振动指标，能够估计循环载荷下滚珠轴承的损伤演变。这种双重方法的主要优点是允许根据单元加载双轴性和非比例性自动选择疲劳准则https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.01.0042288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。428我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427× ×××2. 装置和方法2.1. 实验程序球轴承试验台可以对推力球轴承进行循环疲劳试验它具有一个压力机，一个双作用液压缸和一个限压阀（图1a）。一个10千瓦的电动机确保旋转的可移动环高达3000转/分的旋转速度。液压系统为试验台的所有部件提供Magnaglide D 68合成油（40° C时粘度为 71： 4 mm2 s-1为了便于搬运，使用了51207不锈钢（100C6）推力球轴承（图2）。 尺寸为35 mm62 mm18 mm（内径外径厚度）。这些单向止推轴承可承受高达39 kN的动态轴向模量为206 GPa，泊松为了在实验过程中保持合适的工业条件，可动环角速度设定为1800 rpm，轴向载荷为对固定环施加30 kN（图1b）。试验台在全速下的温度最高可达60° C，而润滑剂温度不超过50° C。缺陷检测是通过实现一个加速度计安装在轴向方向。在上述操作条件下，L10（即，51207型推力球轴承按失效概率10%计算的使用寿命达到24小时。然而，疲劳损伤和微裂纹很可能发生在最初的几个工作小时。 尽管有24小时的L10，但获得自然剥落可能是乏味和耗时的，这就是为什么根据赫兹理论在滚道上产生裂纹并在子层中引发裂纹的原因（Rosado等人，2010年）。在我们的例子中，凹痕的深度为0： 27 mm，直径为1 mm（图3）。电腐蚀机，以尽量减少应力集中的影响。2.2. 有限元建模（Abaqus©）模型架构。球轴承所显示的对称性使得能够模拟环的有限部分上的单个球的循环旋转，该有限部分对应于整个部件的1/12（图4），假定轴承计数12个球。球被认为是一个离散的刚体，而环部分是可变形的（弹塑性行为），并有对称的条件施加在其每一端。两个连接器确保Fig. 1. SURVIB测试台。图二. 51207不锈钢推力球轴承。我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427429¼¼D¼;图三. 压痕区域的显微镜照片。见图4。运动学连接器。球在滚道上的引导第一个是圆柱形的，允许平移和旋转连接，而第二个是线性的，只允许平移。两者都连接到位于推力轴承轴线和球中心的参考点。出于运动学目的，它们还具有自己的坐标系。在通用有限元软件Abaqus©下开发的数值模型如图所示。五、为了复制该设备，已经创建了一个球形帽状的机器人呈现在实验部分。网格为了优化网格，环形部分被分成几个分区。如图5所示，网格密度偏差设置在网格区域附近。进行了初步的收敛性分析，以确保网格独立的解决方案，同时保留可接受的计算时间。该环由171207个节点和159536个C3D8R线性六面体单元组成。另一方面，球包含8594个节点和8592个R3D4，四边形刚性元素，这确保了两个网格之间满足比例关系，并加速了接触检测。加载条件。考虑到载荷均匀分布在推力轴承的所有12个滚珠上，并且由于实验施加的载荷为30 kN，因此施加了2： 5 kN的载荷在数值模拟中。在推力轴承的情况下，一个完整的旋转滚道上的球等于两个旋转的活动圈在无滑动滚动条件。 因此，球的角速度被设置为x94：25 rad s-1，步长持续时间为D t 0：0055 s，使模型能够聚焦于反射镜。该持续时间确定为t2p12x等于一个球到达前一个球所占据的位置所用的时间。最后，环的下表面被夹紧（所有平移自由度被阻挡）。430我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427-图五、网格概览（左）;网格附近的放大图（右）。图六、nCode EN多轴分析的计算步骤，包括有限元模型产生的弹塑性应力和应变2.3. 疲劳模拟（nCode©）nCode EN多轴分析用于模拟推力球轴承滚道在存在裂纹的情况下的分析分为三个步骤（见图1）。 6）。首先，从Abaqus模型时间步长中收集应力张量历史它表示分析中应用的载荷。然后，使用结合节点校正的多轴塑性模型处理应力张量，以生成估计的弹塑性应力和应变历史（由于Abaqus©中使用的弹塑性本构律，在我们的情况下省略了该步骤）。最后，将这些结果输入到Wang-Brown多轴计数系统（雨流）（HBM nCode Documentation; Wang& Brown，1993，1996）和损伤计算中，以估计每个元件的剩余寿命。nCode允许根据计算的双轴性和非比例性参数选择适当的疲劳标准在每个节点。在这种模拟中，通常采用的标准是临界面（FatemiSocie，1988）、B型临界面（在一个或两个方向上，通常在主导方向上和/或沿主导方向倾斜90°例如，当双轴度位于0.6和2.5之间，并且比例保持低于0.5时，选择最大主应力准则。最后，Miner3. 结果和讨论3.1. 实验疲劳试验图7描绘了在30（a）之后的粒度的演变，90（b）分钟疲劳试验。在最初的几分钟内，层裂在径向方向上变宽。然后，它主要沿着旋转方向发展。见图7。 30分钟后（a）和90分钟后（b）的压痕尺寸演变。我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427431图图8示出了球在球座上通过后的表面状况。在（a）和（b）中，裂缝分别产生于裂缝的上游和下游这些观测结果为预测裂纹间层裂演化模式提供了有价值的见解在（c）中，由于来自主层裂的碎片而产生微裂纹。在密度和长度方面，裂缝下游的裂缝似乎比上游的裂缝严重得多，这证实了在裂缝下游观察到的更快的剥落演变。此外，在滚道上稍远处出现的微裂纹可能会加速退化。不幸的是，这一现象不能考虑到在数值模拟，到目前为止，导致数值和实验结果之间的差异。事实上，FE模型假设材料完全均匀，滚道表面没有微裂纹。3.2. FEM结果图9显示了球在滚道上移动时的局部应力，突出显示了与分析结果的良好一致性。例如，值得注意的是，根据赫兹接触理论，von Mises应力在滚道表面下方0：24 mm处达到其最大值，而分析值为0：27mm。图10显示了30 kN循环载荷期间的表面接触压力。最大值为3：4GPa，与计算值（3： 3GPa）相当吻合。剖面呈椭圆形见图8。在疲劳试验过程中，套圈在靠近外圈的位置处的表面状态（a）上游的裂纹形状（b）下游的裂纹形状（c）在滚道下游产生的微裂纹。见图9。 根据赫兹接触理论，在循环载荷下的Von Mises应力分布（球隐藏）。见图10。 30 kN循环载荷期间的表面接触压力。432我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427并且与两个球面接触的情况相匹配。轴的尺寸分别为0： 78 mm和2： 66 mm（分析结果为0：54 mm和2：图 11表示当球滚过表面时应力场的演变。在输入端（a）、边缘（b和c）和输出端（d）观察到应力集中。在接触前，von Mises应力不超过1935 MPa，而在接触过程中达到2110 MPa.该 模 拟 的 结 果 与 先 前 通 过2D 和 3D 静 态 模 型 产 生 的 结 果 一 致（Toumi，2015）。通过疲劳软件nCode©，可以对循环载荷下的层裂演化进行评估，承受循环载荷的部件在失效前能够承受该软件还提供了受损表面元素的映射。3.3. nCode结果3.3.1. 数值计算结果与试验结果的比较模拟结果如图所示。 12个。一个关键的区域是清楚地突出显示所有周围的边缘，内部和外部。该区域中元素的寿命在480和1750个周期之间，这意味着快速演化（仅几秒钟）。然而，相关的表面仍然很小（低于0： 5 mm2）。图十一岁球与球接触时的Von Mises应力分布（a）接触开始，（b）和（c）接触期间，（d）接触结束见图12。 环周元件失效的循环次数（循环载荷2500 N）。我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427433第二个区域与前一个区域相邻，对应于更长的寿命（高达6350次循环）。位于疲劳区外围的元件的寿命达到7106次循环，相当于4分钟的循环载荷。与不同级别的元件损坏相关的区域可以绘制剥落尺寸演变（即排除的原始尺寸）作为操作时间的函数（图10）。13）。图13说明了在第一个50分钟的操作过程中，从数值模型和实验获得的剥落演变的趋势，并显示了两种方法之间的良好一致性。在最初的10分钟内，大部分是由于玻璃的形状，玻璃周围的剥落面积迅速增加。然后，进化仍然缓慢。这一结果与Djebili，Bolaers，Laggoun和Dron（2013）的结果一致。此外，Djebili图十三. 数值模型和实验数据之间的剥落演变（载荷30 kN，转速1800 rpm）的比较。图十四岁对于（a）2917 N（等效总载荷35 kN）和（b）3334 N（等效总载荷40 kN）的循环载荷，环槽周围元件失效的循环次数图十五岁不同循环载荷（转速1800 rpm）下的数值模型和实验数据的剥落演变比较434我的Toumi等人/Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）427等人'结果表明，相同推力球轴承在运行1h后的剥落尺寸范围为2 ~17 mm2，运行50 min后的平均剥落尺寸约为10 mm2该值与我们的模拟结果和实验数据进行了比较。3.3.2. 不同循环荷载下剥落演化的估算使用总循环载荷的另外两个值，即，35和40 kN。 结果示于图 十四岁元件寿命模式与30 kN总载荷下已获得的寿命模式非常相似。数量、寿命大多减少。对于35 kN载荷，达到340次循环，对于40 kN载荷，达到250次循环。当载荷接近所研究的推力轴承的动态极限时，本构钢屈服得更快，缺陷扩散得更快。两种载荷情况下的剥落演变图在图中进行了比较。 15、第一个突出显示了非常相似的趋势，在相同数量的循环后尺寸增加。计算出的层裂尺寸与本工作中的实验测量值以及Djebili等人（2013年）的测量值一致。在35kN载荷下，数值模拟得到的尺寸为11mm 2，而Djebili的尺寸为11mm2。等从3到19 mm2变化。同样，在40 kN下，计算的剥落尺寸为12 mm2，Djebili等人的计算结果在8 mm 2和22 mm2之间。这些差异可能源于滚道材料的实验散射以及测试环境。即使适当地确保润滑，由于润滑剂的碎屑而在滚道上产生的微裂纹对轴承的疲劳寿命也有毫无疑问的影响。4. 结论本文提出的工作详细介绍了一种新的方法来预测推力球轴承的情况下，轴承的旋转元件的工作寿命。因此，在循环载荷下的尺寸演变的推力球轴承的滚道上加工的一个小齿轮进行了研究。FEM计算提供了元素寿命的映射。数值计算结果初步比较，在相同的条件下进行的实验测试结果。无论从定性还是理论的角度来看，一致性都是令人满意的。此后，研究扩展到两个额外的加载情况下，与其他实验结果进行了比较。在不同的负载和相同的转速下的滚道损伤演化方面的演变突出。模拟结果与文献中的实验测试活动一致，尽管在剥落的大小。这些差异可能源于实验室测试期间材料疲劳行为的分散，更不用说滚珠与润滑剂和润滑条件接触期间在滚道表面上产生的微裂纹利益冲突作者声明不存在利益冲突引用Arakere，N.，布兰奇，N.，Levesque，G.，Sundarsen，V.，&Forster，N.（2009年）。AISIM50、M50NiL和AISI 52100的滚动接触疲劳寿命和层裂扩展，第二部分：应力建模。Tribology Transactions，53（1），42-51.Bogard，F.，Lestriez，P.，&Guo，Y.（2010年）。循环载荷下机械零件的损伤与断裂模拟。美国机械工程师学会，132（2）。杰比利岛，Bolaers，F.，Laggoun，A.，&Dron，J.（2013）.随着滚动疲劳剥落的增长，进行预测性维修。 力学与工业，14（1），85-93。Fatemi，A.，Socie，D.（1988年）。包括异相加载的多轴疲劳损伤的临界平面法。工程&材料结构的疲劳断裂&，11（3），149-165。福斯特，N.，罗萨多湖奥格登，W.，&特里韦迪湾（2009年）。AISIM50、M50NiL和AISI 52100的滚动接触疲劳寿命和层裂扩展特性，第三部分：冶金检验。TribologyTransactions，53（1），52-59.HBM nCode文档，DesignLife理论指南（版本NC-DL-TH 10.00.117）.雅克角（2001年）的第10页。32CrMoV13氮化钢在存在压痕时的疲劳寿命和寿命极限（Ph.D. thesis）。里昂国立科学院。Kim，T.，周，Y.，安，D.，&Lee，H.（2003年）的报告。基于几种高周疲劳准则的球滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测。Tribology Transactions，46（1），76-82.勒 梅 特 ， J. ， &Chaboche ， J. （ 1978 ） . 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