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滚动轴承 |
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轴承寿命的计算 |
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一、轴承的寿命
轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使使用条件正常，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现鱼鳞状损伤（称做剥离或剥落）。
出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“（疲劳）寿命”。
即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。
这是因为材料疲劳本身即具有离散性，应从统计的角度来考虑。
于是就将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做“轴承的基本额定寿命”（即可靠性为90%的寿命)。
在以固定的转速旋转时，也可用总旋转时间表示。
但在实际工作时，还会出现滚动疲劳损伤以外的损伤现象。
这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。
二、轴承寿命的计算
１、基本额定动负荷
基本额定动负荷表示轴承耐滚动疲劳的能力（即负荷能力），是指大小和方向一定的纯径向负荷（对于向心轴承）或中心轴向负荷（对于推力轴承），在内圈旋转外圈固定（或内圈固定外圈旋转）的条件下，该负荷下的基本额定寿命可达100万转。向心轴承与推力轴承的基本额定动负荷分别称做径向基本额定动负荷与轴向基本额定动负荷，用Cr与Ca表示，其数值录入轴承尺寸表。
２、基本额定寿命
式１表示轴承的基本额定动负荷，当量动负荷及基本额定寿命之间的关系。
轴承以固定的转速时，用时间表示寿命更为方便，如式２所示。
另外，对于铁路车辆或汽车等用行车距离(km)表示寿命较多，如式３所示。
因此，作为轴承的使用条件，设当量动负荷为P，转速为n，则满足设计寿命所需要的轴承基本额定动负荷c可由式４计算。从轴承表选出满足c值的轴承，即可确定轴承的尺寸。机械要求的轴承必需寿命请参考表４。
３、根据温度进行的基本额定动负荷的修正与轴承的尺寸稳定处理
轴承在高温下使用时，材料组织会发生变化、硬度降低，基本额定动负荷将比常温下使用时减小。材料组织一旦发生变化，即使温度恢复到常温也不会复原。
因此，在高温下使用时，必须将轴承尺寸表的基本额定动负荷乘以表１的温度系数进行修正。表１温度系数
 轴承长时间在120摄氏度以上的工作温度下使用时，由于经一般热处理的轴承尺寸变化大，必须进行尺寸稳定处理。
尺寸稳定处理与使用温度范围如表２所示。但经尺寸稳定处理的轴承硬度降低，有时基本额定动负荷会减小。表２ 尺寸稳定处理
 ４、修正额定寿命
式１表示的是可靠性90%的基本额定寿命（L10)，根据用途的不同，有时也需要可靠性高于90%的高可靠性寿命。
此外，采用特殊材料有时可以使轴承寿命延长，甚至润滑等使用条件的不同也会影响轴承寿命。考虑了以上因素对基本额定寿命进行修正后的寿命称做修正额定寿命，可由式８计算：
Lna=a1a2z3L10..........式8
这里，
a1:可靠性系数......参照(1)项
a2:可靠性系数......参照(2)项
a3:可靠性系数......参照(3)项
［备注］按照可靠性高于90%的Lna选择轴承尺寸时，应特别注意轴与外壳的强度。
（１）可靠性系数a1
计算可靠性不低于90%（即失效率不大于10%)的修正额定寿命时，按表３选择系数a1表３可靠性系数a1
 （２）材料系数a２
根据轴承材料（钢种、质量）、制造工艺和设计的不同与寿命有关的轴承特性有可能发生变化，这时用系数a２修正。
采用高质量的真空脱气轴承钢或钢中夹杂物特别少时，a２>1。对于常规轴承材料，a２=1。
（３）使用条件系数a３
轴承在直接影响寿命的条件下（尤其是润滑条件）下使用时，用系数a３进行修正。
润滑条件正常时，可取a3=1,润滑条件特别良好时，可取a３>1。但在以下条件下，取a３<1。
a、运转时润滑剂运动粘度降低时
球轴承－小于13平方毫米/s{13cSt}
滚子轴承－小于20平方毫米/s{20cSt}
b、转速特别低时
滚动体节圆直径与转速的乘积小于10000
c、润滑剂中混入杂质时
d、内圈与外圈的相对倾斜大时
［注］轴承在高温下使用硬度降低时，必须对基本额定动负荷进行修正（参照表１）
５、机械所必需的轴承寿命
选择轴承应合理地提出寿命要求，寿命要求过高，则轴承尺寸过大，机械笨重，不经济。寿命要求过低，则在使用中需要常更换，一般可根据机械的大修期确定轴承的使用寿命。各种机械所必需的轴承使用寿命推荐值见表４。表４轴承必需寿命（参考）
 三、当量动负荷
轴承大多承受径向负荷与轴向负荷的合成负荷，并且负荷条件多种多样，如大小发生变化等。
因此，不可能将轴承的实际负荷直接与基本额定动负荷比较。
这时，则将实际负荷换算成通过轴承中心，且大小和方向一定的假想负荷来进行分析比较，轴承在假想负荷下具有与实际负荷和转速下相同的寿命。
这样换算的假想负荷称做当量动负荷，用Ｐ表示。
１、当量动负荷的计算
承受大小和方向一定的合成负荷的向心轴承与推力轴承（a不等于90度)的当量动负荷可由下式计算：
P=XFr+YFa........(9)
这里，
Ｐ：当量动负荷，N{kgf} 对于向心轴承，表示为Pr:径向当量动负荷；对于推力轴承，表示为Pa:轴向当量动负荷
Fr:径向负荷，N{kgf}
Fa:轴向负荷，N{kgf}
X:径向负荷系数
Y:轴向负荷系数（负荷系数Ｘ与Ｙ载于轴承尺寸表）
对于单列向心轴承，当Fa/Fr<=e时，取X=1、Y=0，因此，这时当量动负荷为Pr=Fr。
１）对于单列向心轴承，当Fa/Fr<=e时，取X=1、Y=0，因此，这时当量动负荷为Pr=Fr.[e表示Fa/Fr的界限值，载于轴承尺寸表。]对于单列角接触球轴承及圆锥滚子轴承，如图１所示。由于承受径向负荷时会产生轴向分力(Fac)，因此，轴向分力可由下式计算：
Fac=Fr/2Y......（10）
２）接触角为９０度的推力球轴承只承受轴向负荷，因此当量动负荷Pa=Fa
３）推力调心滚子轴承的当量动负荷由下式计算：
Pa=Fa+1.2Fr.........式11 这里Fr/Fa<=0.55
２、负荷变化时的平均当量动负荷
轴承承受大小或方向变化的负荷时，需要计算使轴承具有与实际变化条件下相同寿命的平均当量动负荷。
各种变化条件下的平均当量动负荷Pm的计算方法如图所示。
四、基本额定静负荷与当量静负荷
１、基本额定静负荷
轴承承受太大的静负荷或在极低转速下承受冲击负荷时，滚动体与滚道的接触面会产生局部永久变形。其变形电随负荷增大而增大，超过一定限度的话，将会影响正常的旋转。
基本额定静负荷是指使承受最大负荷的滚动体与滚道的接触面中央产生按以下计算接触应力的静负荷。
a、调心球轴承......4600MPa{469kgf/mm2}
b、其他球轴承......4200MPa{429kgf/mm2}
c、滚子轴承......4000MPa{408kgf/mm2}
在这些接触应力下产生的滚动体与滚道的永久变形总量约为滚动体直径的0.0001倍。
向心轴承与推力轴承的基本额定静负荷分别称作径向基本额定静负荷与轴向基本额定静负荷，用Cor与Coa表示，其数值载于轴承尺寸表。
２、当量静负荷
当量静负荷是指一种假想负荷，当轴承静止或转速极低时，该假想负荷下承受负荷的滚动体与滚道的接触面中央产生与实际负荷条件下相同的接触应力。
向心轴承与推力轴承的当量静负荷分别采用通过轴承中心的径向负荷与通过轴承中心线的轴向负荷。当量静负荷由式１７到式２０计算：
当量静负荷可由下式计算：
这里：
Por:径向当量静负荷，N{kgf}
Poa:轴向当量静负荷，N{kgf}
Fr:径向负荷，N{kgf}
Fa:轴向负荷，N{kgf}
Xo:径向静负荷系数
Yo:轴向静负荷系数（静负荷系数Xo与Yo载于轴承尺寸表）
３、安全系数
轴承的允许当量静负荷虽取决于轴承的基本额定静负荷，但由于上述永久变形量（局部凹陷量）决定的轴承使用限度则随对轴承的性能要求及使用条件而有所不同。
因此，为分析基本额定静负荷的安全度，根据经验制定了安全系数。
fs=Co/Po..........(21)
这里：
fs:安全系数（表5）
Co:基本额定静负荷，N{kgf}
Po:当量静负荷， N{kgf}表5 安全系数fs
备注： 对于推力调心滚子轴承，取fs>=4 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/3/2004) |
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