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 滚动轴承的寿命计算
时间:2005-12-9 13:56:56                   浏览次数:5226
一、 轴承寿命的基本概念

根据最新的滚动轴承疲劳寿命理论,一只设计优秀、材质卓越、制造精良而且安装正确的轴承,只要其承受的负荷足够轻松(不大于该轴承相应的某个持久性极限负荷值),则这个轴承的材料将永远不会产生疲劳损坏。因此,只要轴承的工作环境温度适宜而且变化幅度不大,绝对无固体尘埃、有害气体和水分侵入轴承,轴承的润滑充分而又恰到好处,润滑剂绝对纯正而无杂质,并且不会老化变质……,则这个轴承将会无限期地运转下去。

这个理论的重大意义不仅在于它提供了一个比ISO寿命方程更为可靠的预测现代轴承寿命的工具,而且在于它展示了所有滚动轴承的疲劳寿命都有着可观的开发潜力,并展示了开发这种潜力的途径,因而对轴承产品的开发、质量管理和应用技术有着深远的影响。

但是,轴承的无限只有在实验室的条件下才有可能“实现”,而这样的条件对于在一定工况下现场使用的轴承来说,既难办到也太昂贵。

现场使用轴承,其工作负荷往往大于其相应的疲劳持久性极限负荷,在工作到一定的期限后,或晚或早总会由于本身材料达致电疲劳极限,产生疲劳剥落而无法继续使用。即使某些轴承的工作负荷低于其相应的持久性极限负荷,也会由于难以根绝的轴承污染问题而发生磨损失效。总之,现场使用中的轴承或多或少总不能充分具备上述实验室所具备的那些条件,而其中任一条件稍有不足,都会缩短轴承的可用期限,这就产生了轴承的寿命问题。

一般地说,滚动轴承的寿命是指滚动轴承在实际的服务条件下(包括工作条件、环境条件和维护和保养条件等),能持续保持满足主动要求的工作性能和工作精度的特长服务期限。

二、 可计算的轴承寿命类别

滚动轴承的失效形式多种多样,但其中多数失效形式迄今尚无可用的寿命计算方法,只有疲劳寿命、磨损寿命、润滑寿命和微动寿命可以通过计算的方法定量地加以评估。

1、疲劳寿命 在润滑充分而其他使用条件正常的情况下,滚动轴承常因疲劳剥落而失效,其期限疲劳寿命可以样本查得有关数据,按规定的公式和计算程序以一定的可靠性计算出来。

2、磨损寿命 机床主轴承取大直径以保证其高刚度,所配轴承的尺寸相应也大,在其远末达到疲劳极限之前,常因磨损而丧失要精度以致无法继续使用,对这类轴承必须用磨损寿命来徇其可能性的服务期限。实际上,现场使用的轴承大多因过度磨损而失效,所以也必须考虑磨损寿命问题。

3、润滑寿命 主要对于双面带密封的脂润滑轴承,一次填脂以后不再补充加脂,此时轴承有寿命便取决于滚脂的使用寿命。

4、微动磨蚀寿命 绞车、悬臂式起微型重机和齿轮变速箱以及汽车离合器等机构中的轴承,在其非运转状态下受到振动负荷所产生的微动磨蚀损伤。往往会发展成轴承失效的主导原因,对这类机构中的轴承,有时需要计算其微动磨蚀寿命。

现将此四种寿命类别及其计算方法分别加以介绍。



一、 滚动轴承的疲劳寿命

1、 轴承疲劳寿命的基本概念

一般意义的轴承疲劳寿命是指一定技术状态下(结构、工艺状态、配合、安装、游隙和润滑状态等)的滚动轴承,在主机的实际使用状态下运转,直至滚动表面发生疲劳而不能满足主机要求时的轴承内、外圈(轴、座圈)相对旋转次数的总值——总转数。当轴承转更大致恒定或为已知,疲劳寿命可用与总转数相应的运转总小时数来表示,此外,还应注意:

1、 影响轴承疲劳寿命的因素非常多,无法全部加以估计或通过标准试验条件而加以消除,这造成轴承实际疲劳寿命有很大的离散性,因此轴承疲劳寿命的表达参数为额定寿命L10,在ISO推荐标准R281中对L10的涵义明确规定如下:

“数量上足够多的相同的一批轴承,其额定寿命L10用转数(或在转速不变时用小时数来表示,该批轴承中有90%在疲劳剥落发生前能达到或超过此转数(或小时数)”。迄今为止,世界各国都遵从上述规定。

在美国等一些国家中,还用用中值寿命的概念。中值寿命LM是指一批相同轴承的中值寿命,即指其中50%的轴承在疲劳剥落前能够达到或超过总转数,或在一定转速下的工作不时数,中值寿命LM不是一批轴承寿命的算术平均值。一般中值寿命LM是额定寿命的5倍左右。

2、 额定寿命的概念只适用于数量足够的一批轴承,而不适用于个别轴承。

例如有40套6204轴承按其使用条算得其额定寿命为1000h而不致发生疲劳破坏,其余的4套则可能不到1000h即出现疲劳失效的轴承,额定疲劳寿命的意义就代表这批轴承在正常发挥其材料潜力时可期望的寿命。因此在大多数情况下,用户在选择轴承时仍先作疲劳寿命计算,再根据实际失效类别进行校核,例如磨损寿命校核,取计算结果中的较小值为轴承计算寿命。

二、 轴承疲劳寿命的估计方法

轴承疲劳寿命的估计方法有计算方法和试验湛支两种。

按规定公式和计算规则计算出来的轴承疲劳寿命作为计算疲劳寿命,所算出总转数值规定为内圈或轴圈转动(此时外圈或座圈为固定)时的总转数值。

按照我国规定的标准试验方法(ZQ 12-94)滚动轴承疲劳寿命试验规程),在使用性能上能满足为一方法所规定各项要求的试验机,对一批轴承进行抽样疲劳寿命试验,从试验数据处理中得到的实际试验寿命,即为被试轴承所代表的该批轴承的疲劳试验寿命。

滚动轴承疲劳寿命试验裨上是充分的润滑最大限度地抑制滚动轴承的磨损因素,采用强化的负荷与转速以突出轴承疲劳因素的一种强化的疲劳寿命试验方法。

轴承疲劳寿命的计算法和疲劳寿命试验是相辅相成的,二者所得的结果有足够的对应性。

事实上,如对每一个特定的使用场合,都抽取足够数量的轴承进行寿命试验,以验证所选轴承是否合适,这在经济上、时间上和劳动量上都是十分浩大的,所以轴承寿命的试验方法只是在十分必要或重要的情况下才使用,在绝大多数情况下,采用标准的寿命计算方法来估计轴承的使用寿命,有着足够程度的可依赖性。

三、 疲劳寿命的计算

下述轴承疲劳寿命的计算方法是以国家标准GB6391-96《滚动轴承——­额定动负荷和额定寿命的计算方法》和国家标准ISO281/I-1997《滚动轴承——额定动负荷和额定寿命——第一部分:计算方法》为依据,此外,还介绍了瑞典SKF轴承公司新的轴承公司新的轴承疲劳寿命理论和疲劳寿命计算方法。

1、 疲劳寿命的基本计算公式

滚动轴承疲劳寿命的基本计算公式有多种形式,以适应不同用途的需要,以下分别加以介绍。

(1) 基本额定寿命方程(用总转数表示)

1、 几个有关的基本概念,在介绍基本额定寿命方程之前,先介绍几个相关的基本概念即:

单个轴承的疲劳寿命——单个轴承在其任一套圈(或垫圈)或滚动体的材料首次出现疲劳扩展之前,其中一个套圈(或垫圈)相对于另一套圈(或垫圈)转动的总转数。

轴承寿命的可靠性——在同一条件下运转的一组在相同条件下运转的一组条件相同的轴承,可期望达到或超过某一规定寿命的百分率,对于单个轴承,其可靠性为该轴承能达到或超过某一规定寿命的概念。

轴承的基本额定寿命——单个轴承或一组在相同条件下运转的技术条件相同的轴承,其可靠性达到90%时的寿命。

3、 基本额定寿命方程的计算式用总转数表示的轴承基本额定寿命方程的计算式为:

L10=C/P

式中 L10——轴承的基本额定疲劳寿命(106r);

C——对向心类轴承为径向当量动负荷(N),对推力类轴承为轴向当量动负荷(N);

P——对向心类轴承为径向当量动负荷(N),对推力类轴承为轴向当量动负荷(N);

ε——寿命指数,对球轴承ε=3,对滚动轴承ε=10/3。

式5-1为我国国家标准和国际标准规定的滚动轴承基本额定寿命的标准计算式。

轴承疲劳轴承寿命试验机的转数记录仪,可以准确地记录下轴承疲劳试验的总转数,得以方便与计算结果相对照。

4、 基本额定寿命方程的适用范围基本额定寿命方程5-1适用于具备以下技术条件的滚动轴承在额定疲劳寿命计算;轴承的外形尺寸选自由国家相应标准规定的轴承尺寸范围;轴承用优质淬硬钢材制造并且加工质量良好;轴承滚动接触表面的表面质量(包括几何形状精度和材质等)合乎常规标准。这些轴承必须安装正确,润滑充分,无外界杂质侵入而且不是在极端条件下运转。

当不符合这些条件时,使用式5-1的计算结果便会发生偏差。为了抵消这样的偏差,就必须将按式5-1计算所得的结果乘上相应的修正系数。

5、 基本额定寿命方程的应用限制基本额定寿命方程5-1不适用例如有装填满的深沟球轴承,或在滚动体与套圈滚道之间的接触面积上有相当大缺口的其他种类轴承,因为这种缺口影响到接触区的承载能力。

式5-1还不适用滚动体直接在轴或座孔表面上运转的场合,除非相应的轴或座孔完全按照滚动轴承承载元件的技术条件制造。

当轴承在实际使用时其所承受的负荷为非正常分布(例如由于轴线不对中,外壳或轴有较大变形,滚动体的离心力作用或其他高速效应,以及向心轴承采用特别大的游隙或施加预负荷等情况造成),按式5-1计算其基本额定寿命时,就不能取得满意的结果。

对于所有各类型轴承,当其当量动负荷Pr或Po大于其基本额定动负荷Cr或Co时,同时对于深沟球轴承,当其当量动负荷Pr大于其基本额定静负荷 Co时,式5-1的应用也受到限制,此时,轴承用户可向有关轴承制造厂询问如何计算上述轴承的疲劳寿命。

式5-1还不曾估计到诸如优质淬硬钢的特性(成分、夹杂物、组织、硬度等)或材料因素加运转条件因素对轴承疲劳寿命的影响,对于双列向心轴承和双向推力轴承,应用本公式时还必须近似地假定这些轴承是理想对称的。

2、用运转总小时数表示的基本额定寿命方程 在转速为恒定的情况下,将基本额定寿命计算公式用总小时数表示,对于确定轴承的维修与更换周期较为方便。这种公式只需将5-1加以变换即可得到,即
式中 Ln——额定疲劳寿命(h);

n——转速(r/min).

2、 用行车公里数表示的公式,在各种车辆的轮毂中使用的滚动轴承,用行车公里数来表示寿命较为方便,这样的公式是







式中 LK——额定疲劳寿命(KM);

DR——车轮的直径(mm).

3、 高可先靠性的寿命计算公式 对于某重要用途,要求轴承期望疲劳寿命的可靠性大于90%,此时高可靠性的疲劳寿命计算公式为

Ln=a1L10

式中 Ln——提高了可靠性的疲劳寿命(h);

L10——额定疲劳寿命(106r/h);

A1——可靠性疲劳寿命(106r/h);

A1——可靠性修正系数
 
 
 
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