滾動軸承壽命計算系數(shù)的探討
發(fā)布時間:2006-10-27
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滾動軸承壽命計算系數(shù)的探討

王黎峰

中機洛陽軸承科技有限公司

  在滾動軸承的設計及應用中,通常需要較為準確地預測其額定壽命。滾動軸承基本額定壽命的計算方法在 GB/T 6391-2003 / ISO281:1990 《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》 [ 1 ] 標準中有所規(guī)定,即軸承或軸承組的額定壽命為可靠度 90 %時的壽命,它是以軸承工作表面出現(xiàn)疲勞剝落之前所完成的工作轉(zhuǎn)數(shù)來計算的。

  滾動軸承基本額定壽命計算公式為:

L 10 = (C/P) ε (× 10 6 r ) ( 1 )

式中: L 10 ——軸承的基本額定壽命

C ——軸承的額定動載荷, N ,(由軸承的材料和結(jié)構(gòu)決定)

P ——軸承的當量動載荷, N ,(由軸承結(jié)構(gòu)和載荷特性決定)

ε——壽命指數(shù),球軸承為 3 ,滾子軸承為 10 / 3

  然而,對于某些應用場合,或許要求計算更高可靠度下的壽命,同時,對于許多應用場合,還希望更精確、更完善地考慮軸承質(zhì)量和運轉(zhuǎn)條件對壽命的影響。隨著近代科學技術(shù)突飛猛進,高可靠度長壽命軸承的開發(fā)以及軸承材料、制造技術(shù)的顯著改進,使軸承質(zhì)量大幅提高。( 1 )式的預測精度顯得不足和不完善。 20 世紀出現(xiàn)的彈流潤滑理論又進一步充實軸承工程學理論基礎。 1977 年新的 ISO281/ Ⅰ標準中引入了三個修正參數(shù) a 1 、 a 2 、 a 3 ,即:

L na = a 1 a 2 a 3 (C/P) ε (× 10 6 r ) ( 2 )

式中: L na ——可靠度為( 100-n ) % 時軸承的額定壽命

a 1 ——可靠度系數(shù)

a 2 ——材料系數(shù)

a 3 ——使用條件系數(shù)

可靠度系數(shù) a 1 的取值可按( 3 )式進行計算[ 2 ],也可參考 GB/T 6638-2003 中給出的值,見表 1 。

a 1 = 4.48 ×[ ln ( 100/R )] 2/3 ( 3 )

式中: R ——可靠度值, R =( 100-n )

表 1

可靠度

90 %

95 %

96 %

97 %

98 %

99 %

a 1

1.00

0.62

0.53

0.44

0.33

0.21

材料系數(shù) a 2 的取值一直沒有準確的給定值,文獻[ 3 ]推薦的參考值為:

對于常規(guī)軸承材料,即普通冶煉的軸承鋼, a 2 = 1 ;

對于特殊冶煉的真空脫氧軸承鋼, a 2 = 3 ;

對于特殊冶煉的真空重熔軸承鋼, a 2 = 5 ;

對于采用了影響軸承材料性能的特殊加工工藝,如高溫回火處理,使材料硬度降低時, a 2 < 1 。

  由于近年來軸承冶煉技術(shù)的不斷改善,軸承的使用壽命得到了較大的提高。 a 2 的取值不僅與材質(zhì)、冶煉技術(shù)有關(guān),還與成形方法、熱處理、制造方法有關(guān) [ 2 ] 。美國 STLE 在大量的研究工作基礎上,給出了可供參考的 a 2 的推薦值,見表 2 。

表 2 STLE 推薦的性能系數(shù)

材料參數(shù)

a 2

成份

AISI52100

M — 50

M — 50NiL

3

2

4

熔煉方法

大氣熔煉

真空脫氣( CVD )

真空弧重熔( VAR )

真空感應熔煉真空弧熔煉

( VIM-VAR )

1

1.5

3

6

制造工藝

向心球軸承

角接觸球軸承

鍛造成形角接觸球軸承

圓柱滾子軸承

1.2

1

1.2

1

系數(shù) a 3 的取值與軸承的運轉(zhuǎn)條件有關(guān)。影響滾動軸承壽命的運轉(zhuǎn)條件有潤滑、載荷分布和溫度,其中包括游隙、偏斜、速度、軸承座和軸的剛度、載荷類型及熱梯度等的作用。當潤滑條件優(yōu)越,足以在軸承滾動接觸表面形成彈性流體動壓油膜時,取 a 3 > 1 ;否則取 a 3 < 1 。

由于材料系數(shù) a 2 和使用條件系數(shù) a 3 在軸承運轉(zhuǎn)中對使用壽命的影響,往往存在著不可分割的關(guān)系,因此可以采用綜合修正系數(shù) a 23 來反映其影響,則( 2 )式可寫為:

L na = a 1 a 23 (C/P) ε (× 10 6 r ) ( 4 )

綜合修正系數(shù) a 23 的確定與所使用的潤滑劑的粘度比κ有關(guān) [ 4 ] 。

κ= ν / ν 1

式中: ν ——潤滑劑的工作粘度,可以根據(jù)軸承的工作溫度 t (℃)及所選用的潤滑劑從圖 1 中查??;

ν 1 ——表示與速度有關(guān)的潤滑劑的基油粘度,可以根據(jù)軸承的尺寸大小和工作速度從圖 2 中查取。

對于潤滑脂的工作粘度則采用基油的工作粘度。

當κ值確定以后,則可以從圖 3 中查出 a 23 的值。

圖 1 工作粘度 ν                      圖 2 基油粘度 ν 1

圖 3 a 23 系數(shù)圖

SKF 公司的最新壽命理論 [ 5 ] :

SKF 公司的最新壽命理論中引入了軸承疲勞極限 Pu 的新概念。所謂軸承疲勞極限 Pu 值,僅表示軸承所受載荷低于 Pu 值時,軸承不會產(chǎn)生疲勞損壞,可以認為此時軸承的疲勞壽命是無限的。 Pu 值已在 SKF 公司的最新樣本中公布。 SKF 公司的最新壽命理論計算公式是:

L naa = a 1 a SKF L 10 ( 5 )

式中: L naa ——新壽命理論額定壽命計算值( × 10 6 r );

L 10 —— ISO 標準軸承額定壽命計算值( × 10 6 r );

a 1 ——可靠度系數(shù),見表 1 ;

a SKF ——新壽命理論計算系數(shù),各類軸承的 a SKF 系數(shù)見圖 4 至圖 7 。

不同污染程度的 η c 值見表 3 。

表 3 不同污染程度的 η c 值

條件

η c

極凈:污染物顆粒直徑小于潤滑油膜厚度

1

潔凈:軸承本身具有密封及所填充潤滑脂不更換的典型狀況

0.8

普通:軸承本身具有防塵蓋及所填充潤滑脂不更換的典型狀況

0.5

污染:軸承無內(nèi)置密封、潤滑油濾芯質(zhì)差,外界污染易入侵狀況

0.5…0.1

極污

0


 

  滾動軸承的壽命理論及計算方法一直是軸承行業(yè)的一個研究方向。多年來,人們一直致力于提高滾動軸承壽命的研究。對滾動軸承壽命計算公式尤其是計算系數(shù)的探討,不僅可以較為準確地預測軸承的使用壽命,也為軸承延壽技術(shù)的研究指明了方向。當然,對滾動軸承疲勞壽命的計算,要做到十分精確也是非常困難的。只要掌握了影響滾動軸承疲勞壽命的一些因素,在設計、制造及使用過程中加以注意,那么滾動軸承的使用壽命將會顯著延長。

參考文獻:

1. GB/T 6391-2003 / ISO281:1990 《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》

2. 《軸承壽命預測及延壽技術(shù)專輯》 洛陽軸承研究所 2003 年

3. 周建南、陳長征等 《軋鋼機械滾動軸承》 冶金工業(yè)出版社 2001 年

4. 王振華 《實用軸承手冊》(第二版)上??茖W技術(shù)文獻出版社 1996 年

5. 《 SKF 軸承綜合型錄》

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