滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算系數(shù)的探討
王黎峰
中機(jī)洛陽(yáng)軸承科技有限公司
在滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中,通常需要較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其額定壽命。滾動(dòng)軸承基本額定壽命的計(jì)算方法在 GB/T 6391-2003 / ISO281:1990 《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》 [ 1 ] 標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定,即軸承或軸承組的額定壽命為可靠度 90 %時(shí)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(lái)計(jì)算的。
滾動(dòng)軸承基本額定壽命計(jì)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(dòng)載荷, N ,(由軸承的材料和結(jié)構(gòu)決定)
P ——軸承的當(dāng)量動(dòng)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(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合,或許要求計(jì)算更高可靠度下的壽命,同時(shí),對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)合,還希望更精確、更完善地考慮軸承質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)條件對(duì)壽命的影響。隨著近代科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn),高可靠度長(zhǎng)壽命軸承的開(kāi)發(fā)以及軸承材料、制造技術(shù)的顯著改進(jìn),使軸承質(zhì)量大幅提高。( 1 )式的預(yù)測(cè)精度顯得不足和不完善。 20 世紀(jì)出現(xiàn)的彈流潤(rùn)滑理論又進(jìn)一步充實(shí)軸承工程學(xué)理論基礎(chǔ)。 1977 年新的 ISO281/ Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)中引入了三個(gè)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(shí)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(jìn)行計(jì)算[ 2 ],也可參考 GB/T 6638-2003 中給出的值,見(jiàn)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(méi)有準(zhǔn)確的給定值,文獻(xiàn)[ 3 ]推薦的參考值為:
對(duì)于常規(guī)軸承材料,即普通冶煉的軸承鋼, a 2 = 1 ;
對(duì)于特殊冶煉的真空脫氧軸承鋼, a 2 = 3 ;
對(duì)于特殊冶煉的真空重熔軸承鋼, a 2 = 5 ;
對(duì)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(shí), a 2 < 1 。
由于近年來(lái)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(guó) STLE 在大量的研究工作基礎(chǔ)上,給出了可供參考的 a 2 的推薦值,見(jiàn)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(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)條件有關(guān)。影響滾動(dòng)軸承壽命的運(yùn)轉(zhuǎn)條件有潤(rùn)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(lèi)型及熱梯度等的作用。當(dāng)潤(rùn)滑條件優(yōu)越,足以在軸承滾動(dòng)接觸表面形成彈性流體動(dòng)壓油膜時(shí),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(yùn)轉(zhuǎn)中對(duì)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(lái)反映其影響,則( 2 )式可寫(xiě)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(rùn)滑劑的粘度比κ有關(guān) [ 4 ] 。
κ= ν / ν 1
式中: ν ——潤(rùn)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(rùn)滑劑從圖 1 中查??;
ν 1 ——表示與速度有關(guān)的潤(rùn)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(duì)于潤(rùn)滑脂的工作粘度則采用基油的工作粘度。
當(dāng)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(shí),軸承不會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞,可以認(rèn)為此時(shí)軸承的疲勞壽命是無(wú)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(jì)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(jì)算值( × 10 6 r );
L 10 —— ISO 標(biāo)準(zhǔn)軸承額定壽命計(jì)算值( × 10 6 r );
a 1 ——可靠度系數(shù),見(jiàn)表 1 ;
a SKF ——新壽命理論計(jì)算系數(shù),各類(lèi)軸承的 a SKF 系數(shù)見(jiàn)圖 4 至圖 7 。
不同污染程度的 η c 值見(jiàn)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(rùn)滑油膜厚度 | 1 |
潔凈:軸承本身具有密封及所填充潤(rùn)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(rùn)滑脂不更換的典型狀況 | 0.5 |
污染:軸承無(wú)內(nèi)置密封、潤(rùn)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(dòng)軸承的壽命理論及計(jì)算方法一直是軸承行業(yè)的一個(gè)研究方向。多年來(lái),人們一直致力于提高滾動(dòng)軸承壽命的研究。對(duì)滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算公式尤其是計(jì)算系數(shù)的探討,不僅可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(dāng)然,對(duì)滾動(dòng)軸承疲勞壽命的計(jì)算,要做到十分精確也是非常困難的。只要掌握了影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命的一些因素,在設(shè)計(jì)、制造及使用過(guò)程中加以注意,那么滾動(dòng)軸承的使用壽命將會(huì)顯著延長(zhǎng)。
參考文獻(xiàn):
1. GB/T 6391-2003 / ISO281:1990 《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》
2. 《軸承壽命預(yù)測(cè)及延壽技術(shù)專(zhuān)輯》 洛陽(yáng)軸承研究所 2003 年
3. 周建南、陳長(zhǎng)征等 《軋鋼機(jī)械滾動(dòng)軸承》 冶金工業(yè)出版社 2001 年
4. 王振華 《實(shí)用軸承手冊(cè)》(第二版)上??茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社 1996 年
5. 《 SKF 軸承綜合型錄》