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?滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算

一、 軸承壽命的基本概念 
    根據(jù)的滾動(dòng)軸承疲勞壽命理論，一只設(shè)計(jì)優(yōu)秀、材質(zhì)、制造精良而且安裝正確的軸承，只要其承受的負(fù)荷足夠輕松（不大于該軸承相應(yīng)的某個(gè)持久性極限負(fù)荷值），則這個(gè)軸承的材料將永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞。因此，只要軸承的工作環(huán)境溫度適宜而且變化幅度不大，無(wú)固體塵埃、有害氣體和水分侵入軸承，軸承的潤(rùn)滑充分而又恰到好處，潤(rùn)滑劑純正而無(wú)雜質(zhì)，并且不會(huì)老化變質(zhì)……，則這個(gè)軸承將會(huì)無(wú)限期地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。 
    這個(gè)理論的重大意義不僅在于它提供了一個(gè)比ISO壽命方程更為可靠的預(yù)測(cè)現(xiàn)代軸承壽命的工具，而且在于它展示了所有滾動(dòng)軸承的疲勞壽命都有著可觀的開(kāi)發(fā)潛力，并展示了開(kāi)發(fā)這種潛力的途徑，因而對(duì)軸承產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、質(zhì)量管理和應(yīng)用技術(shù)有著深遠(yuǎn)的影響。 
    但是，軸承的無(wú)限只有在實(shí)驗(yàn)室的條件下才有可能“實(shí)現(xiàn)”，而這樣的條件對(duì)于在一定工況下現(xiàn)場(chǎng)使用的軸承來(lái)說(shuō)，既難辦到也太昂貴。 
    現(xiàn)場(chǎng)使用軸承，其工作負(fù)荷往往大于其相應(yīng)的疲勞持久性極限負(fù)荷，在工作到一定的期限后，或晚或早總會(huì)由于本身材料達(dá)致電疲勞極限，產(chǎn)生疲勞剝落而無(wú)法繼續(xù)使用。即使某些軸承的工作負(fù)荷低于其相應(yīng)的持久性極限負(fù)荷，也會(huì)由于難以根絕的軸承污染問(wèn)題而發(fā)生磨損失效。總之，現(xiàn)場(chǎng)使用中的軸承或多或少總不能充分具備上述實(shí)驗(yàn)室所具備的那些條件，而其中任一條件稍有不足，都會(huì)縮短軸承的可用期限，這就產(chǎn)生了軸承的壽命問(wèn)題。 
    一般地說(shuō)，滾動(dòng)軸承的壽命是指滾動(dòng)軸承在實(shí)際的服務(wù)條件下（包括工作條件、環(huán)境條件和維護(hù)和保養(yǎng)條件等），能持續(xù)保持滿足主動(dòng)要求的工作性能和工作精度的特長(zhǎng)服務(wù)期限。 
    
    二、 可計(jì)算的軸承壽命類別 
    滾動(dòng)軸承的失效形式多種多樣，但其中多數(shù)失效形式迄今尚無(wú)可用的壽命計(jì)算方法，只有疲勞壽命、磨損壽命、潤(rùn)滑壽命和微動(dòng)壽命可以通過(guò)計(jì)算的方法定量地加以評(píng)估。 
    1、疲勞壽命 在潤(rùn)滑充分而其他使用條件正常的情況下，滾動(dòng)軸承常因疲勞剝落而失效，其期限疲勞壽命可以樣本查得有關(guān)數(shù)據(jù)，按規(guī)定的公式和計(jì)算程序以一定的可靠性計(jì)算出來(lái)。 
    2、磨損壽命 機(jī)床主軸承取大直徑以保證其高剛度，所配軸承的尺寸相應(yīng)也大，在其遠(yuǎn)末達(dá)到疲勞極限之前，常因磨損而喪失要精度以致無(wú)法繼續(xù)使用，對(duì)這類軸承必須用磨損壽命來(lái)徇其可能性的服務(wù)期限。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)使用的軸承大多因過(guò)度磨損而失效，所以也必須考慮磨損壽命問(wèn)題。 
    3、潤(rùn)滑壽命 主要對(duì)于雙面帶密封的脂潤(rùn)滑軸承，一次填脂以后不再補(bǔ)充加脂，此時(shí)軸承有壽命便取決于滾脂的使用壽命。 
    4、微動(dòng)磨蝕壽命 絞車、懸臂式起微型重機(jī)和齒輪變速箱以及汽車離合器等機(jī)構(gòu)中的軸承，在其非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到振動(dòng)負(fù)荷所產(chǎn)生的微動(dòng)磨蝕損傷。往往會(huì)發(fā)展成軸承失效的主導(dǎo)原因，對(duì)這類機(jī)構(gòu)中的軸承，有時(shí)需要計(jì)算其微動(dòng)磨蝕壽命。 

    現(xiàn)將此四種壽命類別及其計(jì)算方法分別加以介紹。 
    一、 滾動(dòng)軸承的疲勞壽命 
    1、 軸承疲勞壽命的基本概念 
    一般意義的軸承疲勞壽命是指一定技術(shù)狀態(tài)下（結(jié)構(gòu)、工藝狀態(tài)、配合、安裝、游隙和潤(rùn)滑狀態(tài)等）的滾動(dòng)軸承，在主機(jī)的實(shí)際使用狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，直至滾動(dòng)表面發(fā)生疲勞而不能滿足主機(jī)要求時(shí)的軸承內(nèi)、外圈（軸、座圈）相對(duì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)的總值——總轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)更大致恒定或?yàn)橐阎?，疲勞壽命可用與總轉(zhuǎn)數(shù)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)來(lái)表示，此外，還應(yīng)注意： 
    1、 影響軸承疲勞壽命的因素非常多，無(wú)法全部加以估計(jì)或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件而加以消除，這造成軸承實(shí)際疲勞壽命有很大的離散性，因此軸承疲勞壽命的表達(dá)參數(shù)為額定壽命L10,在ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)R281中對(duì)L10的涵義明確規(guī)定如下： 
    “數(shù)量上足夠多的相同的一批軸承，其額定壽命L10用轉(zhuǎn)數(shù)（或在轉(zhuǎn)速不變時(shí)用小時(shí)數(shù)來(lái)表示，該批軸承中有90%在疲勞剝落發(fā)生前能達(dá)到或超過(guò)此轉(zhuǎn)數(shù)（或小時(shí)數(shù)）”。迄今為止，世界各國(guó)都遵從上述規(guī)定。 
    在美國(guó)等一些國(guó)家中，還用用中值壽命的概念。中值壽命LM是指一批相同軸承的中值壽命，即指其中50%的軸承在疲勞剝落前能夠達(dá)到或超過(guò)總轉(zhuǎn)數(shù)，或在一定轉(zhuǎn)速下的工作不時(shí)數(shù)，中值壽命LM不是一批軸承壽命的算術(shù)平均值。一般中值壽命LM是額定壽命的5倍左右。 
    2、 額定壽命的概念只適用于數(shù)量足夠的一批軸承，而不適用于個(gè)別軸承。 
    例如有40套6204軸承按其使用條算得其額定壽命為1000h而不致發(fā)生疲勞破壞，其余的4套則可能不到1000h即出現(xiàn)疲勞失效的軸承，額定疲勞壽命的意義就代表這批軸承在正常發(fā)揮其材料潛力時(shí)可期望的壽命。因此在大多數(shù)情況下，用戶在選擇軸承時(shí)仍先作疲勞壽命計(jì)算，再根據(jù)實(shí)際失效類別進(jìn)行校核，例如磨損壽命校核，取計(jì)算結(jié)果中的較小值為軸承計(jì)算壽命。 
    二、 軸承疲勞壽命的估計(jì)方法 、
    軸承疲勞壽命的估計(jì)方法有計(jì)算方法和試驗(yàn)湛支兩種。 
    按規(guī)定公式和計(jì)算規(guī)則計(jì)算出來(lái)的軸承疲勞壽命作為計(jì)算疲勞壽命，所算出總轉(zhuǎn)數(shù)值規(guī)定為內(nèi)圈或軸圈轉(zhuǎn)動(dòng)（此時(shí)外圈或座圈為固定）時(shí)的總轉(zhuǎn)數(shù)值。 
    按照我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（ZQ 12-94）滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)規(guī)程），在使用性能上能滿足為一方法所規(guī)定各項(xiàng)要求的試驗(yàn)機(jī)，對(duì)一批軸承進(jìn)行抽樣疲勞壽命試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中得到的實(shí)際試驗(yàn)壽命，即為被試軸承所代表的該批軸承的疲勞試驗(yàn)壽命。 
    滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)裨上是充分的潤(rùn)滑限度地抑制滾動(dòng)軸承的磨損因素，采用強(qiáng)化的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速以突出軸承疲勞因素的一種強(qiáng)化的疲勞壽命試驗(yàn)方法。 
    軸承疲勞壽命的計(jì)算法和疲勞壽命試驗(yàn)是相輔相成的，二者所得的結(jié)果有足夠的對(duì)應(yīng)性。 
    事實(shí)上，如對(duì)每一個(gè)特定的使用場(chǎng)合，都抽取足夠數(shù)量的軸承進(jìn)行壽命試驗(yàn)，以驗(yàn)證所選軸承是否合適，這在經(jīng)濟(jì)上、時(shí)間上和勞動(dòng)量上都是十分浩大的，所以軸承壽命的試驗(yàn)方法只是在十分必要或重要的情況下才使用，在絕大多數(shù)情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)的壽命計(jì)算方法來(lái)估計(jì)軸承的使用壽命，有著足夠程度的可依賴性。 
    三、 疲勞壽命的計(jì)算 
    下述軸承疲勞壽命的計(jì)算方法是以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6391-96《滾動(dòng)軸承——-額定動(dòng)負(fù)荷和額定壽命的計(jì)算方法》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ISO281/I-1997《滾動(dòng)軸承——額定動(dòng)負(fù)荷和額定壽命——部分:計(jì)算方法》為依據(jù)，此外，還介紹了瑞典SKF軸承公司新的軸承公司新的軸承疲勞壽命理論和疲勞壽命計(jì)算方法。 
    1、 疲勞壽命的基本計(jì)算公式 
    滾動(dòng)軸承疲勞壽命的基本計(jì)算公式有多種形式，以適應(yīng)不同用途的需要，以下分別加以介紹。 
    （1） 基本額定壽命方程（用總轉(zhuǎn)數(shù)表示） 
    1、 幾個(gè)有關(guān)的基本概念，在介紹基本額定壽命方程之前，先介紹幾個(gè)相關(guān)的基本概念即： 
    單個(gè)軸承的疲勞壽命——單個(gè)軸承在其任一套圈（或墊圈）或滾動(dòng)體的材料出現(xiàn)疲勞擴(kuò)展之前，其中一個(gè)套圈（或墊圈）相對(duì)于另一套圈（或墊圈）轉(zhuǎn)動(dòng)的總轉(zhuǎn)數(shù)。 
    軸承壽命的可靠性——在同一條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的一組在相同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的一組條件相同的軸承，可期望達(dá)到或超過(guò)某一規(guī)定壽命的百分率，對(duì)于單個(gè)軸承，其可靠性為該軸承能達(dá)到或超過(guò)某一規(guī)定壽命的概念。 
    軸承的基本額定壽命——單個(gè)軸承或一組在相同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)條件相同的軸承，其可靠性達(dá)到90%時(shí)的壽命。 
    3、 基本額定壽命方程的計(jì)算式用總轉(zhuǎn)數(shù)表示的軸承基本額定壽命方程的計(jì)算式為： 
    L10=C/P 
    式中 L10——軸承的基本額定疲勞壽命（106r）; 
    C——對(duì)向心類軸承為徑向當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷（N），對(duì)推力類軸承為軸向當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷（N）； 
    P——對(duì)向心類軸承為徑向當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷（N），對(duì)推力類軸承為軸向當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷（N）； 
    ε——壽命指數(shù)，對(duì)球軸承ε=3，對(duì)滾動(dòng)軸承ε=10/3。 
    式5-1為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的滾動(dòng)軸承基本額定壽命的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算式。 
    軸承疲勞軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)記錄儀，可以準(zhǔn)確地記錄下軸承疲勞試驗(yàn)的總轉(zhuǎn)數(shù)，得以方便與計(jì)算結(jié)果相對(duì)照。 
    4、 基本額定壽命方程的適用范圍基本額定壽命方程5-1適用于具備以下技術(shù)條件的滾動(dòng)軸承在額定疲勞壽命計(jì)算；軸承的外形尺寸選自由國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承尺寸范圍；軸承用優(yōu)質(zhì)淬硬鋼材制造并且加工質(zhì)量良好；軸承滾動(dòng)接觸表面的表面質(zhì)量（包括幾何形狀精度和材質(zhì)等）合乎常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。這些軸承必須安裝正確，潤(rùn)滑充分，無(wú)外界雜質(zhì)侵入而且不是在條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。 
    當(dāng)不符合這些條件時(shí)，使用式5-1的計(jì)算結(jié)果便會(huì)發(fā)生偏差。為了抵消這樣的偏差，就必須將按式5-1計(jì)算所得的結(jié)果乘上相應(yīng)的修正系數(shù)。 
    5、 基本額定壽命方程的應(yīng)用限制基本額定壽命方程5-1不適用例如有裝填滿的深溝球軸承，或在滾動(dòng)體與套圈滾道之間的接觸面積上有相當(dāng)大缺口的其他種類軸承，因?yàn)檫@種缺口影響到接觸區(qū)的承載能力。 
    式5-1還不適用滾動(dòng)體直接在軸或座孔表面上運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，除非相應(yīng)的軸或座孔按照滾動(dòng)軸承承載元件的技術(shù)條件制造。 
    當(dāng)軸承在實(shí)際使用時(shí)其所承受的負(fù)荷為非正常分布（例如由于軸線不對(duì)中，外殼或軸有較大變形，滾動(dòng)體的離心力作用或其他高速效應(yīng)，以及向心軸承采用特別大的游隙或施加預(yù)負(fù)荷等情況造成），按式5-1計(jì)算其基本額定壽命時(shí)，就不能取得滿意的結(jié)果。 
    對(duì)于所有各類型軸承，當(dāng)其當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷Pr或Po大于其基本額定動(dòng)負(fù)荷Cr或Co時(shí)，同時(shí)對(duì)于深溝球軸承，當(dāng)其當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷Pr大于其基本額定靜負(fù)荷 Co時(shí)，式5-1的應(yīng)用也受到限制，此時(shí)，軸承用戶可向有關(guān)軸承制造廠詢問(wèn)如何計(jì)算上述軸承的疲勞壽命。 
    式5-1還不曾估計(jì)到諸如優(yōu)質(zhì)淬硬鋼的特性（成分、夾雜物、組織、硬度等）或材料因素加運(yùn)轉(zhuǎn)條件因素對(duì)軸承疲勞壽命的影響，對(duì)于雙列向心軸承和雙向推力軸承，應(yīng)用本公式時(shí)還必須近似地假定這些軸承是理想對(duì)稱的。 
    2、用運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)表示的基本額定壽命方程 在轉(zhuǎn)速為恒定的情況下，將基本額定壽命計(jì)算公式用總小時(shí)數(shù)表示，對(duì)于確定軸承的維修與更換周期較為方便。這種公式只需將5-1加以變換即可得到，即 
    式中 Ln——額定疲勞壽命（h）; 
    n——轉(zhuǎn)速（r/min）. 
    2、 用行車公里數(shù)表示的公式，在各種車輛的輪轂中使用的滾動(dòng)軸承，用行車公里數(shù)來(lái)表示壽命較為方便，這樣的公式是 
    式中 LK——額定疲勞壽命（KM）； 
    DR——車輪的直徑（mm）. 
    3、 高可先靠性的壽命計(jì)算公式 對(duì)于某重要用途，要求軸承期望疲勞壽命的可靠性大于90%,此時(shí)高可靠性的疲勞壽命計(jì)算公式為 
    Ln=a1L10 
    式中 Ln——提高了可靠性的疲勞壽命（h）; 
    L10——額定疲勞壽命（106r/h）; 
    A1——可靠性疲勞壽命（106r/h）; 
    A1——可靠性修正系數(shù)。

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