Transcript 滚动轴承的运动学和基本（修正）额定寿命的计算方法

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上海盛运机械工程有限公司
冒 维 鹏
2013年06月27日
滚动轴承的运动学、基本
及修正额定寿命计算方法
上海盛运机械工程有限公司
盛运股份（上海）传动研究所
论文摘要
滚动轴承是机械传动中应用最为
广泛的元件之一，在设计选用轴承时
常参考各类设计手册进行轴承寿命的
计算，但按“此”推荐轴承的基本额
定寿命计算方法算出的计算寿命值往
往低于实际使用的寿命，在设计阶段
只好选用大规格轴承，造成资源浪费。
论文摘要
我国于2011年颁布了国家标准
GB/T6391-2010（等同采用
ISO281：2007）。结合工程实践
和国标给出的修正基本额定寿命的
计算方法，经过实际应用采用该标
准计算轴承寿命比较切合实际。
一、滚动轴承的运动学与动力学
二、滚动轴承基本额定寿命计算
三、修正额定寿命的计算
四、计算实例
五、结束语
一、滚动轴承的运动学与动力学
径向轴承可看作2k-h，A型行星机构，
而径向推力与推力轴承看作2k-h，E型行星
机构。我们把轴承的内圈a，外圈b，保持
架h和滚动体g分别看作该机构的太阳轮、
内齿圈、行星架和行星轮。内圈不转时，
保持架转速较高，而滚动体受载频繁，应
力变化循环次数较多，这就是当轴承内圈
固定外圈旋转时，计算轴承寿命时当量载
荷乘以旋转系数1.2的原因。
一、滚动轴承的运动学与动力学
内圈a固定时，由于外圈所受外力在圆周
方向顺次地为套圈滚道各个部位所承受，外圈
受载特性为循环载荷。此时外圈与孔的配合一
般用M7，K7，P7，这时内圈a受载特性为局
部载荷，即由套圈滚道的固定局部区域承受。
内圈与轴的配合一般用g6，h6，f6等。
•
外圈b固定时，内圈受载特性为循环载荷，
因此，内圈与轴的配合可用m6，n6，k6等。
这时外圈b承受局部载荷，外圈与孔的配合一
般用H7，H8等。
•
二、滚动轴承基本额定寿命计算
根据在轴承上的作用力、要求的工作寿
命、可靠度和轴承的额定动静负荷（C，C0）
值，初定轴承的规格。有时应对轴承的动、
静负荷分别独立验算。例如，用于盾构掘进
机回转支承的三滚道轴承，由于滚动体直径
较大且外圈旋转，其滚动体受载频繁，应力
变化循环次数较多，又因回转支承转速小于
10 r/min，除了按载荷谱验算其动负荷外，
还应验算静负荷。
二、滚动轴承基本额定寿命计算
在滚动轴承计算中，考虑的应力因素有：
滚动体与套圈运动时的接触应力和由表面结
构、润滑状况而引起的应力等，要精确计算
这些应力十分复杂，在实际的工程设计中常
用简化的计算方法。国家标准GB/T63912010 “滚动轴承额定动负荷和额定寿命”
中规定的寿命计算公式是以滚动体与套圈滚
道间的接触疲劳损伤（金属疲劳损伤）作为
主要原因而建立的。
二、滚动轴承基本额定寿命计算
虽然保持架、润滑剂和密封（防污染）
等系统因素亦影响轴承使用寿命，但在实际
应用中金属疲劳还是影响轴承使用寿命的主
要因素。根据国家标准，额定动负荷与寿命
是指滚动体与套圈在接触动态应力作用下，
首先出现金属疲劳剥落（spalling）和片蚀
（flaking）迹象之前（可靠度为90%）轴承
能达到的转速（即106），或在一定转速下
达到的工作小时数L ，即轴承的基本额定寿
命。
10h
二、滚动轴承基本额定寿命计算
在下列情况下轴承应按静负荷计算，转
速小于10 r/min或承受缓慢往复摆动负荷和
长时间的静止负荷。轴承样本上给出的额定
静负荷C。建立在负荷最重的滚动体与滚道
接触中心位置时的应力（球轴承：
4200~4600 Mpa、滚子轴承：4000 Mpa）
基础之上。在上述接触应力作用下，滚动体
直径产生10-4mm的变形。基本额定静负荷
以计算S。（ 安全系数）值进行验算。
二、滚动轴承基本额定寿命计算
• 对于球面滚子推力轴承，建议S。≥4。
• 在未知冲击值的情况下，S。值不应小
于国家标准提供的参考值，如能确定冲
击值，可根据具体冲击值计算并采用相
应的S。值。
三、修正额定寿命的计算
目前，国内工程技术设计人员常用轴承
的基本额定寿命公式计算轴承额定寿命L ，
即计算出以90%可靠度、质量合格轴承及
一般使用条件下的期望寿命。但经多年实
践，当采用质量有保证的轴承，在良好的
润滑与密封条件和低于某一赫兹接触应力
工作时的轴承，其实际使用寿命远远高于
计算寿命。为此，国家标准GB/T63912010提出了修正额定寿命的计算公式。
10h
三、修正额定寿命Lnm的计算
Lnm= a1 aISO L10
两个修正系数的引入：
1、可靠度寿命修正系数a1 ；
90%, a1=1,随可靠度增大而减小；
2、系统方法计算时的修正系数aISO 。
三、修正额定寿命的计算
系统方法计算时的修正系数aISO
利用修正额定寿命计算时还应考虑修正系数
aISO=f(ecCu/P,k) ，影响该系数有如下因素
Cu/P/ec/k ：
1、疲劳负荷极限值Cu ；
2、当量载荷P；
3、污染系数ec：污染程度，密封，污染物颗粒
（硬度，过滤精度…）；
4、粘度比k：实际运动粘度v/额定运动粘度v1
润滑（润滑剂类型，粘度，添加剂等）
四、计算实例一
•
SIEMENS B3SH13A型弧齿锥齿轮-圆
柱齿轮减速器。额定功率455kW，输入转
速（高速级，电动机驱动）n=1500r/min，
高速轴采用SKF 32318E圆锥滚子轴承，
90X190X67.5，“背靠背”安装。
•
C=457kN，C0=610kN，Cu=67kN，
P=88.7kN，油润滑，假设工作条件高度清
洁，ec=0.8，90%可靠度，分别计算基本额
定寿命和修正（ISO）额定寿命。
四、计算实例一
• （1）基本额定寿命：
• L10=(C/P) ε=58.7 (百万转)
• L10h=1000000/60n L10 =652（小时）
（2）修正（ISO）额定寿命：
•
假设轴承的工作温度为80℃，计算出粘
度比k=v/v1=32/8.5=3.76，查图 aISO=6
• Lnm（h）= a1 aISO L10(L10h)=1*6*652=3912（小
时）
四、计算实例二
SKF 6309球轴承，受径向载荷
Fr=10kN，C=55.3kN，转速n=3000r/min，
油润滑，正常工作时实际运动粘度v=20
mm2/s，假定工作条件非常清洁，90%可靠
度，分别计算基本额定寿命和修正（ISO）
额定寿命。
四、计算实例二
• （1）基本额定寿命：
• L10=(C/P) ε=169 (百万转)
• L10h=1000000/60n L10 =940（小时）
（2）修正（ISO）额定寿命：
•
假设轴承的工作温度为80℃，计算出粘
度比k=v/v1=20/8.15=2.45，查图 aISO=8
• Lnm（h）= a1 aISO L10(L10h)=1*8*940=7520（小
时）
五、结 束 语
• 1、使用工况类似情况下，球轴承的修正系
数aISO比 滚子轴承的修正系数aISO要大。
• 2、影响aISO值的要素有粘度比k，清洁度ec
及极限载荷比等。在工作温度时的实际运
动粘度v适当增大时，k值增大，对轴承寿
命有利。另外，清洁度越高，疲劳负荷极
限增大，轴承寿命增大。
• 3、建议在实际工程设计时，尤其是优化设
计阶段，轴承的寿命计算应重视修正计算
法的采用。
恳请各位前辈和同行评议指正
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冒 维 鹏
2013年06月27日