滚动轴承扩展寿命计算方法及影响因素研究

1、第35卷󰀁第12期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁滚动轴承扩展寿命计算方法及影响因素研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁19󰀁文章编号:1004-

2、2539(2011)12-0019-04滚动轴承扩展寿命计算方法及影响因素研究王征兵󰀁刘忠明(郑州机械研究所研发中心,󰀁河南郑州󰀁450052)(机械工业齿轮传动工程实验室,󰀁河南郑州󰀁450001)摘要󰀁介绍了滚动轴承寿命计算方法及其特点,根据ISO281:2007详细描述了滚动轴承寿命修正系数的计算方法,并结合算例对影响轴承寿命的主要因素进行了分析。关键词󰀁滚动轴承󰀁寿命修正系数󰀁影响因素StudyonCalculationMethodandInf

3、luencingFactorofRollingBearingModifiedRatingLifeWangZhengbing󰀁LiuZhongming(Research&DevelopmentCenter,ZhengzhouResearchInstituteofMechanicalEngineering,Zhengzhou450052,China)(GearTransmissionEngineeringLaboratoryofMechanicalIndustry,Zhengzhou450001,China)Abstract󰀁Calculationmetho

4、dsofrollingbearingsfatiguelifeandtheircharacteristicsareintroduced.BasedonISO281:2007,calculationmethodoflifemodifiedcoefficientisdescribedindetail.Combinedwithanexampleofrollingbearinglifecalculation,somefactorsaffectingbearinglifeareanalyzed.Keywords󰀁Rollingbearing󰀁Lifemodifiedcoef

5、ficient󰀁Influencingfactor1.1󰀁基本额定寿命计算关于轴承基本额定寿命计算,多数轴承厂家采用的方法基本相同。依据参考文献310-19规定,轴承的基本额定寿命为L10=(C/P)󰀁式中󰀁C󰀁󰀁󰀁基本额定动载荷P󰀁󰀁󰀁当量动载荷󰀁󰀁󰀁󰀁寿命指数,对于球轴承为3,对于滚子轴承为10/3L10󰀁󰀁󰀁可靠度为90

6、%的轴承基本额定寿命,106转轴承的基本额定寿命仅适用于90%可靠度的寿命评估,式(1)中只考虑了载荷,没有考虑轴承材料洁净度以及轴承工作中摩擦、润滑、污染、温度等因素的影响。要得到与运行环境相对应的较为准确的轴承寿命,需对寿命公式加以扩展。1.2󰀁修正额定寿命计算当轴承的可靠度要求不同,或者希望说明轴承在参考条件下运转和实际环境之间的关系时,应采用修正的额定寿命。世界著名的轴承厂商如SKF、FAG、I(1)0󰀁引言滚动轴承以点接触或线接触的形式,在高的交变接触应力下长期工作,其工作部位多位于主机的心脏或关节等要害处。主机的精度、寿命和可靠性很大程度上取决于轴承

7、,因此对其寿命、性能和可靠性都提出很高的要求。滚动轴承作为机械设备中重要的部件之一,也是较易损坏的部件。统计表明,在使用滚动轴承的旋转机械中,大约有30%的机械故障是由滚动轴承引起的;感应电机故障中的滚动轴承故障约占电机故障的40%左右;在风电齿轮箱各类故障中,约有50%的故障与轴承的选型、润滑和使用有关。因此,研究较为准确的轴承寿命计算方法及对影响轴承寿命的各类因素进行深入分析十分必要129。1󰀁滚动轴承寿命计算方法工程中,关于滚动轴承的寿命计算方法有很多,如基本额定寿命计算、考虑各种修正系数的扩展寿命计󰀁20󰀁󰀁𘀀

8、1;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁机械传动󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

9、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年定寿命计算方法。表1为主要修正额定寿命计算方法的对比。表1󰀁轴承修正额定寿命计算方法对比计算方法ISO281:2007FAGSKFINA修正额定寿命Lnm=a1aISOL10Lnm=L10=(C/P)󰀁a1a23L10Lnm=a1aSKFL10备󰀁󰀁注aISO:寿命修正系数a23:材料和工作条件系数aSKF:寿命修正系数工作表面的润滑状况

10、和污染状况,分别由黏度比k和清洁度系数ec表示。Lnm=a1avcL10avc:运转条件修正系数󰀁󰀁由于轴承内部金属材料的均匀性等原因,即使是在相同的工况下,轴承也不可能具有完全一样的疲劳寿命。可靠度寿命修正系数a1就是考虑可靠度不是90%时,对寿命的修正。计算公式为2/3)+0.05a1=4.26(lnR式中󰀁R󰀁󰀁󰀁可靠度(2)图1󰀁ISO281轴承寿命修正系数计算流程图2.1󰀁黏度比k润滑的有效性主要取决于润滑油膜对两滚动接触表面的分离程度。要形成充分的润滑油膜

11、,润滑剂在正常工作温度下必须保持一定的最小黏度。黏度比k就是用来描述油膜形成能力的指标,它是润滑剂的实际工作黏度与所在工况下形成润滑所需的最小黏度的比值。k=1式中󰀁k󰀁󰀁󰀁黏度比󰀁󰀁󰀁󰀁润滑剂实际工作黏度,mm/s󰀁1󰀁󰀁󰀁参考黏度,mm/s润滑剂的工作黏度取决于工作温度和40󰀁时的公称黏度,由黏温(󰀁,t)曲线得到。参考黏度󰀁1由滚子组节圆直径Dpw和轴

12、承转速n确定。在轴承工作温度和压力下,为了在两滚动接触表面形成一个足够把两表面分开的润滑油膜,润滑剂必须保持一定的最小黏度,以减少轴承摩擦,提高轴承寿命。󰀁1的计算公式为󰀁1=45000n-0.83从表1中可以看出,标准ISO281:2007引入寿命修正系数aISO,该系数除了考虑了几何尺寸和轴承材料的影响外,突出考虑了轴承工作时的润滑和污染状况;FAG引入材料和工作条件系数a23,它包括基本系数a23󰀁和清洁度系数S两部分;SKF方法则引入寿命修正系数aSKF;INA则引入运转条件系数avc,该系数考虑了材料的疲劳载荷极限,润滑、载荷和润滑间隙

13、污染物之间的相互关系,摩擦特性及轴承中的载荷分布等。标准ISO281:2007基于疲劳载荷极限和系统方法的思想,给出了寿命修正系数具体的计算公式,FAG和SKF计算方法类似;所不同的是,FAG将修正系数的计算分为基本值和清洁度系数两部分,将污染物的影响作为一个单独的方面考虑,并限定基本值不超过3.8,而SKF只是将污染物作为影响轴承寿命的一个因素隐含在某一系数之中,通过给定的条件得到数值不超过50的修正系数;在压力的影响方面,FAG是通过压力对黏度比和清洁度的影响来间接体现对修正系数的影响,而SKF计算方法则是将压力、黏度比、清洁度作为影响修正系数的因素。这些计算方法只是形式上的差异,本质上是

14、一致的。210-11(3)Dpw-0.5,n<1000r/min4500nDpw,n󰀁1000r/min此外,滚动接触表面间的压力也会改变润滑剂的黏度,在弹性流体动力润滑条件下,当工作压力较高时,就要考虑这一影响。图2是黏度比k的计算流程图。-0.5-0.5(4)2󰀁寿命修正系数计算方法现行的ISO281:2007󰀁Rollingbearings󰀁Dynamicloadratingsandratinglife󰀁提出了寿命修正系数aISO,并给出了具体的计算公式。图1为寿命修正系数的计算流程图。从图1中可以看出

15、,标准给出的计算方法突出考虑了润滑和污染对轴承寿命的影响。在由几何参数和轴承材料决定的疲劳载荷极限Cu和当量动载荷P一a图2󰀁黏度比的计算流程图上述黏度比k的计算方法基于一般运行状况和轴承滚道接触表面采用超精研加工。在载荷过重、滚第35卷󰀁第12期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁滚动轴承扩展寿命计算方法及影响因素研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

16、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁21󰀁动接触表面综合粗糙度较大(如滚道表面采用非超精研加工成形)、轴承转速过低或过高等特别情况下,润滑油膜较薄或膜厚比较小,此时,󰀁/󰀁1的比值已经不能正确反映润滑剂将滚动接触表面分离的程度4。对滚道表面采用非超精研加工成形的情况,标准引入油膜参数󰀁来计算黏度比,关系式为k󰀁󰀁1.3式中♦

17、41;󰀁󰀁󰀁󰀁膜厚比2.2󰀁清洁度系数ec轴承使用过程中,一些灰尘、微粒等污染物可能会侵入润滑剂中,随着滚动体反复挤压这些微粒,在滚道上就会形成永久性的凹坑和麻点,由于凹坑边缘处应力较大,易形成应力集中,在交变应力作用下,易形成宏观裂纹,造成轴承提早失效。因此,引入清洁度系数的概念来说明污染对轴承寿命的影响程度。在精度要求不高时,根据滚子组节圆直径Dpw和污染水平,ec的数值可由文献3中相应的表中查取;否则,应根据文献332-41中附录A进行精确计算。根据文献328-29中相应的公式即得到寿命修正系数的计算结果。标

18、准对于不同类型的轴承,给出了不同的寿命修正系数计算公式,如对于径向滚子轴承有ecCu0.4)0.11-(1.5859-0.054381)(Pk󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁0.1󰀁k<0.4cu0.40.11-(1.5859-0.19087)()PkaISO=󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

19、83041;0.4󰀁k<1ecCu0.40.11-(1.5859-)(P)k󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1󰀁k󰀁4-9.185-9.18524P=Fr=130kN。2)从轴承综合型录中查得轴承的额定动载荷C=968kN,疲劳载荷极限Cu=156kN。3)基本额定寿命计算6󰀁610/3L10h=()=()=136273.64h60nP60󰀁98.61304)确定

20、寿命修正系数:通过查询和计算得:Dpw=490mm,黏度比k=2.49,Cu/P=1.2,清洁度系数取0.8,根据式(6)计算得到aISO=15.46。5)可靠度为90%,故a1取1,根据表1中公式可得修正额定寿命为2106790.47h。轴承寿命的精确计算是基于对轴承寿命影响因素全面而合理的分析。轴承的运行温度、转速、载荷、润滑油黏度及清洁度等因素对轴承寿命的影响十分复杂,为了直观地分析它们对寿命修正系数的影响,我们依据上例在其他工作条件保持不变的情况下,通过改变工作温度、工作转速、载荷和清洁度系数对寿命修正系数进行了计算,结果如图3图6所示。(5),图3󰀁温度对寿命修正系数

21、的影响-9.185,(6)由式(6)可以看出,在轴承类型、材料、几何尺寸、工作条件等确定的情况下,寿命修正系数aISO与黏度比k和清洁度系数ec成正相关的关系,轴承修正额定寿命通过寿命修正系数与黏度比和清洁度系数紧密相关。aISO极限范围为0.150,最大值是最小值的500倍,可见k和ec的大小对修正寿命计算结果的影响相当显著。图4󰀁转速对寿命修正系数的影响从图3和图4可以看出,在其他条件保持不变的情况下,寿命修正系数随着工作温度的不断升高而减小,随着工作转速的升高而增大;清洁度水平越高,影响越显著。图5和图6说明的分别是在不同的黏度比和不同的转速下,清洁度和载荷对修正系数的影

22、响。可以看出,寿命修正系数随着清洁度系数的增大而增大,且黏度比越大,影响越大;随着当量动载荷的增大而减小,3󰀁轴承寿命计算算例与分析某风电齿轮箱中一轴承的型号为NJ1984,额定工作转速为98.6r/min,承受纯径向载荷130kN,320#润滑油润滑,工作条件清洁,要求可靠度90%,工作温度60󰀁。:P,󰀁22󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁&#

23、983041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁机械传动󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2

24、011年寿命,就要采用切实可行的方法对轴承进行更加精确的计算。轴承的使用寿命与其工作条件紧密相关,工作转速、温度、润滑油的黏度及清洁度等因素的变化都会对轴承寿命产生严重影响,尤其是对于一些可靠性要求较高的装置,如风电齿轮箱、核电齿轮箱、高速机车上的传动系统等,当运行状况变差时,轴承寿命可能会大幅度的降低。基于此,对那些可靠性要求高、运行环境图5󰀁清洁度系数对寿命修正系数的影响又比较恶劣的装置中的轴承要采用合适的润滑系统并配备相应的冷却装置,同时对相应的指标(如润滑油黏度、温度、清洁度等)要采用严格的、周期性的监控,一旦发现问题,及时进行相应的处理。参考文献1󰀁李

25、兴林,张仰平,曹茂来,等.滚动轴承故障监测诊断技术应用进展J.工程与实验,2009(4):1-5.2󰀁董进朝,刘忠明.风电齿轮箱轴承寿命计算方法研究J.机械传动,2007,31(5):9-12.图6󰀁载荷对寿命修正系数的影响3󰀁InternationalOrganizationforStandardization.ISO281:2007(E),Rollingbearings󰀁DynamicloadratingsandratinglifeS.2nded.Switzerland:InternationalOrganizationforStandardization,2770:10-41.4󰀁赵联春,王东,晏丽明.滚动轴承额定寿命计算中黏度比k的分析及计算J.轴承,2010,3:4-7.收稿日期:20101202作者简介:王征兵(1985-),男,河南郸城人,硕士研究生4󰀁结束语随着轴承材料发展和制造技术的提高,标准ISO281:2007提出的基本额定寿命计算方法已不能适应现代轴承制造的发展,在某些工作场合,轴承的实