轴承大讲堂-基础之5：轴承选择标准、寿命确定、能力选择

2014-07-05 08:29阅读：

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轴承选择标准

为何选择特定的轴承做这项工作？有时选择了错误轴承，原因在于缺乏应用知识或产生意料之外的额外负荷。
总产品目录指导设计师选择合适的轴承类型，满足应用需要。
功率密度大约为轴承在给定空间可以携带的负荷量。通常情况下，设计师从经济角度考虑，选用较大的功率密度。

轴承选择因素

应用工程师在确定那种轴承最适合于某项应用时，必须考虑很多因素。最明显和直接的包括负荷／负荷方向、速度、空间、不对心、要求寿命和运行条件。

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随设计不同，每种轴承类型的特性显示其适合或适合于给定的应用。举例而言，深沟球轴承可以随径向承载承担轴向负荷。摩擦较小，生产精度很高。因此，适合用于中小尺寸的电机。圆柱滚子轴承可以承载很重的负荷，并能自对心。这些特性使其广泛应用于重工程的应用中，避免重负荷造成的变形。
不过，在很多情况下，在选择轴承类型时，需要权衡考虑几项因素。没有一定之规。可以提供SKF总目录中未包括的专门的轴承类型目录 (

如，固定部分轴承)。

例子：目录选择

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本例为带防护盖的深沟球轴承，其直径范围为d:25 –70毫米。
孔径(d) 表示轴承尺寸。另一边界尺寸为外径 (D) 和宽度 (B)。
基本的负荷率体现如下–动态 (C)和静态 (C₀)。疲劳负荷限制为在无限寿命应用中的动态负荷(在理想运行条件下)。
以下为推荐的滑脂和机油，轴承重量和指定值的速度额定值。

可用空间

在很多情况下，轴承主要的尺寸之一，即孔直径由机器设计决定。
对于小直径轴，可以使用各种类型的球轴承，最常用的是深沟球轴承。滚针轴承也可以使用。对于大直径的轴，圆柱、圆周和圆锥滚子轴承都可以使用，还有深沟球轴承。
当径向轴承受限时，必须选择带小剖面部分的轴承，尤其是剖面部分高度较低的轴承 (如，直径系列8或9的轴承)。特别需要注意滚针轴承和保持架组件，以及无（或有）内圈的滚针轴承。某些系列的深沟和角接触球轴承，圆柱和圆周滚子轴承，CARB™，以及SKF目录“薄型轴承”中所列出的所有轴承都适用。
当轴向的空间有限时，某些系列的单列圆柱滚子轴承和深沟球轴承可以用于径向和复合负荷。对于纯轴向负荷，可以使用滚针和保持架推力组件，滚针推力轴承，以及某些系列的推力球轴承和圆柱滚子推力轴承。

轴承尺寸的小型化趋势

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轴承尺寸随轴承的发展不断缩小。最新的轴承可以更高的速度承载与旧设计同样的负荷。不过，更需要注意这些轴承的维护。同样的污染和或搬运损坏，更新更小的轴承的寿命会比原来的大型旧设计更短。

轴承寿命的确定

何为循环压应力？循环压应力类似于折断电线的概念。要折断一条电线，需要反复将其弯折。金属疲劳，然后折断。轴承的工作也是同样的。举例而言，有两条同样直径的电线。以同样的弯折角度，快速地折一条线，缓慢地折两条线，在同一时间内，快速弯折的电线比另一条承受更多应力（疲劳循环），它将会先折断。轴承也以同样方式随速度产生疲劳–轴承寿命与速度成反比。如果速度加倍，其寿命则减半。
两条新电线，以同样速度将一条弯折成90度，另一条弯折成10度。由于弯折成90度的电线负荷更大，它更容易磨损。至于轴承，当负荷的速度从类似的变化改变时，寿命周期以更高的速率变化。从寿命公式的发展中，应用负荷中的较小变化会导致预计寿命的较大变化。不过，SKF 新寿命方法预计，如果给轴承加上低于规定最低负荷的值，它永远也不会磨损。

轴承疲劳磨损

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滚动负荷产生滚道和滚动体的循环弹性变形。在表面下产生的相应的压应力引起金属变化。这些引发破裂，延伸至表面，引起轴承材料的小片分离。随着损坏的增加，磨损的轴承最后需要更换。

疲劳寿命

轴承疲劳寿命定义为当疲劳开始散落到滚道和滚动体上时为开始。无法确切了解何时单个轴承会出故障，通过测试已经证明在任何同样的轴承代表批次中，重要的故障模式会出现在统计结果中。前10％的轴承故障为L₁₀寿命。相应的故障分布如下，故障的中值约为前10％的五倍还多。某些轴承会继续运行一段时间。这些测试在控制条件下运行，不代表实际工作寿命，后者受很多因素影响。

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轴承寿命计算

ISO 寿命等级

ISO “目录公称轴承寿命” (C)由轴承的总尺寸，滚动元素的尺寸、形状和列数，滚道滚动元素的接触角以及轴承所用材料确定。

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基本负荷等级

当量动负荷等级C用于涉及动力压力轴承的计算 (如，当选择即将在负荷下旋转的轴承时)。它表明轴承负荷会给出每运转一百万次的ISO基本等级寿命 (设定如下) 。
SKF 轴承的基本动力负荷等级根据 ISO 281:1990 / Amd.1:2000 和 ABMA 标准9 和 11所述方法确定。这些值基于SKF 标准生产的材料和制造技术。它们应用于在数量和方向上维持不变的负荷，包括径向轴承径向负荷，在中心上作用的推力轴承轴向负荷。
当量静负荷等级 C₀ 用于轴承在低速运转时的计算，取决于非常慢的振荡运动或者在末段时期内负荷下的静止情况。必须考虑到短时期内重冲击负荷作用在转动（动态加压的）轴承的情况。
当量静负荷等级由ISO 76-1990 确定为静态负荷，对应于在最重负荷的滚动体／滚道接触的中心所计算的接触应力：
- 自对心球轴承，4,600 MPa
- 其他所有球轴承，4,200 MPa
- 所有滚子轴承，000 MPa
这一应力造成滚动体和滚道的全部永久变形，约为滚动体直径的0.0001 。负荷为径向轴承的纯径向，作用于推力轴承的轴向负荷中心。

负荷承载容量和寿命

应用中所用的轴承尺寸最初根据其与需负载的容量相对的负荷承载容量和寿命及可靠性要求进行选择。“基本负荷等级”的数值用于表明负荷承载能力的计算中。总目录轴承表中引有这些值：当量动负荷等级C和当量静负荷符合等级C₀ 。

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在给定应用中的滚动轴承L₁₀ 寿命可以通过使用ISO基本寿命公式给出：

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此式中
L₁₀ = 基本比例寿命，几百万次旋转
C = 当量动负荷比例
P = 相应动态轴承负荷
p = 寿命公式指数
p = 球轴承为3
p = 滚子轴承为10/3

对于在恒定速度运行的轴承，使用以下公式处理运行时间中的基本比例寿命更为方便：

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或

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此式中
L_10h = 基本比例，运行时间
n = 运转速度, 转/分

当速度加倍时，寿命减少½。当负荷加倍时，寿命大约减少约90％。负荷增加20％，滚子轴承寿命减少 54％。得出以下结论：改变应用的负荷大幅度影响轴承寿命，速度的变化对寿命产生线性影响。

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“平均”应用的“P”值为C值的5％至10％，借助这个结果，设计者一般选择八到二十“正常”范围内的负荷比(C/P) 。这满足了应用所需的寿命，无需使用额外的轴承。

轴承能力选择

动态负荷

有几种估计给定旋转应用中的正确轴承尺寸的方法。通常的方法包括选择恰当的负荷比、给定负荷、期待寿命和速度。根据总目录所述，可以使用几项方法，举例如下：
何种尺寸的轴承可以满足以下要求：
· 类型：深沟球轴承
· 所需寿命：50,000小时
· 速度： 3,600 RPM
· 径向负荷(P) : 1000 磅

使用列线图选择轴承

列线图方法给出2位数的精确度。(注：有两套列线图：左图用于球轴承，右图用于滚子轴承。)
· 使用给定的速度(3600 RPM) 和L₁₀ 运行时间(50,000)，使用直尺的中柱查找C/P 。
值为22。
· 确定所需的动态负荷容量，将负荷比除以给定的应用负荷，在此例中，4450N (1,000 磅)。
C/P x P = 22 x1000 = 97,900N (22,000 lbs)
· 现在讨论总目录的深沟球轴承部分，选择一个至少为97,900N的合适轴承 (22,000 lbs)，动态能力(C)。一项解决方案为SKF 6219 深沟球轴承。

使用负荷比图选择轴承

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在SKF总目录中，要注意表是一分为二的，上部分为低速部分，下一部分为高速部分。借助例子中的信息，在图表的上方找到速度 (3600 rpm) 的对应列。在图左侧找到需要的运行时间 (50,000)。行和列的交叉部分给出C/P值： 22.1. C/P 值除以负荷(1000 lb.) ，以得到所需的最低当量动负荷比例。
22.1 x 1000 = 22,100 lbs.
可从总目录中选择合适的轴承。虽然已经选择了 6219 轴承，其他轴承可以根据应用要求选择 (边界尺寸等)。注意这是最简单的计算，只需借助单一的已知负荷进行。如需更选择更复杂的轴承，满足设计要求，请与SKF应用工程服务部门联系。

调整的寿命公式

在调整的寿命公式中，需要考虑轴承负荷对给定轴承寿命的影响。本目录中列出的滚子轴承在传统应用中使用，计算基本额定寿命L₁₀ I便足够了，推荐的所需寿命是基于实际经验和润滑等考虑因素之上的。
然而，最好还能具体考虑其他影响轴承寿命的因素。ISO 和ABMA引入一个修订后的寿命公式。这一调整的额定寿命公式为

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简而言之

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此式中
L_na = 调整的额定寿命，百万次旋转 (指数n代表所需可靠性1) 和百分之百之间的差别)
a₁ = 可靠性的寿命修正系数
a₂ = 材料的寿命修正系数
a₃ = 运行条件的寿命修正系数
这一寿命计算方法在1989年之前很常用，调整的额定寿命解释如下。
计算调整额定寿命要假设运行条件都已确定，轴承负荷可以精确计算。例，在计算中应考虑负荷频谱和轴偏差等等。
对于通行的90％的可靠性，与C值对应的轴承材料，和正常运行条件，a₁ = a₂ = a₃ = 1 ，基本的和调整的额定寿命所需的公式是一致的。
1) 可靠性是轴承保持或超过特定寿命的可能性。

寿命修正系数 a₁

可靠性系数a₁用于确定L₁₀ 寿命之外的寿命，如获得或超过可能性高于90％的寿命。a₁ 的值在随后的表中给出。SKF寿命方法中也使用这一寿命系数。

寿命修正系数 a₂

在确定SKF 当量动负载比例时，已经考虑到SKF 所用的标准钢比ISO 281/I-1977和ABMA 标准 9和11 给出的公式中所用材料的寿命特性更佳。在使用这些负荷比例时 (C values)， a₂ = 1。不过，a₂的值越高，更适用于特殊钢制造的SKF轴承。

可靠性	L_na	a₁
90	L_10a	1
95	L_5a	0.62
96	L_4a	0.53
97	L_3a	0.44
98	L_2a	0.33
99	L_1a	0.21

寿命修正系数 a₃

系数a₃ 的运行条件基本上由轴承润滑确定，前提为轴承运行温度没有过高。在温度升高时材料特性的变化通过降低当量动负荷比例解释。润滑功效基本上由轴承滚动接触的表面分离度确定。如果形成了合适的负荷承载润滑膜，润滑剂在运行温度下应有一个指定的最低粘度，如，轴承在运行中的温度。
在正常封装的轴承布局通常的清洁条件下，a₃ 系数计算的基础为粘度比率 [kappa]。这是实际粘度和合适的润滑₁所需的粘度之间的比，两个值都是运行温度下的动粘度。也用于SKF 寿命方法中。
总目录中确定了运行温度下正常运行所需的粘度₁ ，前提是使用矿物油。此图表对于矿物油基础上的滑脂也有效，在这种情况下，获得的₁ 值给出运行温度下的所需基础油粘性。
在这些计算中，粘性应始终表达为mm2/s (cSt - centistokes), 而不是赛氏通用秒(SUS),单位之间的转换是非线性的。

SKF 新的寿命计算方法

实际操作经验和现代研究表明，在特定条件下， SKF 轴承可以获得比标准化寿命计算法所预测出的寿命长得多的寿命，尤其是在负荷较小的情况下。这些特定条件发生指的是滚动表面（滚道和滚动体）被润滑膜有效分离和污染造成的表面损伤有限的情况。在理想条件下甚至可能得到无限寿命。
SKF 寿命计算方法引入了疲劳负荷限值P_u这一概念，类似于在选择其他机器体中所用的值。这一疲劳负荷限值代表的是在这一负荷下，轴承在理想条件下不会产生疲劳。
这一计算方法为Lundberg 和Palmgren 工作的延伸，考虑到疲劳负荷限值和与润滑和污染有关的其他几项因素。借助SKF 的计算方法，可以精确预测上述较长轴承寿命。不过，只有在精确了解运行条件的情况下才能作出精确预测，应用完全理论时，需要使用计算机。
由于计算方法复杂，理论的具体描述超出本文的范围。不过，要进一步理解SKF寿命计算方法之上的轴承作用的优势，需要一项简化的“目录”方法。这一方法有助于用户开发轴承寿命延长的潜力，在控制中将轴承小型化，了解污染的重要性。具体信息参见SKF 的总目录。
这些计算仅用于解释在控制条件下的轴承寿命。在外界影响（污染、润滑不良、振动等）下的基本寿命计算没有调整。这些外部因素缩短了从基本寿命公式中得出的轴承的实际寿命。

静态负荷

当符合以下条件之一时，根据当量静负荷比例(C0)选择轴承尺寸：
1. 轴承为静态，承载连续或间断（冲击）负荷。
2. 轴承在负荷下进行振荡或校准运动。
3. 轴承在负荷下以极低的速度运动，仅需要很短的寿命(这种，给定当量负荷P的情况下，寿命公式将给出一个较低的所需当量动负荷比例C，在这一基础上选择的轴承将被认作在服务中施加过载)。
4. 轴承保持旋转，在通常的运行负荷之外，它还需要维持作用在转动某一环节的较重冲击负荷。

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