交叉滾子軸承的疲勞壽命分析

張 鋼，殷慶振，阮 娟，張 雪，劉 瑩

(上海大學 軸承研究所，上海 200072)

目前，國內對交叉滾子軸承的疲勞壽命研究還處于空白，因此，通過修正和改進圓柱滾子軸承疲勞壽命的計算方法，建立交叉滾子軸承疲勞壽命計算模型及其影響因素具有一定的意義[1]。

1 疲勞壽命計算模型

線接觸圓柱滾子軸承額定壽命計算式為[2]:

(1)

式中：n為軸承工作轉速，r/min；C為軸承基本額定動載荷，N；Pc為當量動載荷，N；Lh為以工作小時數計的軸承額定壽命。

在工程應用上，交叉滾子軸承也有近似的壽命計算公式，下面是某國外著名軸承公司計算交叉滾子軸承的壽命時用的計算公式[3]：

(2)

式中：L10為軸承額定壽命；fT為溫度系數(圖1)；fw

為沖擊載荷系數(參考表1)。

圖1 溫度系數

表1 沖擊載荷系數

交叉滾子軸承額定動載荷最終為[4]：

(3)

交叉滾子軸承的當量動載荷Pc為[2]：

(4)

式中：γ=Dwcosα/Dpw；Dw為滾子直徑；l為滾子長度；Z為滾子個數；Dpw為滾子組節圓直徑;α為接觸角；Fr為徑向載荷；Fa為軸向載荷；M為力矩載荷；X，Y分別為徑向、軸向動載荷系數(表2)。

表2 徑向和軸向動載荷系數

2 計算結果與分析

以精密減速器用的非標交叉滾子軸承KBCB060-A為例進行分析[5]，該軸承主要參數見表3[6]。不考慮軸向載荷和力矩載荷，軸承僅受徑向載荷。編制Matlab程序，計算軸承的結構設計參數和載荷參數對軸承疲勞壽命的影響。

表3 KBCB060-A交叉滾子軸承的主要參數

2.1 滾子個數對疲勞壽命影響

圖2所示為軸承疲勞壽命隨滾子個數的變化情況。由圖可知：當滾子數目較小(Z=15)時，軸承的疲勞壽命非常低，約540 h，隨著滾子數目的增加，當為滿裝(Z=34)時，軸承的承載能力增強，軸承疲勞壽命也相應增加，約為3 879 h，提高了約7倍。但滾子數目不能無限增加。而且從加工工藝和制造成本上看，滾子數目的增加也會增加成本和制造、安裝難度。

圖2 軸承疲勞壽命隨滾子個數變化情況

2.2 載荷對疲勞壽命影響

圖3所示為不同軸承轉速下，軸承疲勞壽命隨載荷變化情況。由圖可以得出：

(1)隨著外加載荷的增加，軸承當量載荷增加，軸承疲勞壽命下降。

(2)軸承轉速越高，徑向載荷對軸承壽命的影響越小。

圖3 軸承疲勞壽命隨載荷變化情況

2.3 轉速對疲勞壽命影響

圖4所示為不同徑向載荷作用下，軸承疲勞壽命隨轉速的變化情況。由圖可以得出：

(1)隨著軸承轉速增加，軸承離心力增大，軸承滾子與外圈接觸應力增大，軸承疲勞壽命下降。

(2)在不同徑向載荷作用時，載荷越大，轉速對疲勞壽命的影響越小。

圖4 軸承疲勞壽命隨轉速變化情況

2.4 節圓直徑對疲勞壽命的影響

圖5所示為軸承疲勞壽命隨軸承節圓直徑變化情況。隨著軸承節圓直徑的增加，軸承疲勞壽命不斷減小。主要是因為隨著軸承節圓直徑的增大，軸承離心力增大，使得滾子與外圈接觸應力增大，導致軸承疲勞壽命下降。

圖5 軸承疲勞壽命隨節圓直徑變化情況

2.5 沖擊載荷對疲勞壽命影響

沖擊載荷系數fw是反映不平衡、振動和沖擊引起的載荷大小。

圖6所示為軸承疲勞壽命隨載荷系數變化情況，可以看出：隨著沖擊載荷系數增加，軸承受到的沖擊載荷增大，軸承的受力狀態越惡劣，軸承的疲勞壽命越短。

圖6 軸承疲勞壽命隨沖擊載荷系數變化情況

由于沖擊載荷系數對軸承壽命的影響特別大，對于工作載荷變動較大、常需頻繁啟動的設備，為了準確獲得軸承所受載荷，應采用實測手段監測軸承的實際載荷情況。

3 結束語

基于軸承疲勞壽命理論建立了交叉滾子軸承壽命計算模型，分析了不同結構參數和載荷參數對軸承疲勞壽命的影響規律，提出了提高軸承疲勞壽命的方法和措施，即降低軸承轉速、減小徑向載荷和軸承節圓直徑、增加滾子個數、降低工況惡劣程度等。為結構優化設計提供理論了依據。