不同潤滑條件下的滾動軸承壽命計算

摘 要：軸承是傳動系統的重要零件之一，軸承選擇的好壞與否往往影響著減速器的使用壽命及成本。在實際應用中，滾動軸承的壽命受多種因素，如潤滑條件、軸承材料、熱處理、載荷等的影響。本文應用Romax軟件基于ISO281理論進行仿真分析，分析了不同的潤滑條件下的軸承壽命，給軸承選型提供理論依據。

關鍵詞：Romax；滾動軸承；壽命；潤滑條件

中圖分類號：TH133.3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0240-02

1 前 言

滾動軸承在現代工業中起著不可忽略的作用，是減速器重要的零部件之一。在機械設計中應根據使用條件選擇合適的軸承，如軸承選擇不當，使用壽命過短，會增加減速器的使用成本?，F有的軸承壽命一般是指可靠度90%、常用材料和加工質量、常規運轉條件下的壽命[1]。軸承的實際壽命與軸承材料、潤滑條件、熱處理、可靠度要求、載荷狀況均相關。工程實際中，軸承的壽命往往通過試驗得出，但試驗周期長、成本高。Romax軟件是通用的傳動系統分析軟件，集建模、設計、分析于一體，可在產品的設計初期對軸承進行分析，為后續的試驗提供理論基礎，減少設計成本[2]。本文利用Romax軟件，分析不同的潤滑條件對軸承壽命的影響，通過選用合適的潤滑油，提高軸承的設計壽命，使軸承壽命滿足設計要求。

2 額定壽命計算

可靠度為90%，滾動軸承的的基本額定壽命L10的計算公式如下：

L = ε106r（1）

公式（1）中，C為軸承額定動載荷，P為軸承當量動載荷；指數ε為壽命指數，球軸承時ε為3，滾子軸承時ε為10/3。

但對于具有特殊軸承性能、特殊運轉條件或可靠度要求不是90%的滾動軸承，應在公式（1）的基礎上修正其基本額定壽命。修正額定壽命可按下式計算[1，3]：

L =a a a L （2）

公式（2）中，a 為可靠性壽命修正系數。在一定載荷下工作的滾動軸承，要求的可靠度不同時，計算壽命不同，可靠度要求越低，計算壽命越長。試驗證明，滾動軸承的可靠度與壽命的關系符合韋布爾分布曲線[1]。

a 為特殊軸承性能壽命修正系數。通過軸承設計、采用優良的材料或特殊的制造工藝可提高軸承的耐疲勞性能，熱處理也會影響軸承的疲勞系數。

a 為運轉條件壽命修正系數。運轉條件包括潤滑條件、外來有害物質影響等。在相同的工況下，如潤滑條件良好，則軸承的滾動體與滾道可以被潤滑油膜隔開。膜厚比是大致估計潤滑狀態的簡單判據[1，3]，它是最小油膜厚度與表面粗糙度之比，常用λ表示：

λ= （3）

公式（3）中，h 表示最小油膜厚度；R 表示接觸表面輪廓的均方根偏差，R 與算術平均偏差R 之間具有下列近似關系：R =1.20R ～1.25R 。

一般認為：λ>3為完全彈性流體動力潤滑或流體潤滑狀態；1<λ<3為部分彈性流體動力潤滑或混合潤滑狀態；λ≤1為邊界潤滑狀態。膜厚比λ越大，相對壽命越大。

除了膜厚比，潤滑劑的污染也會縮短軸承疲勞壽命。潤滑油中的污染物如齒輪磨損顆粒等，會在滾道和滾動體上壓出印痕，破壞隔開滾動道和滾動體表面的油膜，縮短軸承疲勞壽命。良好的潤滑劑過濾可顯著地改進軸承壽命。Hamer等人指出，顆粒直徑與油膜厚度的比值可作為產生壓痕的判據參數[3]。

不同的使用情況，油膜厚度與接觸體的綜合曲率半徑、材料的泊松比、綜合彈性模量、載荷狀況、橢圓參數等相關[1，3]。在實際的工程計算中中，由于涉及到的參數多，工況多，采用手工計算工作量巨大，可利用Romax軟件進行仿真計算。

目前，a 、a 一般由軸承廠家給出。

可見，在進行軸承的具體設計時，要綜合考慮軸承本身的結構、材料、熱處理、承載能力、作用載荷、潤滑條件等多個參數[3，4]。

3 實例計算

以某減速器為例，要求軸承滿足1500h的設計壽命。應用Romax軟件基于ISO281標準計算減速器中各滾動軸承在可靠度為90%的情況下的壽命。以4號軸承為例進行分析。

采用SAE75w潤滑油，根據計算結果可知，在70℃的工作溫度下，內圈滾道最小油膜厚度為0.091μm，外圈滾道最小油膜厚度為0.099μm，污染系數ec為0.7165，4號軸承壽命的計算結果為1414.5h。不滿足設計壽命1500h的設計要求。

根據公式（1）、（2）和（3），可通過更換承載能力更大的軸承、改進軸承、改善軸承的潤滑條件等途徑來使軸承壽命達到1500h的設計要求。

如采取更換承載能力更大的軸承、改進軸承等則可能影響減速器的內部其它結構，且周期較長，成本較高。經分析[1，3]，通過采取更換潤滑油的方式來改善軸承的潤滑條件，提高軸承的壽命。

將潤滑油由SAE75W替換為SAE80W，其余條件保持不變。利用Romax軟件重新計算，由結果可知，在70℃的工作溫度下，內圈滾道最小油膜厚度為0.1366μm，外圈滾道最小油膜厚度為0.1486μm，污染系數ec為0.862，軸承壽命達到了3104h，滿足1500h的設計要求。

對1、2、3號軸承進行同樣的分析，在保持加載工況和軸承不進行更換的情況下，僅僅將潤滑油由SAE75w更換為SAE80w，內外圈滾道最小油膜厚度、污染系數均有了不同程度的增加，壽命也得到了提高。1號軸承的壽命由原來的1215.8h提高到了2097.2h，2號軸承的壽命由原來的838.3h提高到了1555.9h，3號軸承的壽命由原來的910.1h提高到了1561.7h，均達到了1500h的設計要求。

4 結束語

綜上，在軸承的設計初期，利用romax軟件進行仿真分析，對軸承在不同潤滑條件下的使用壽命進行分析。可見，選擇合適的潤滑油，可增加軸承滾動體與滾道之間的油膜厚度，降低污染物對軸承壽命的影響，有效提高軸承的壽命，為軸承選型及后續試驗提供理論依據，降低減速器設計成本，加快減速器設計進度。

參考文獻

[1]邱宣懷，郭可謙，吳宗澤.機械設計[M].高等教育出版社，2011.

[2]熊禾根.機械傳動系統Romax Designer建模、分析與應用例[M].華中科技大學出版社，2015.

[3]（美）T.A.Harris，M.N.Kotzalas著.羅繼偉，譯.滾動軸承分析第2卷軸承技術的高等概念[M].機械工業出版社，2010.

[4]（美）T.A.Harris，M.N.Kotzalas，著.羅繼偉，馬 偉，譯.滾動軸承分析第1卷軸承技術的基本概念[M].機械工業出版社，2010.

收稿日期：2018-5-15

作者簡介：張玲玲（1986-），女，漢族，江蘇鹽城人，工程師，研究方向為傳動設計。