SKF轴承寿命载荷定义与计算.docx
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SKF轴承寿命载荷定义与计算
如需估计轴承的预期寿命，您可以使用基本额定寿命，L10，或SKF额定寿命，L10m。
如果您对与润滑和污染相关的工况有经验并且知道您所处的工作条件不会对轴承的寿命产生剧烈的影响，请使用基本额定寿命计算法；不然，SKF推荐使用SKF额定寿命。
轴承寿命定义
轴承寿命的定义是，在内圈或外圈滚动体或滚道首次出现金属疲劳（剥落）迹象之前，轴承以一定速度运行所能够达到的旋转次数或（工作小时数）。
在相同的工况下，对外表看起来相同的轴承进行试验，结果在周期数以及导致金属疲劳所需时间上产生了巨大差异。
因此，基于滚动接触疲劳（RCF）估计的轴承寿命不够精确，因此需要使用统计方法来确定轴承尺寸。
基本额定寿命，L10是基于某一足够大数量表面上完全相同的轴承在相同的工况下运行，其中90%能够达到或超过的疲劳寿命。
如需用此处给出的定义确定相关的轴承尺寸，请根据之前可用的尺寸标注经验，将计算出的额定寿命与轴承应用的预期服务寿命进行对比。
否则，请使用表 1 和表 2中列出的有关不同轴承应用约定寿命的指南。
鉴于轴承疲劳寿命的统计分布，只要特定轴承失效概率的确定与相似条件下运行的一组轴承相关，单个轴承可观察到的失效时间就可根据其额定寿命进行评估。
在各种应用中，对轴承失效进行的众多调查已确认，基于90%可靠性的设计准则和采用动态安全系数，可以设计出可避免典型疲劳失效的、坚固耐用的轴承解决方案。
基本额定寿命
如果您只考虑载荷和速度，您可以使用基本额定寿命，L10。
轴承的基本额定寿命按ISO 281标准表示为
进行计算
如果速度保持不变，最好用工作小时计算寿命值，可通过以下公式获得
当
L10
基本额定寿命（90%的可靠性）[百万转]
L10h
基本额定寿命（90%的可靠性）[百万小时]
C
基本额定动载荷[kN]
P
轴承等效动载荷[kN]
n
转速[r/min]
p
寿命公式的指数
3表示球轴承
10/3表示滚子轴承
SKF额定寿命
由于现代轴承的质量提高不少，在某些应用中，轴承的实际工作寿命可能明显偏离其计算得出的基本额定寿命。
在特定应用中，轴承的工作寿命不仅取决于载荷和轴承尺寸，还受诸多因素影响，包括润滑、污染程度、安装情况和其他环境条件。
ISO 281使用寿命修正系数来弥补基本额定寿命的不足。
SKF寿命修正系数aSKF采用疲劳载荷限制P的相同概念u（→ 疲劳载荷限制，Pu），如在ISO 281中使用的P值u列于产品表。
与在ISO 281中一样，如需反映出三种重要的工况，SKF寿命修正系数aSKF取润滑条件（粘度比κ→ 润滑条件–粘度比，κ），与轴承疲劳载荷限制相关的载荷水平，以及系数ηc 对于污染水平（→ 污染系数，ηc）考虑使用
进行计算
如果速度恒定，可通过下面的方程式获得用工作时间表示的寿命值
当
Lnm
SKF额定寿命（在100–n1）%可靠性）[百万转]
Lnmh
SKF额定寿命（在100–n1）%可靠性）[工作小时]
L10
基本额定寿命（90%的可靠性）[百万转]
a1
寿命可靠性调整系数（表3，值符合ISO281）
aSKF
SKF寿命修正系数
C
基本额定动载荷[kN]
P
轴承当量动载荷[kN]
n
转速[r/min]
p
寿命公式的指数
3表示球轴承
10/3表示滚子轴承
1）系数n表示失效概率，是所需可靠性与100%之差。
对于90%可靠性：
Lnm=SKF额定寿命（在100–n1）%可靠性）[百万转]
成为：
L10m=SKF额定寿命[百万转]
因为寿命修正系数a1与疲劳相关，与载荷水平的相关性较小，P，低于疲劳载荷限制Pu带寿命修正系数的尺寸标注反映出极高的可靠性（例如99%），结果将选出适用于给定载荷的大型轴承。
在这种情况下，必须根据轴承最小载荷要求检查轴承载荷。
最小载荷的计算方法，请参考必需最小载荷。
表4 提供了除百万转以外的表示轴承寿命单位的常用换算系数。
变化工作条件、浮动载荷下的轴承寿命计算
在某些应用-例如工业齿轮箱、汽车变速箱或风车中-工作条件（例如载荷大小和方向、速度、温度以及润滑条件）是不断变化的。
在这些类型的应用中，首先应将载荷变化的模式或工作周期减至有限数量的、较简单的载荷条件，才可以计算轴承寿命（图 1）。
对于不断变化的载荷，每个不同载荷水平可累计，载荷谱可简化为恒定载荷区的矩形图。
每一个载荷段都以运行时间的百分比或分段时间来表示。
重载荷和正常载荷消耗轴承寿命的速度比轻载荷快。
因此在载荷图表中，必须把峰值载荷独立分辨出来，即使这些载荷出现得很少且时间相对较短。
在每一工作段内，可以把轴承载荷和工作条件平均为具有代表性的恒定值来表示。
此外，还应根据每一工作段所需的工作小时或转数，计算该载荷条件下的分段寿命。
因此，如果N1等于载荷条件P所需的转数1，N表示完成所有可变载荷周期的预期转数，那么分段周期U1=N1/N由载荷条件P使用1，其拥有计算寿命L10m1在变化的工作条件下，轴承的寿命可用以下公式估算
式中
L10m
SKF额定寿命（90%可靠性）[百万转]
L10m1,L10M2,...
恒定条件1、2、…下SKF额定摩擦寿命（90%可靠性）[百万转]
U1,U2,...
条件1、2、…下的分段寿命周期
U1+U2+...Un=1
此计算方法特别适用于已知时间段，载荷水平和速度会变化的应用条件。
表1-不同设备类型的约定寿命参考值
设备类型
规范寿命
工作小时
家用机器、农业机器、仪器、医疗设备
300...3000
短期或者间歇工作的机器:
电子手动工具、车间起重设备、建筑
设备和机械
3000...8000
短时间或间歇使用但运行可靠性要求较高的机械：
用于包装产品或鼓轮吊索的升降机（电梯）、
起重机等。
8000...12000
供每天8小时使用的机械，但并不总是全负荷运行：
一般用途的齿轮驱动、工业用途的
电机、旋转粉碎机
10000...25000
每天8小时满负荷工作的机器:
机床、木材机械、
重型起重机、通风设备、输送带、印刷设备、分离机、
离心机
20000...30000
连续使用24小时的机器：
轧钢厂用齿轮箱、中型电机、压缩机、
采矿用起重机、泵、纺织机械
40000...50000
风电机械的设备，包括：
主轴、摆动结构、齿轮箱、发电机轴承
30000...100000
自来水厂用的机械、转炉、电缆绞股机、远洋轮的推进机械
60000...100000
大型电机、发电厂设备、矿井水泵、矿用通风风机、
远洋轮的隧道轴轴承
100000 ...200000
表2-约定寿命参考值—铁路机车轴箱轴承
车辆类型
规范寿命
百万公里
符合UIC规格的货车，基于连续作用的最大轴载荷
0,8
车辆的转向架：
郊区列车、地铁、轻轨和有轨电车
1,5
干线客运机车
3
干线柴油或电动车组
3...4
干线柴油或电力机车
3...5
表3-寿命修正系数a1
可靠性
故障
概率
SKF额定寿命
系数
n
Lnm
a1
%
%
百万转
–
90
10
L10m
1
95
5
L5m
0,64
96
4
L4m
0,55
97
3
L3m
0,47
98
2
L2m
0,37
99
1
L1m
0,25
表4-轴承寿命单位的换算系数
全摆动 = 4 γ
（=从0点到4点）
基本单元
转换系数
百万转
工作小时
百万
公里
百万
摆动
周期1）
1百万转
1工作小时
1百万公里
1百万摆动圈数1）
D=车轮直径[m]
n=转速[r/min]
γ=摆动幅度（偏离中心位置的最大角度）,单位为度[°]
1.1）对于小幅值（y<10°）无效。
2.图 1-恒定轴承载荷P和转数N工作段
轴承当量动载荷，P
在计算轴承额定寿命时，轴承基本寿命和SKF轴承寿命等式中都需要轴承当量动载荷值。
作用于轴承上的载荷根据使用外力的力学定律计算得出-例如已知或可被计算得出的动力传输产生的力、工作压力、重力或惯性力。
在现实条件下，作用于轴承的载荷可能不为恒定，既可以从径向也可以从轴向作用，且两者都受限于要求修改或简化（在某些情况下）载荷计算公式的其他系数。
计算轴承当量动载荷
用于轴承额定寿命等式中的载荷值P是指轴承当量动载荷。
轴承当量动载荷被定义为：
一个假定大小和方向不变，对径向轴承作径向运动，对推力轴承作轴向和中心运动的载荷。
施加该假定载荷时，会与轴承所承受的实际载荷造成一样的影响（图 1）
如果轴承承受同时作用的径向载荷Fr和轴向载荷Fa其大小和方向是固定的，轴承当量动载荷P可从以下的通用公式得出
进行计算
当
P
轴承当量动载荷[kN]
Fr
实际径向轴承载荷[kN]
Fa
实际轴向轴承载荷[kN]
X
轴承的径向载荷系数
Y
轴承的轴向载荷系数
单列径向轴承只有在比率F超过特定的限定系数e时，a/Fr轴向负荷才会影响到当量动负荷P。
如果是双列轴承，即使轴向载荷很轻也会影响当量载荷且应当被纳入考虑。
以上的通用公式也适用于能同时承受轴向与径向载荷的球面滚子推力轴承。
某些推力轴承（如推力球轴承和圆柱与滚针推力轴承）只能承受纯轴向载荷。
对于这些轴承，只要载荷作用在轴承的中心，公式简化为
P=Fa
相关产品章节中提供计算不同类型轴承的当量动载荷所需的信息和数据。
图 1
当量平均载荷
其他载荷可能会随着时间发生变化。
对于此类情况，必须计算当量平均载荷。
工作段内的平均载荷
在每一个工作段中，工作条件可与其公称值有小许偏差。
假设某工作制的工作条件，诸如转速和载荷的方向是较为固定的，而载荷的大小只在最小值F最小和最大值F最大（图1），平均载荷可通过以下获得：
图 1-等效动载荷
旋转载荷
如果，如图 2所示，轴承上的载荷由载荷F1（其大小和方向为恒定，例如转子的重量）和旋转恒定载荷F2（如不平衡的载荷，平均载荷可从以下获得）构成
Fm=fm（F1+F2）
系数f的值m于图3。
图 2-旋转载荷图3-旋转载荷
峰值载荷
短时作用的高载荷（图 4）可能不会影响疲劳寿命计算中所有的平均载荷。
根据轴承额定静载荷C评估该峰值载荷0，使用合适的静载荷安全系数s0.→ 基于静载荷的尺寸选择
图 4-短时峰值载荷
计算轴承当量动载荷时的考量
为实现简化，当计算支撑轴的轴承负荷的分力时，轴是被看成由刚性和无力矩作用的支点所支承的静定梁。
轴承、轴承座或机械结构的弹性变形，轴挠曲导致在作用轴承上的力矩，全不考虑在简化的计算中。
如果您不借助于相关的计算机软件进行轴承配置计算，就需要这些简化。
实际上，计算基本额定载荷和当量轴承载荷的标准方法，也是根据类似的假设。
利用先进和复杂的计算程序（→ SKFSimProQuick和SKFSimProExpert），可以不用上述的假设，而根据弹性力学理论来计算轴承的载荷。
在这些计算程序中，轴承、轴以及轴承座都是被考虑为系统中具弹性的部分。
如果由轴及其部件的重量导致的外力和载荷（诸如惯性力或载荷）未知，通常可以计算得出。
然而，在确定工作力和载荷（诸如碾压力、力矩、非平衡载荷以及冲击载荷）时，通常要依靠类似机器或轴承配置的经验才能确定。
齿轮传动
对于齿轮传动，齿轮在理论上产生的作用力可以根据传输功率以及齿轮的类型算出。
但也有其它动态力由齿轮、输入轴与输出轴产生。
此外，齿轮的间距或形状误差和旋转部件的不平衡也会造成附加的动态力。
专为高精度生产的齿轮具有可被忽视的附加作用力。
对于精度较低的齿轮，请使用以下齿轮载荷系数：
∙间距或形状误差 < 0.02mm：
1,05至1,1
∙间距或形状误差在0.02至0.1mm之间：
1,1至1,3
应用齿轮传动的机器，只有在工作条件、传动系统惯性以及联轴器或其他接头行为已知的情况下，才能确定根据其运行形式和模式所产生的附加作用力。
通过采用将系统动态作用纳入考虑的“运行”系数，其对轴承额定寿命的影响被包括。
皮带传动
在皮带驱动型应用中计算轴承载荷时，必须考虑“皮带拉力”。
皮带拉力是一种切向载荷，其取决于传递的力矩。
皮带拉力必须乘以一个系数，该系数的值取决于皮带类型、皮带张力以及任何额外的动态力。
皮带制造商通常会公布该值。
但是，若无法得到相关的系数，可用以下：
∙齿形皮带=1.1至1.3
∙V型皮带=1.2至2.5
∙平皮带=1.5至4.5
更大的值适用于:
∙轴间距离较短
∙用于重载或峰值载荷类型的操作
∙皮带张力较高
所需最小载荷
在轴承尺寸由系数而不是载荷决定的应用中-例如轴径受限于关键速度-轴承相对于其尺寸和承载能力来说可能处于轻载状态。
在承受极轻载荷的情况下，如滚道打滑和粘污或保持架损坏等失效机制通常是主导原因，而不是疲劳。
为使轴承获得良好运行，滚动轴承必须始终承受一定的最小载荷。
根据一般法则，球轴承的最小载荷为0.01C，滚子轴承的最小载荷相当于0.02C。
更精确的最小载荷要求，请参见产品章节。
如果在某应用中，需要快速加速、或快速启动与停止，且转速超过产品表中所列极限速度的50%，增加最小载荷就更为重要（→ 速度限值）。
如果无法满足最小载荷的要求，可以做出的改进为：
∙使用带更小尺寸系列的轴承。
∙考虑特殊润滑或跑合过程。
∙考虑永不磨损轴承。
∙考虑施加预载荷。
存在以下条件中的任何一种，应根据其可承受的静载荷选择或检验轴承尺寸，同时将永久变形可能产生的影响纳入考虑：
∙轴承未处于旋转并承受连续的高载荷或间歇性的峰值载荷。
∙轴承在载荷作用下缓慢地摆动。
∙轴承是转动的，但除了需要承受正常的疲劳寿命标明的工作载荷外，还要承受瞬时的高峰载荷。
∙轴承在载荷作用下以低速旋转（n < 10 r/min）且要求只有一个限定寿命。
在这种情况下，对于给定的当量载荷P，额定寿命公式将给出很低的所需基本额定动载荷 C，因此以疲劳寿命为基础选出的轴承将在工作中严重过载。
在如此条件下，所造成的变形可能包括滚动体上的变平区域或滚道中的凹陷。
滚道上凹陷的分布可能不规则，或与滚动体的位置相对应地均匀分布。
静止或缓慢摆动的轴承所支撑的载荷若足以导致永久变形，则其将在持续旋转中产生高水平的振动和摩擦。
另外，也可能会导致游隙的增加或影响到轴承座和轴的配合特性。
额定静载荷
基本额定静载荷C0在ISO 76中被定义为会在大部分重载滚动体/滚道的接触中心位置导致一定接触压力的载荷。
接触应力值为：
∙自调心球轴承为4 600MPa
∙所有其它球轴承为4 200MPa
∙所有滚子轴承为4 000MPa。
在这一应力下会造成滚动体和滚道的永久变形，约为滚动体直径的0.0001。
对于径向轴承而言，载荷为纯径向载荷，对于推力轴承而言，载荷为作用于中心的轴向载荷。
当量静载荷
由径向和轴向部件组成的载荷将相对于额定静载荷C进行评估0，必须转化为轴承当量静载荷。
当量静载荷是指作用在轴承上的假设载荷（径向作用于径向轴承上，或轴向作用于推力轴承上），它会造成与实际载荷有相同作用的最大滚动体载荷。
当量静载荷可从以下的通用公式得出：
当
P0
轴承当量静载荷[kN]
Fr
轴承实际径向载荷（参见下文）[kN]
Fa
轴承实际轴向载荷（参见下文）[kN]
X0
轴承的径向载荷系数
Y0
轴承的轴向载荷系数
计算轴承当量静载荷P所需要的信息和数据0在相关的产品章节中提供。
在等式中，径向和轴向部件值（图1）用于可能会产生的载荷最大值。
如果载荷变化，则考虑引起P最大值的组合0。
图1
静载荷安全系数基准值，s0
静载荷安全系数s0 由
给出
s0=C0/P0
式中
s0
=
静安全系数
C0
=
必需的基本额定静载荷[kN]
P0
=
轴承当量静载荷[kN]
或者，您可以计算必需的基本额定静载荷，C0。
基于经验的静载荷安全系数s0，基于经验，球轴承列于表 1，滚子轴承位于表 2。
s0值给定相对于轴承性能永久变形影响的连续运动 – 包括明显的摩擦峰值、振动以及降低的耐疲劳性（对于最低s0值），以不对摩擦、振动或疲劳寿命产生影响（对于最高s0值）。
载荷水平的精确度反映实际轴承载荷被得知和/或预知的程度。
表1-基于经验的静载荷安全系数s0 – 用于连续和/或偶尔的载荷 – 球轴承
持续运动
偶尔运动
永久变形接受度
永久变形接受度
载荷水平确定性
有
一些
不
有
高
例如：
重力载荷
以及没有振动。
0.5
1
2
0.4
低
例如：
峰值载荷。
≥1,5
≥1,5
≥2
≥1
表2-基于经验的静载荷安全系数s0 – 用于连续和/或偶尔的载荷 – 滚子轴承
持续运动
偶尔运动
永久变形接受度
永久变形接受度
载荷水平确定性
有
一些
不
有
高
例如：
重力载荷
以及没有振动。
1
1.5
3
0.8
低
例如：
峰值载荷。
≥2,5
≥3
≥4
≥2
升级会员 