軸承壽命計(jì)算（校核）中應(yīng)注意的幾個(gè)細(xì)節(jié)問題

任濟(jì)生，王海霞，李學(xué)藝

REN Ji-sheng,WANG Hai-xia,LI Xue-yi

（山東科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，青島 266510）

1 概述

軸承壽命計(jì)算（校核）中要計(jì)算軸承所受的徑向力及軸向力、當(dāng)量動(dòng)載荷和軸承使用壽命，其中軸向力計(jì)算和當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算受多種因素影響，一些細(xì)節(jié)問題直接影響到軸承的使用壽命。在常見的教科書和設(shè)計(jì)手冊上給出了計(jì)算公式，但對影響軸承使用壽命的因素、計(jì)算中需注意的細(xì)節(jié)問題闡述不多。軸承是機(jī)器上的關(guān)鍵部件，細(xì)微的計(jì)算差錯(cuò)或考慮不周都會(huì)影響到整臺(tái)機(jī)器的性能。本文參考有關(guān)資料，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，匯綜了各種影響因素，提出了計(jì)算中應(yīng)注意的一些細(xì)節(jié)問題，供設(shè)計(jì)人員參考。

2 計(jì)算角接觸向心軸承軸向力Fa時(shí)應(yīng)注意的問題

2.1 角接觸向心軸承Fa計(jì)算公式

角接觸球軸承和圓錐滾子軸承統(tǒng)稱為角接觸向心軸承（又稱向心推力軸承），因能同時(shí)承受徑向和軸向載荷而應(yīng)用廣泛。角接觸向心軸承常成對使用，安裝方式分正裝（外圈窄邊相對）和反裝（外圈窄邊相背）兩種，以角接觸球軸承為例如圖1所示。圖中FA是作用于軸上的軸向外載，F(xiàn)r1、Fr2是軸承受到的徑向力。由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，角接觸向心軸承在承受徑向力時(shí)會(huì)派生出內(nèi)部軸向力，F(xiàn)s1、Fs2是分別由Fr1、Fr2派生出的內(nèi)部軸向力，簡稱派生軸向力。

圖1 角接觸向心軸承的安裝方式及受力圖一

在教科書或設(shè)計(jì)手冊上給出的計(jì)算軸向力Fa的公式大都是這樣的。

對圖1而言，當(dāng)Fs1+ FA＞Fs2時(shí)，軸承2被“壓緊”，軸承1被“放松”，則[1]：

當(dāng)Fs1+ FA＜Fs2時(shí)，軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”，則：

對圖2而言，當(dāng)Fs2+ FA＞Fs1時(shí)，軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”，則[2]：

圖2 角接觸向心軸承的安裝方式及受力圖二

當(dāng)Fs2+ FA＜Fs1時(shí)，軸承2被“壓緊”，軸承1被“放松”，則

2.2 軸向力Fa計(jì)算中應(yīng)注意的問題

1）上述四個(gè)公式使用前提條件不同。公式（1）、（2）的前提條件是：把派生軸向力方向與FA方向一致的軸承標(biāo)為1。公式（3）、（4）的前提條件是：把派生軸向力方向與FA方向一致的軸承標(biāo)為2。計(jì)算Fa時(shí)要畫圖1或者圖2，圖1和圖2的唯一區(qū)別是軸承的標(biāo)號(hào)不同，其結(jié)果是計(jì)算公式不同。而哪個(gè)軸承標(biāo)為1，哪個(gè)標(biāo)為2是由設(shè)計(jì)者決定的，因此設(shè)計(jì)者不能隨意標(biāo)注，要根據(jù)前提條件來定，否則將用錯(cuò)公式。不少教科書和設(shè)計(jì)手冊中，給出圖示和公式時(shí)，沒有突出強(qiáng)調(diào)上述的前提條件，設(shè)計(jì)者在使用教科書或設(shè)計(jì)手冊時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。

圖1和圖2中，F(xiàn)A的方向均指向左端，如果FA的方向指向右端，如圖3所示，上述前提條件和公式仍然適用。圖中雖都是正裝，但標(biāo)號(hào)不同，使用公式不同，（a）圖用公式（1）、（2），（b）圖用公式（3）、（4）。

2）要正確判定Fs和FA的方向。從上述公式和前提條件中可看出，F(xiàn)s和FA的方向?qū)a的計(jì)算有直接影響，因此不僅要仔細(xì)計(jì)算其大小，而且要正確判定方向。

圖3 角接觸向心軸承的安裝方式及受力圖三

Fs的方向由自身結(jié)構(gòu)所定，總是由外圈的寬邊指向窄邊，因此Fs1和Fs2的方向就與安裝方式有關(guān)。正裝時(shí)，F(xiàn)s1和Fs2必相對，反裝時(shí)，F(xiàn)s1和Fs2必相背，如圖1、圖2所示（單個(gè)軸承均是由外圈的寬邊指向窄邊）。

FA方向要根據(jù)軸上載荷來確定，如圖4所示，錐齒輪本身的軸向受力是由小端錐指向大端錐，則對該圖而言，作用在軸上的FA方向必指向左端。又如圖5所示，兩個(gè)斜齒輪的軸向力FA1＝1500N向左，F(xiàn)A2＝3000N向右，大小、方向不同，取其矢量和，作用在軸上的FA應(yīng)是FA＝FA2－FA1＝1500N，指向右端。

圖4 錐齒輪裝配圖

3）按準(zhǔn)則計(jì)算不必考慮前提條件。在教科書和設(shè)計(jì)手冊中，給出上述公式的同時(shí)還會(huì)給出了一個(gè)計(jì)算準(zhǔn)則[1～3]：分析軸上全部軸向力的綜合作用，判斷“壓緊”和“放松”端，“壓緊”端軸承的軸向力等于除本身派生軸向力外其余軸向力的代數(shù)和，“放松”端軸承的軸向力等于其本身的派生軸向力。

計(jì)算Fa時(shí)可以用前述公式，也可以不用公式而用該準(zhǔn)則，需注意的是，該準(zhǔn)則不受前提條件的約束，即畫出圖1或者圖2后，哪個(gè)軸承標(biāo)為1，哪個(gè)軸承標(biāo)為2可隨意，只要正確使用準(zhǔn)則，就可正確求出Fa1和Fa2。

圖5 斜齒輪軸向力示意圖

4）上述公式及準(zhǔn)則均是在未考慮軸承預(yù)緊的情況下得出的[4]，如果軸承有預(yù)緊，在Fs1和Fs2的計(jì)算中要分別計(jì)入每個(gè)軸承因預(yù)緊而產(chǎn)生的內(nèi)部軸向載荷。

3 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P和軸承壽命Lh時(shí)應(yīng)注意的問題

求出Fa后，接下來要計(jì)算的是軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P和軸承壽命Lh，所用公式為：

式中各參數(shù)的含義可參見有關(guān)教科書或設(shè)計(jì)手冊。兩個(gè)公式是指轉(zhuǎn)速不變，F(xiàn)r和 Fa的大小、方向不變下的當(dāng)量動(dòng)載荷P和軸承壽命Lh，使用中需注意[3]：

1）當(dāng)轉(zhuǎn)速和Fr（或Fa）隨時(shí)間變化時(shí)（如機(jī)床、起重機(jī)等機(jī)械中的軸承），不能再用式（5）求P，應(yīng)根據(jù)疲勞損傷累計(jì)假說（曼耐爾定理）的原理來求平均當(dāng)量動(dòng)載荷Pm，式（6）中P應(yīng)以Pm代入。Pm的具體算法可參見有關(guān)設(shè)計(jì)手冊。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，F(xiàn)r和Fa的大小、方向不時(shí)變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷，此時(shí)可先按名義的Fr和Fa代入式（5）求出P，然后再按Pd＝fdP進(jìn)行修正，得出考慮載荷變化（沖擊）的當(dāng)量動(dòng)載荷Pd，式中fd是沖擊載荷因數(shù)，具體值可查有關(guān)手冊。在式（6）中P應(yīng)以Pd值代入。

3）當(dāng)軸上還承受恒定的扭矩載荷時(shí)，如圖4和圖5中的軸，不僅受彎，同時(shí)受扭，此時(shí)扭矩對軸承也有影響。可先按式（5）求出P，然后再按PT＝fTP進(jìn)行修正，得出考慮扭矩的當(dāng)量動(dòng)載荷PT，式中fT是沖扭矩載荷因數(shù)，具體值可查有關(guān)手冊。在式（6）中P應(yīng)以PT值代入。

4）當(dāng)軸承溫度高于120°C時(shí)，因金屬組織、硬度和潤滑條件等的變化，軸承的承載能力有所降低，要考慮溫度變化帶來的影響[5]，此時(shí)式（6）應(yīng)改為：

式中ft是溫度因數(shù)，具體值可查有關(guān)手冊。

[1] 彭文生,李志明,黃華梁. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京： 高教出版社,2002.

[2] 濮良貴,紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京： 高教出版社,2006.

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編輯委員會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,第3卷[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 北京鋼鐵學(xué)院主編. 機(jī)械零件手冊[M]. 北京： 人民教育出版社,1980.

[5] 譚慶昌,趙洪志. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京： 高教出版社,2004.