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滚针轴承寿命预估-基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法

通过对轴承寿命影响因素的分析,建立轴承寿命计算的模型,利用CAD技术绘制了滚针轴承寿命图谱,实现了滚针轴承寿命预估;利用生成的寿命图谱,分析了影响轴承寿命的各个因素以及这些因素与轴承结构参数的关系,进而提出了改进轴承结构参数,以提高轴承寿命的有关措施。

轴承寿命的计算是轴承设计中非常重要的问题。瑞典科学家G.Lundberg和A.Palmgren先后于1947年和1952年建立了著名的动态剪切应力寿命理论,并结合滚动轴承的寿命试验得到简称为L-P模型的半经验寿命公式。然而L-P模型对轴承的工作条件限制过多,且不适合结构疲劳预测,在超出试验条件时,需要采用经验寿命调整系数改进

基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法1

181
。为此众多学者
对轴承寿命影响因素做了大量的试验研究。HarrisTA研究了游隙对轴承寿命的影响因素[2];J.Y.LIU运用切片法研究了轴承倾斜对高速旋转滚子轴承寿命的影
基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法2
;Tallian和Skurka通过寿命试验证实了润滑油膜
厚度对疲劳寿命有显著的影响,并给出了滚动轴承疲劳寿命与Λ(油膜参数)的函数关系
[4-5]
;STLE归纳了
一些材料对滚动轴承疲劳寿命的影响,并进一步区分了热处理和金属加工的影响,推荐了材料寿命系数
[6]
;Sayles和MacPherson根据圆柱滚子轴承耐久试

 基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法3

验数据证实了颗粒污染对轴承疲劳寿命不同程度的影
响,
并给出了污染影响系数的计算方法

基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法4

。虽然目前轴承设计理论上提及影响寿命的因素众多,但这些因
素的影响度和作用形式的分析表达,
还没有进行深入细致的研究,只是简单地阐述了其影响,或通过数学公
式对其进行量化,不能清晰反映出这些因素对寿命的影响趋势。且这些影响在轴承设计中往往不够直观、具体,设计者很难将这些影响因素与轴承尺寸、轴承润滑剂、轴承使用环境相联系起来。且以往寿命因素分析只是单一和孤立的,而实际的轴承寿命变化趋势常常需要通盘考虑多因素的综合作用,需要对综合作用所产生的典型影响进行具体的分析,提出相应的改进性措施,以提高轴承实际使用寿命。所以如何使设计者利用轴承设计理论知识设计轴承是本文探讨的主要问题。

 基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法5

滚针轴承寿命的公式
1971年ISO在召开的相关研讨会上提出用可靠

 

度系数a1、材料系数a2、使用条件系数a3对Lundberg-Palmgren公式进行修正[1]184,如
Lna=a1a2a3
()
C
P
p
基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法6
上个世纪八十年代Ioannides-Harris提出了新的轴承寿命理论,SKF在且其寿命理论基础上,采用了系数
aSKF,如
[8]
Lna=a1aSKF()
C
P
p
基于轴承寿命图谱的滚针轴承设计方法7
近年来IS0又对式(2)做了修正,采用了修正系数aISO,如
[9]
Lnmr=a1
∑ns
k=1aISO
eccur
Pks
,()[]
κ-9/{{8
qkci
P()kei-4.5+q
kce
P()kee
-[]}}
4.5-8/9
(3)
2影响轴承寿命的主要因素分析
从公式(3)可以看到,系数a1为失效概率系数,可
以按照文献[10]所给方法计算。系数aISO的计算,涉
及到的参数有ec,
cur,Pks,k。依据文献[11]24
,ec为污染因素,该文献中表13将污染程度分为7档,判断污
染程度后,
通过查表得到该系数的值;cur为疲劳载荷极限,通过文献[11]46
里的B3.3所给出的简化算法计
算出来。从cur的计算方法来看,其与轴承的节圆直径
dm大小均有关,ec与轴承的工作环境的清洁程度有关。
黏度比k与润滑因素有关,文献[
12]42
将其公式简化为式(4),
式中hmin为最小油膜厚度,由式(5)计算得到,
s1,s2分别是两个接触体的表面粗糙度的均方根。
k=hmin
s21
+s槡()
22
1.3
(4)hmin
=2.65
G0.54U0.7R
W0.18
(5)
Pks=0.323Zns
q
9/2kei
+1038q
ci
q()
ce
9/2
q9/2[
]kee
{/
1+1038q
ci
q()ce
9/[
]}
22/9
(6)
式中,
G是材料参数,U是速度参数,W是负荷参数,它们均为无量纲参数。R=0.5dw(1-γ),γ=
(dw/dm)cosα。根据文献[12]43
所给计算方法,在已知
滚动体直径dw,
轴承节圆直径dm,轴承转速n,滚动体数目Z,滚动体有效长度Lwe=Lw-r,
Lw滚针长度,r滚针倒角,所受径向载荷Fr,润滑油运动黏度v,润滑油密度ρ,轴承材料等值的情况下,带入相关公式求得轴承最小油膜厚度hmin。为了计算式(3),式(6)中的Pks,
qkei,qkee,需要计算轴承载荷分布情况,依据弹性接触理论,将滚动轨道简化成为两个半圆柱体接触,并将其可能接触区域划
分成为ns个矩形片状单元,利用改进切片法[13-14]
,建立ns+1个非线性方程,利用迭代法,编程求得接触区
域内每一个滚针的切片k承受的载荷qj,k,以及接触区域内每一个滚针的切片k分别与内外圈的接触应力Pe(i),j,k。将计算得到的qj,k与Pe(i),j,k分别带入式(7),式(8),式(9)求得qkei,qkee。式(6)中qci,qce为内外圈每一切片的基本额定动载荷,利用文献[
11]24
中的方法可直接计算得到。将计算好的qci,
qce及qkei,qkee带入式(6)计算得到Pks,再将所有计算出来的参数带入式(3)可以计算出轴承的额定修正寿命。
在计算轴承载荷分布情况时,需要确定的参数有轴承承受的径向载荷Fr、滚动体数目Z、滚针长度Lw、轴承节圆直径dm、滚动体直径dw、轴承的工作游隙pd。滚针轴承在安装中或使用中常常会出现内外圈
倾斜现象,
因此必须把内外圈倾斜的工况考虑进轴承载荷分布计算模型中。滚针在与内外圈接触过程中会
出现边缘应力现象,因此需要对滚针进行修形。本文中由于考虑到滚针的制造工艺,采用了较为常见的圆
弧修形,其计算公式如式(10),式中R为修形圆弧,Ls为直线长度,δ为修形凸度。在载荷分布计算过程中
需要的参数为Ls和δ。
由于滚动轴承承受的载荷一般是通过轴传递给轴承的,因此需要依据各类传动的类型来确定轴承的传动力,依据文献[15],可将传动类型分为带轮传动和
齿轮传动,
因滚针轴承不能承受轴向载荷,因此齿轮类型只有直齿轮传动。通过分析,当传动系统确定后,影
响轴承载荷的参数有传动功率P和轴承转速n。由于在载荷分布计算中,游隙参数为工作游隙,但在实际操作中,最先可获知的仅是初始游隙,因此需要依据初始游隙来计算轴承的工作游隙,依据文献[16],可按照式(11)来计算,式中Δ0为初始游隙,δi与δe是内外圈与轴和轴承座配合后对轴承游隙的影
响量,
δt是轴承的工作温度对轴承游隙的影响量。通过以上对轴承修正寿命的计算过程的分析,可以归纳出影响轴承寿命的基本参数。其中工况参数有:传动功率P、轴承转速n、润滑油运动黏度v、内外圈倾斜角度、轴承的工作游隙pd、污染程度;轴承尺寸参数有:滚动体数目Z、滚动体直径dw、滚针长度Lw、直线长度Ls,修形凸度δ。
qkei=1
Z∑Z
j=1(fi[j,k]qj,k)4.[]5
1
4.5
(7)qkee=
1
Z∑Z
j=1
(fe[j,k]qj,k)4.[
]
5
14.5
(8)

fe,i[
j,k]=Pe(i),j,k
()
2712
Dwe(1±γ)
Lwen[]s/
qj,k(9)
δ=
R2

Ls2()
40.5
-R2-Lwe
2
()
40.5
(10)Pd=Δ0-δe-δi-δt
(11)

轴承寿命图谱
通过对滚针轴承的寿命进行预估,判断润滑、转
速、传动功率、污染度、内外圈倾斜、游隙六个工况因素,以及Lw,dw,Z,Ls,δ等五个尺寸因素对滚针轴承寿命的影响,可以为设计师的轴承设计、制造、使用提
供一定的数据支持。但通过本文第2部分所描述,轴承的计算公式众多,参数众多,有必要将寿命的预估形
式进行转化,
使其更形象、更能被接受。为此建立了轴承传动系统力学模型,
并进一步建立轴承载荷分布力学模型,最后建立了轴承修正寿命计算的数学模型,将工况及尺寸影响因素考虑进了这个数学模型,因为轴承的这些系数不是孤立的,所以任意选择三个影响因素对寿命的影响程度,将这种影响范围、影响大小用图像、
图形、图线表达出来,使轴承相关工作人员一目了然地明白其表示的意思,达到指导设计、制造、使用的
目的。笔者开发了轴承寿命图谱分析软件,
利用它,可以很方便快捷的指导设计者设计滚针轴承。
图1
力学计算模块
Fig1
Themechanicalcalculationmodule
在此系统中,力学传动系统计算模块,如图1根据
滚针轴承特点,
只选用了两种传动方式,齿轮传动以及带轮传动,两种支承方式:双支承及三支承。在轴承寿命计算方面,
首先计算轴承的载荷分布,然后利用式(3)计算轴承的修正寿命。在图谱中,设计者可以任
选三种寿命影响因素,
用三重循环计算出这三种因素所有的寿命,组成一个四维图谱,设计者可通过图谱来观察轴承这三种寿命影响因素对轴承寿命影响,并且可以选取四维图谱切面观察在某一恒定的寿命影响因素下,轴承另外两项因素对轴承寿命的影响,设计者
可以通过调整系数选取页面中某些轴承设计参数,
依轴承寿命图谱
通过对滚针轴承的寿命进行预估,判断润滑、转
速、传动功率、污染度、内外圈倾斜、游隙六个工况因素,以及Lw,dw,Z,Ls,δ等五个尺寸因素对滚针轴承寿命的影响,可以为设计师的轴承设计、制造、使用提
供一定的数据支持。但通过本文第2部分所描述,轴承的计算公式众多,参数众多,有必要将寿命的预估形
式进行转化,
使其更形象、更能被接受。为此建立了轴承传动系统力学模型,
并进一步建立轴承载荷分布力学模型,最后建立了轴承修正寿命计算的数学模型,将工况及尺寸影响因素考虑进了这个数学模型,因为轴承的这些系数不是孤立的,所以任意选择三个影响因素对寿命的影响程度,将这种影响范围、影响大小用图像、
图形、图线表达出来,使轴承相关工作人员一目了然地明白其表示的意思,达到指导设计、制造、使用的
目的。笔者开发了轴承寿命图谱分析软件,
利用它,可以很方便快捷的指导设计者设计滚针轴承。
图1
力学计算模块
Fig1
Themechanicalcalculationmodule
在此系统中,力学传动系统计算模块,如图1根据
滚针轴承特点,
只选用了两种传动方式,齿轮传动以及带轮传动,两种支承方式:双支承及三支承。在轴承寿命计算方面,
首先计算轴承的载荷分布,然后利用式(3)计算轴承的修正寿命。在图谱中,设计者可以任
选三种寿命影响因素,
用三重循环计算出这三种因素所有的寿命,组成一个四维图谱,设计者可通过图谱来观察轴承这三种寿命影响因素对轴承寿命影响,并且可以选取四维图谱切面观察在某一恒定的寿命影响因素下,轴承另外两项因素对轴承寿命的影响,设计者
可以通过调整系数选取页面中某些轴承设计参数,
依轴承寿命图谱
通过对滚针轴承的寿命进行预估,判断润滑、转
速、传动功率、污染度、内外圈倾斜、游隙六个工况因素,以及Lw,dw,Z,Ls,δ等五个尺寸因素对滚针轴承寿命的影响,可以为设计师的轴承设计、制造、使用提
供一定的数据支持。但通过本文第2部分所描述,轴承的计算公式众多,参数众多,有必要将寿命的预估形
式进行转化,
使其更形象、更能被接受。为此建立了轴承传动系统力学模型,
并进一步建立轴承载荷分布力学模型,最后建立了轴承修正寿命计算的数学模型,将工况及尺寸影响因素考虑进了这个数学模型,因为轴承的这些系数不是孤立的,所以任意选择三个影响因素对寿命的影响程度,将这种影响范围、影响大小用图像、
图形、图线表达出来,使轴承相关工作人员一目了然地明白其表示的意思,达到指导设计、制造、使用的
目的。笔者开发了轴承寿命图谱分析软件,
利用它,可以很方便快捷的指导设计者设计滚针轴承。
图1
力学计算模块
Fig1
Themechanicalcalculationmodule
在此系统中,力学传动系统计算模块,如图1根据
滚针轴承特点,
只选用了两种传动方式,齿轮传动以及带轮传动,两种支承方式:双支承及三支承。在轴承寿命计算方面,
首先计算轴承的载荷分布,然后利用式(3)计算轴承的修正寿命。在图谱中,设计者可以任
选三种寿命影响因素,
用三重循环计算出这三种因素所有的寿命,组成一个四维图谱,设计者可通过图谱来观察轴承这三种寿命影响因素对轴承寿命影响,并且可以选取四维图谱切面观察在某一恒定的寿命影响因素下,轴承另外两项因素对轴承寿命的影响,设计者
可以通过调整系数选取页面中某些轴承设计参数,
依据寿命曲线曲率的变化来设计轴承