轴承的寿命理论(一)


关于轴承的寿命理论

      

      对于所有会使用到轴承的工程师来说,轴承寿命是个绕不过去的坎。无论是轴承的选型,设备的初步校核计算,还是轴承的失效分析,我们或多或少的都会想到要去计算或者校核轴承的寿命。


      在选型阶段,轴承的寿命计算显的更加重要。因为不仅涉及到选的轴承是否正确,还有轴承在设备中是否能达到预期的使用时间。


      在做轴承选型的寿命计算之前,我们得知道到底什么是轴承的寿命。而且我相信很多熟悉轴承的工程师每天都会听到很多跟轴承寿命相关的名词,例如,轴承寿命,轴承的额定寿命,轴承的疲劳寿命,还有高级疲劳寿命,使用寿命,这些名词的背后都代表了什么意思,这些寿命之间有什么关系,为什么寿命被表示成L10,那些公式里林林总总的系数都是什么意思?


      轴承的寿命,说起来是个很简单的概念,但是涉及到应用,牵扯的东西方方面面。所以,这个话题的内容比较多,我们会准备一系列文章一一跟大家讨论。



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什么是轴承的寿命

      

      20世纪40年代,人们已经认识到,运转中的滚动轴承,如果润滑良好,运行环境干净无杂质,没有潮气和腐蚀,并且载荷适中,那么轴承损坏的原因只有一个,即材料的疲劳。过去我们一直认为,由于存在滚动接触表面的疲劳概率,任何旋转轴承(包括滚动,滑动,以及其他设计的轴承)都不可能无限运转。因为轴承中的应力是循环作用在接触表面,相比较其他的工程结构来说,这种应力要大得多。同时,在其他的工程结构中,钢材(或者金属材料)具有一个代表动态应力水平的耐久极限,如果动态应力不超过这一水平,结构就不会发生疲劳破坏。


      滚动接触疲劳表现为:金属颗粒从滚道(或者滚动体)表面剥落的过程。对于润滑很好的轴承,以及制作工艺(尺寸精度,尺寸一致性,表面精度等等)较好的轴承,裂纹(剥落)最先开始于表面下(很多老一辈的工程师也称作次表面),然后向上延伸到表面,最后在接触面(也叫做承载面)形成点状,或者较大面积的材料剥落。


      早期的轴承专家认为,导致表面下裂纹或者剥落发生的罪魁是最大正交剪应力,而这个剪应力位于表面下几个微米的深度。


      上述的三个段落的内容,从真正意义上解释了什么是轴承的疲劳寿命。我相信大家在看了大半年《轴承问题终结者》的文章之后,想要理解上面的文字应该是一件很容易的事情了。


多说两句

      当然,目前为止也并不是所有的轴承研究者都同意最大正交剪应力是导致轴承失效的关键性应力。

      冯·米塞斯曾经提过一个形变能理论,这个理论的内容是有一个近似于两倍最大正交剪切应力幅值的等效应力才是导致轴承失效的最终原因,而且这个等效应力出现的位置比最大正交剪应力还深50%。

      当然,有各种各样的理论,或者研究,都是为了找到最终的原因,但是我们只要理解原理就好,我们不是轴承的研究者,这些内容大家知道就好,不要太深入的了解。


总结一下上面的文字,最终就是两个结论:


  • 轴承的疲劳跟材料有关,

  • 轴承的疲劳是应力导致的结果,



0 2
轴承寿命的表征

      

      我相信大家都有一个感觉,轴承出现问题,即失效的时间似乎都远远早于轴承计算出来的寿命,原因是什么?这里我们就可以跟大家一起探讨一下上述那些关于轴承疲劳的名词都是怎么回事了。


轴承的寿命是个统计学的概念

      

      即便我们从应力的角度去计算轴承的寿命,我们也不可能真正算出某个轴承的唯一寿命到底是多少,因为从寿命理论的角度来做的分析都是大概率的或者说绝大多数轴承出现问题的概率。


      L10本来的意思就是,当90%的轴承达到这个计算结果,就叫做轴承在这个应用下(或载荷下)的寿命。(请注意这里,我没有用疲劳寿命这个词,为什么,以后再说。)


      所以,即便我们看到的轴承失效都是轴承旋转到了发生金属材料的疲劳,也有10%概率的轴承的寿命会低于计算寿命。

影响轴承寿命的其他因素

      

      在开篇我们就提到,轴承损坏的原因,除了金属材料的疲劳以外,需要“润滑良好,运行环境干净无杂质,没有潮气和腐蚀,并且载荷适中”。


      从另一个角度说,我们所看到的轴承损坏,绝大部分的原因都不是疲劳,而是润滑不良,杂质入侵,安装损伤,水分侵蚀,其他腐蚀,过电流,载荷不稳定,振动,甚至加工损伤,储存不良,密封泄漏,轴承室磨损,轴尺寸偏差,等等各种各样的原因。


      而上述的这些因素,在早期,并且单纯的轴承疲劳寿命校核里我们是没有考虑到的。


      但是随着现代轴承理论的发展,在前辈理论的基础之上,我们慢慢的把上述比较重要的影响因素通过一些手段引入到了轴承寿命的校核中。使得我们越来越接近轴承真实的使用寿命,这也就是文章一开始提到的问题,我们开始有了:额定寿命的概念,以及疲劳寿命,高级疲劳寿命,使用寿命等等不同的说法。


      下篇文章我们即将进入注意,先聊聊什么是额定寿命吧。


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