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工業腳輪的壽命有多少年
發表時間:2020/9/1 14:27:59
腳輪使用壽命 自然界苛刻的工作條件會導致腳輪的失效，但是如果遵循一些簡單的規則，腳輪正常運轉的機會是能夠被提高的。在腳輪的使用過程當中，過分的忽視會導致腳輪的過熱現象，也可能使腳輪不能夠再被使用，甚至完全的破壞。但是一個被損壞的腳輪，會留下它為什么被損壞的線索。通過一些細致的偵察工作，我們可以采取行動來避免腳輪的再次失效。
關鍵詞： 腳輪 失效 壽命
導致腳輪失效的原因很多，但常見的是不正確的使用、污染、黃油使用不當、裝卸或搬運時的損傷及安裝誤差等。診斷失效的原因并不困難，因為根據腳輪上留下的痕跡可以確定腳輪失效的原因。
然而，當事后的調查分析提供出寶貴的信息時，最好首先通過正確地選定腳輪來完全避免失效的發生。為了做到這一點，再考察一下制造廠商的尺寸定位指南和所選腳輪的使用特點是非常重要的。
1 腳輪失效的原因
在球腳輪的失效中約有40%是由灰塵、臟物、碎屑的污染以及腐蝕造成的。污染通常是由不正確的使用和不良的使用環境造成的，它還會引起扭矩和噪聲的問題。由環境和污染所產生的腳輪失效是可以預防的，而且通過簡單的肉眼觀察是可以確定產生這類失效的原因。
通過失效后的分析可以得知對已經失效的或將要失效的腳輪應該在哪些方面進行查看。弄清諸如剝蝕和疲勞破壞一類失效的機理，有助于消除問題的根源。
只要使用和安裝合理，腳輪的剝蝕是容易避免的。剝蝕的特征是在腳輪圈滾道上留有由沖擊載荷或不正確的安裝產生的壓痕。剝蝕通常是在載荷超過材料屈服極限時發生的。如果安裝不正確從而使某一載荷橫穿腳輪圈也會產生剝蝕。腳輪圈上的壓坑還會產生噪聲、振動和附加扭矩。
類似的一種缺陷是當腳輪不旋轉時由于滾珠在腳輪圈間振動而產生的橢圓形壓痕。這種破壞稱為低荷振蝕。這種破壞在運輸中的設備和不工作時仍振動的設備中都會產生。此外，低荷振蝕產生的碎屑的作用就象磨粒一樣，會進一步損害腳輪。與剝蝕不同，低荷振蝕的特征通常是由于微振磨損腐蝕在黃油中會產生淡紅色。
消除振動源并保持良好的腳輪潤滑可以防止低荷振蝕。給設備加隔離墊或對底座進行隔離可以減輕環境的振動。另外在腳輪上加一個較小的預載荷不僅有助于滾珠和腳輪圈保持緊密的接觸，并且對防止在設備運輸中產生的低荷振蝕也有幫助。
造成腳輪卡住的原因是缺少內隙、潤滑不當和載荷過大。在卡住之前，過大的摩擦和熱量使腳輪鋼軟化。過熱的腳輪通常會改變顏色，一般會變成藍黑色或淡黃色。摩擦還會使保持架受力，這會破壞支承架，并加速腳輪的失效。
材料過早出現疲勞破壞是由重載后過大的預載引起的。如果這些條件不可避免，就應仔細計算腳輪壽命，以制定一個維護計劃。
另一個解決辦法是更換材料。若標準的腳輪材料不能保證足夠的腳輪壽命，就應當采用特殊的材料。另外，如果這個問題是由于載荷過大造成的，就應該采用抗載能力更強或其他結構的腳輪。
蠕動不象過早疲勞那樣普遍。腳輪的蠕動是由于軸和內圈之間的間隙過大造成的。蠕動的害處很大，它不僅損害腳輪，也破壞其他零件。
蠕動的明顯特征是劃痕、擦痕或軸與內圈的顏色變化。為了防止蠕動，應該先用肉眼檢查一下腳輪箱件和軸的配件。
蠕動與安裝不正有關。如果腳輪圈不正或翹起，滾珠將沿著一個非圓周軌道運動。這個問題是由于安裝不正確或公差不正確或腳輪安裝現場的垂直度不夠造成的。如果偏斜超過0.25°，腳輪就會過早地失效。
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檢查黃油的污染比檢查裝配不正或蠕動要困難得多。污染的特征是使腳輪過早的出現磨損。黃油中的固體雜質就象磨粒一樣。如果滾珠和保持架之間潤滑不良也會磨損并削弱保持架。在這種情況下，潤滑對于完全加工形式的保持架來說是至關重要的。相比之下，帶狀或冠狀保持架能較容易地使黃油到達全部表面。
銹是濕氣污染的一種形式，它的出現常常表明材料選擇不當。如果某一材料經檢驗適合工作要求，那么防止生銹的最簡單的方法是給腳輪包裝起來，直到安裝使用時才打開包裝。
2 避免失效的方法
解決腳輪失效問題的最好辦法就是避免失效發生。這可以在選用過程中通過考慮關鍵性能特征來實現。這些特征包括噪聲、起動和運轉扭矩、剛性、非重復性振擺以及徑向和軸向間隙。
扭矩要求是由黃油、保持架、腳輪圈質量（彎曲部分的圓度和表面加工質量）以及是否使用密封或遮護裝置來決定。黃油的粘度必須認真加以選擇，因為不適宜的黃油會產生過大的扭矩，這在小型腳輪中尤其如此。另外，不同的黃油的噪聲特性也不一樣。舉例來說，潤滑脂產生的噪聲比潤滑油大一些。因此，要根據不同的用途來選用黃油。
在腳輪轉動過程中，如果內圈和外圈之間存在一個隨機的偏心距，就會產生與凸輪運動非常相似的非重復性振擺（NRR）。保持架的尺寸誤差和腳輪圈與滾珠的偏心都會引起NRR。和重復性振擺不同的是，NRR是沒有辦法進行補償的。
在工業中一般是根據具體的應用來選擇不同類型和精度等級的腳輪。例如，當要求振擺最小時，腳輪的非重復性振擺不能超過0.3微米。同樣，機床主軸只能容許最小的振擺，以保證切削精度。因此在機床的應用中應該使用非重復性振擺較小的腳輪。
在許多工業產品中，污染是不可避免的，因此常用密封或遮護裝置來保護腳輪，使其免受灰塵或臟物的侵蝕。但是，由于腳輪內外圈的運動，使腳輪的密封不可能達到完美的程度，因此潤滑油的泄漏和污染始終是一個未能解決的問題。
一旦腳輪受到污染，黃油就要變質，運行噪聲也隨之變大。如果腳輪過熱，它將會卡住。當污染物處于滾珠和腳輪圈之間時，其作用和金屬表面之間的磨粒一樣，會使腳輪磨損。采用密封和遮護裝置來擋開臟物是控制污染的一種方法。
噪聲是反映腳輪質量的一個指標。腳輪的性能可以用不同的噪聲等級來表示。
噪聲的分析是用安德遜計進行的，該儀器在腳輪生產中可用來控制質量，也可對失效的腳輪進行分析。將一傳感器連接在腳輪外圈上，而內圈在心軸以1800r/min的轉速旋轉。測量噪聲的單位為anderon。即用um/rad表示的腳輪位移。
根據經驗，觀察者可以根據聲音辨別出微小的缺陷。例如，灰塵產生的是不規則的劈啪聲；滾珠劃痕產生一種連續的爆破聲，確定這種劃痕最困難；內圈損傷通常產生連續的高頻噪聲，而外圈損傷則產生一種間歇的聲音。
腳輪缺陷可以通過其頻率特性進一步加以鑒定。通常腳輪缺陷被分為低、中、高三個波段。缺陷還可以根據腳輪每轉動一周出現的不規則變化的次數加以鑒定。
低頻噪聲是長波段不規則變化的結果。腳輪每轉一周這種不規則變化可出現1.6~10次，它們是由各種干涉（例如 腳輪圈滾道上的凹坑）引起的。可察覺的凹坑是一種制造缺陷，它是在制造過程中由于多爪卡盤夾的太緊而形成的。
中頻噪聲的特征是腳輪每旋轉一周不規則變化出現10~60次。這種缺陷是由在腳輪圈和滾珠的磨削加工中出現的振動引起的。腳輪每旋轉一周高頻不規則變化出現60~300次，它表明腳輪上存在著密集的振痕或大面積的粗糙不平。
利用腳輪的噪聲特性對腳輪進行分類，用戶除了可以確定大多數廠商所使用的ABEC標準外，還可確定腳輪的噪聲等級。ABEC標準只定義了諸如孔、外徑、振擺等尺寸公差。隨著ABEC級別的增加（從3增到9），公差逐漸變小。但ABEC等級并不能反映其他腳輪特性，如腳輪圈質量、粗糙度、噪聲等。因此，噪聲等級的劃分有助于工業標準的改進。
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滾動腳輪的壽命計算
1 基本額定壽命和基本額定動載荷
腳輪中任一元件出現疲勞點蝕前的總轉數或一定轉速下工作的小時數稱為腳輪壽命。大量實驗證明，在一批腳輪中結構尺寸、材料及熱處理、加工方法、使用條件完全相同的腳輪壽命是相當離散的（圖1是一組20套腳輪壽命實驗的結果），最長壽命是最短壽命的數十倍。對一具體腳輪很難確切預知其壽命，但對一批腳輪用數理統計方法可以求出其壽命概率分布規律。腳輪的壽命不能以一批中最長或最短的壽命做基準，標準中規定對于一般使用的機器，以90%的腳輪不發生破壞的壽命作為基準。
（1）基本額定壽命 一批相同的腳輪中90%的腳輪在疲勞點蝕前能夠達到或
超過的總轉數Lr（106轉為單位）或在一定轉速下工作的小時數Lh(h)。
圖1 腳輪壽命試驗結果
可靠度要求超過90%，或改變腳輪材料性能和運轉條件時，可以對基本額定壽命進行修正。
（2）基本額定動載荷 滾動腳輪標準中規定，基本額定壽命為一百萬轉時，
腳輪所能承受的載荷稱為基本額定動載荷，用字母C表示，即在基本額定動載荷作用下，腳輪可以工作一百萬轉而不發生點蝕失效的概率為90%。基本額定動載荷是衡量腳輪抵抗點蝕能力的一個表征值，其值越大，腳輪抗疲勞點蝕能力越強。基本額定動載荷又有徑向基本額定動載荷（Cr）和軸向基本額定動載荷（Ca）
之分。徑向基本動載荷對向心腳輪（角接觸腳輪除外）是指徑向載荷，對角接觸腳輪指腳輪套圈間產生相對徑向位移的載荷的徑向分量。對推力腳輪指中心軸向載荷。
腳輪的基本額定動載荷的大小與腳輪的類型、結構、尺寸大小及材料等有關，可以從手冊或腳輪產品樣本中直接查出數值。
2 當量動載荷
腳輪的基本額定動載荷C（Cr和Ca）是在一定條件下確定的。對同時承受徑向載荷和軸向載荷作用的腳輪進行壽命計算時，需要把實際載荷折算為與基本額定動載荷條件相一致的一種假想載荷，此假想載荷稱為當量動載荷，用字母P表示。
當量動載荷P的計算方法如下：
同時承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa的腳輪
P?fP(XFr?YFa)
（1）
受純徑向載荷Fr的腳輪（如N、NA類腳輪）
P?fPFr
（2）
受純軸向載荷Fa的腳輪（如5類、8類腳輪）
P?fPFa
（3）
式中：X——徑向動載荷系數，查表1；
Y——軸向動載荷系數，查表1；
fP沖擊載荷系數，見表2。
載荷系數fP是考慮了機械工作時腳輪上的載荷由于機器的慣性、零件的誤差、軸或腳輪座變形而產生的附加力和沖擊力，考慮這些影響因素，對理論當量動載荷加以修正。
表中e是判斷系數。Fa/C0r為相對軸向載荷，它反映軸向載荷的相對大小，其中C0r是腳輪的徑向基本額定載荷。表中未列出Fa/C0r的中間值，可按線性插值法求出相對應的e、Y值。
表1 腳輪的徑向和軸向東在和系數X和Y
單列腳輪
腳輪類型 Fa/C0r
深
溝
球
軸
承
圓錐滾子腳輪
角接觸球腳輪
1
1 0
0
1
0
1
1
1
—
e Fa/ Fr≤e
X
1 Y
0
Fa/ Fr>e
X
Y
1 0 雙列腳輪（或成對安裝單列腳輪）
Fa/ Fr≤e
X
1 Y
0
Fa/ Fr>e
X
Y
α α 1 cotα cotα
α=150
α=250
α=400
調心球腳輪
調心滾子腳輪
四點接觸球腳輪α=350 —
—
—
— α
α
1
1
1
— α
α
—
— α
α
— α
表2 載荷系數fP的值
載荷性質
平穩運轉或有輕微沖擊
中等沖擊
強大沖擊 fP
~
~
~ 舉例
電動機、通風機、水泵、汽輪機等
機床、車輛、冶金設備、起重機等
軋鋼機、破碎機、振動篩、鉆探機等
3 額定壽命計算
（1）基本額定壽命計算
計算滾動腳輪壽命的傳統方法是建立在瑞典科學家倫德貝格（）和帕姆格倫
（）的滾動接觸疲勞理論基礎上的。國際標準化組織把倫德貝格-帕姆格倫（L-P理論）確定為計算腳輪壽命的基礎并編入現行的ISO281-1997標準中。方法規定，腳輪或腳輪組的基本額定壽命為可靠度90%時的壽命，它以腳輪工作表面出現疲勞剝落之前所完成的工作轉數，或一定轉速下的工作小時數來計算。
基本額定動載荷為C（Cr或Ca）值的腳輪，當其當量動載荷P=C時，則該腳輪的基本額定壽命L10?1，其單位為106轉；若P?C時，其額定壽命將隨載荷增大而降低，壽命與載荷之間的關系可以用疲勞曲線表示（圖2為6211腳輪的載荷L-P的曲線圖）。
圖2腳輪的L-P曲線
圖中曲線方程為：
P?L10?C?=常數
故
L10?(CP)? (106r) （4）
式中：?——壽命指數，球腳輪??3，滾子腳輪??103。
計算腳輪壽命，用小時表示壽命有時更方便，令n為轉速（rmin），腳輪每小時旋轉次數為60n，則
L10h10616670?C??L10??? （h） （5） 60nn?P??式中：L10h的單位為h。
L-P方程以材料強度具有組織敏感性為前提，同時考慮外載荷引發材料內部最大應力的交變應力幅及該應力在材料應力體積內的影響。這種立足與材料破壞原則的觀點至今有效。L-P理論建立在源于次表面的疲勞裂紋的基礎上，其認識實踐受到當時腳輪技術和制造水平的限制，因此其適用性有限。如僅適用90%可靠度的壽命評估和淬火硬度至少為58HRC的普通腳輪鋼，并假定內、外圈為剛性支承；其腳輪相互平行；運轉時腳輪游隙正常；腳輪工作中不考慮摩擦、滑動的影響；腳輪接觸處于最佳狀態而不會出現應力集中等。但是，這并不意味著L-P理論不再適用了，相反，經驗表明對大多數腳輪壽命評估而言，L-P理論仍具有足夠的精度要求。
公式中的基本額定動載荷C，一般指腳輪外圈測量處的工作溫度低于120℃時的腳輪承載能力。若溫度超過120℃，則滾動體與滾道接觸處的溫度超過腳輪元件的回火溫度，元件將喪失原有尺寸的穩定性，此時應選用經過特殊熱處理，或用特殊材料制造的高溫腳輪。若仍使用樣本中查出的C值，需加以修正，即
Ct?ftC （6）
式中：Ct——高溫腳輪的基本額定動載荷；
ft——溫度系數，見表3。
當已知腳輪轉速n(r/min)、當量動載荷P(N)及預壽命L＇h(h)時，可將公式（5）變換為：
＇60nLnLhh? C?P? ?P61016670（7）
式中C的單位為N，L＇h為腳輪的預期使用壽命（見表4），應取L10h?L＇h。
表3 溫度系數ft
腳輪工作溫度/oC
溫度系數ft <120
125
150
175
200
225
250
300
350
表4 腳輪預期壽命Lh推薦值
機械種類
不經常使用的儀器和設備
中斷使用不引起嚴重后果
中斷使用引起嚴重后果
利用率不高、不滿載使用
滿載使用
正常使用
中斷使用將引起嚴重后果 示 例
閘門開閉裝置、門窗開閉裝置等
手動機械、農業機械等
升降機、發電站輔助設備、吊車等
起重機、電動機、齒輪傳動等
機床、印刷機械、木材加工機械等
水泵、防止機械、空氣壓縮機等
發電站主電機、給排水裝置、船舶螺旋槳軸等 預期壽命L＇h
300～3000
3000～8000
8000～12000
12000～20000
20000～30000
40000～60000
>100000 ＇間斷使用的機械
每日工作8小時的機械
24小時連續使用的機械
（2）修正額定壽命方程
然而，滾動腳輪的應用實踐證實，實驗所確定的腳輪實際壽命與計算壽命出入很大。這是因為，腳輪生產中已采用組織均勻、非金屬夾雜物含量極少的優質鋼[1]；通過腳輪可靠性統計數據的積累，能將腳輪壽命與其破壞概率（％）聯系起來；接觸-流體動力學潤滑理論有了發展，而該理論能夠分析評價潤滑材料性能對腳輪壽命的影響。因此，ISO提出了以L10為基礎的修正滾動腳輪壽命計算方程：
Lna?a1a2a3L10(C/P)?
（8）
式中：Lna——任意使用條件下的壽命，n表示失效概率數；
a1——可靠性系數；見表5；
a2——材料性能修正系數，包括材料、設計和制造等影響因素；
a3——工作條件修正系數，包括黃油、黃油清潔度、逆向溫度和裝配條件等影響因素。
表5 可靠度與修正系數a1的對應值
可靠度/(％)
系數a1 90
95
96
97
98
99
材料特征修正系數a2沒有恒定的值，只有參考值1。a2主要考慮材料和制造質量（如材料成分、冶煉方法、毛坯成形方法等）的影響。通常夾雜物含量很低或經特殊冶煉過的高質量鋼材可取a2?1，經熱處理、材料硬度下降、硬度值低于標準值的材料取a2?1，并由制造廠給出。在大量的研究工作基礎上，美國STLE給出了a2一些可供參考用的推薦值。
使用條件修正系數a3主要考慮在指定轉速和溫度條件下潤滑情況的影響，其次也要考慮軸心的偏斜或不同心。內、外圈得支承情況和安裝間隙的影響。一般使用條件取a3?1，潤滑特別良好取a3?1，轉速特別低（DPwn?104）應取a3?1。
a3值由理論分析和實驗研究確定，由制造廠提供。DPw為滾動腳輪平均大徑，DPw?(D?d)/2。
值得注意的是，a2和a3是相互關聯的，不能通過簡單提高某一系數的方法來彌補另一系數的不足，一個合理的解釋是，只有工作條件合適時，腳輪特性的優點才能充分發揮。在一般工作條件和90％可靠性時，ANSI方程與L-P方程計算出的腳輪壽命相同。但一項新的研究表明：不僅在持久疲勞壽命方面，而且在腳輪結構設計方面，L-P理論與實際測定的結果都出現了較大的差異。
例題 某齒輪軸上用一對深溝球腳輪作支承，腳輪徑向載荷Fr = 4500N，軸向載荷Fa = 918N，轉速n = 1500r/min，運轉時有輕微沖擊，軸頸直徑d?60mm，預期壽命L＇h?16000h，試選擇腳輪型號。
解 腳輪型號未確定前，有關參數X、Y、e、C0r都無法確定，可以根據已知條件，預選腳輪6212、6213進行試算，計算步驟和結果列于下表6：
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