工业脚轮的寿命有多少年

发表时间:2020/9/1 14:27:59

脚轮使用寿命 自然界苛刻的工作条件会导致脚轮的失效，但是如果遵循一些简单的规则，脚轮正常运转的机会是能够被提高的。在脚轮的使用过程当中，过分的忽视会导致脚轮的过热现象，也可能使脚轮不能够再被使用，甚至完全的破坏。但是一个被损坏的脚轮，会留下它为什么被损坏的线索。通过一些细致的侦察工作，我们可以采取行动来避免脚轮的再次失效。
                                            关键词： 脚轮 失效 寿命
导致脚轮失效的原因很多，但常见的是不正确的使用、污染、黄油使用不当、装卸或搬运时的损伤及安装误差等。诊断失效的原因并不困难，因为根据脚轮上留下的痕迹可以确定脚轮失效的原因。
然而，当事后的调查分析提供出宝贵的信息时，最好首先通过正确地选定脚轮来完全避免失效的发生。为了做到这一点，再考察一下制造厂商的尺寸定位指南和所选脚轮的使用特点是非常重要的。
1 脚轮失效的原因
在球脚轮的失效中约有40%是由灰尘、脏物、碎屑的污染以及腐蚀造成的。污染通常是由不正确的使用和不良的使用环境造成的，它还会引起扭矩和噪声的问题。由环境和污染所产生的脚轮失效是可以预防的，而且通过简单的肉眼观察是可以确定产生这类失效的原因。
通过失效后的分析可以得知对已经失效的或将要失效的脚轮应该在哪些方面进行查看。弄清诸如剥蚀和疲劳破坏一类失效的机理，有助于消除问题的根源。
只要使用和安装合理，脚轮的剥蚀是容易避免的。剥蚀的特征是在脚轮圈滚道上留有由冲击载荷或不正确的安装产生的压痕。剥蚀通常是在载荷超过材料屈服极限时发生的。如果安装不正确从而使某一载荷横穿脚轮圈也会产生剥蚀。脚轮圈上的压坑还会产生噪声、振动和附加扭矩。
类似的一种缺陷是当脚轮不旋转时由于滚珠在脚轮圈间振动而产生的椭圆形压痕。这种破坏称为低荷振蚀。这种破坏在运输中的设备和不工作时仍振动的设备中都会产生。此外，低荷振蚀产生的碎屑的作用就象磨粒一样，会进一步损害脚轮。与剥蚀不同，低荷振蚀的特征通常是由于微振磨损腐蚀在黄油中会产生淡红色。
消除振动源并保持良好的脚轮润滑可以防止低荷振蚀。给设备加隔离垫或对底座进行隔离可以减轻环境的振动。另外在脚轮上加一个较小的预载荷不仅有助于滚珠和脚轮圈保持紧密的接触，并且对防止在设备运输中产生的低荷振蚀也有帮助。
造成脚轮卡住的原因是缺少内隙、润滑不当和载荷过大。在卡住之前，过大的摩擦和热量使脚轮钢软化。过热的脚轮通常会改变颜色，一般会变成蓝黑色或淡黄色。摩擦还会使保持架受力，这会破坏支承架，并加速脚轮的失效。
材料过早出现疲劳破坏是由重载后过大的预载引起的。如果这些条件不可避免，就应仔细计算脚轮寿命，以制定一个维护计划。
另一个解决办法是更换材料。若标准的脚轮材料不能保证足够的脚轮寿命，就应当采用特殊的材料。另外，如果这个问题是由于载荷过大造成的，就应该采用抗载能力更强或其他结构的脚轮。
蠕动不象过早疲劳那样普遍。脚轮的蠕动是由于轴和内圈之间的间隙过大造成的。蠕动的害处很大，它不仅损害脚轮，也破坏其他零件。
蠕动的明显特征是划痕、擦痕或轴与内圈的颜色变化。为了防止蠕动，应该先用肉眼检查一下脚轮箱件和轴的配件。
蠕动与安装不正有关。如果脚轮圈不正或翘起，滚珠将沿着一个非圆周轨道运动。这个问题是由于安装不正确或公差不正确或脚轮安装现场的垂直度不够造成的。如果偏斜超过0.25°，脚轮就会过早地失效。
- 1 -
 
检查黄油的污染比检查装配不正或蠕动要困难得多。污染的特征是使脚轮过早的出现磨损。黄油中的固体杂质就象磨粒一样。如果滚珠和保持架之间润滑不良也会磨损并削弱保持架。在这种情况下，润滑对于完全加工形式的保持架来说是至关重要的。相比之下，带状或冠状保持架能较容易地使黄油到达全部表面。
锈是湿气污染的一种形式，它的出现常常表明材料选择不当。如果某一材料经检验适合工作要求，那么防止生锈的最简单的方法是给脚轮包装起来，直到安装使用时才打开包装。
2 避免失效的方法
解决脚轮失效问题的最好办法就是避免失效发生。这可以在选用过程中通过考虑关键性能特征来实现。这些特征包括噪声、起动和运转扭矩、刚性、非重复性振摆以及径向和轴向间隙。
扭矩要求是由黄油、保持架、脚轮圈质量（弯曲部分的圆度和表面加工质量）以及是否使用密封或遮护装置来决定。黄油的粘度必须认真加以选择，因为不适宜的黄油会产生过大的扭矩，这在小型脚轮中尤其如此。另外，不同的黄油的噪声特性也不一样。举例来说，润滑脂产生的噪声比润滑油大一些。因此，要根据不同的用途来选用黄油。
在脚轮转动过程中，如果内圈和外圈之间存在一个随机的偏心距，就会产生与凸轮运动非常相似的非重复性振摆（NRR）。保持架的尺寸误差和脚轮圈与滚珠的偏心都会引起NRR。和重复性振摆不同的是，NRR是没有办法进行补偿的。
在工业中一般是根据具体的应用来选择不同类型和精度等级的脚轮。例如，当要求振摆最小时，脚轮的非重复性振摆不能超过0.3微米。同样，机床主轴只能容许最小的振摆，以保证切削精度。因此在机床的应用中应该使用非重复性振摆较小的脚轮。
在许多工业产品中，污染是不可避免的，因此常用密封或遮护装置来保护脚轮，使其免受灰尘或脏物的侵蚀。但是，由于脚轮内外圈的运动，使脚轮的密封不可能达到完美的程度，因此润滑油的泄漏和污染始终是一个未能解决的问题。
一旦脚轮受到污染，黄油就要变质，运行噪声也随之变大。如果脚轮过热，它将会卡住。当污染物处于滚珠和脚轮圈之间时，其作用和金属表面之间的磨粒一样，会使脚轮磨损。采用密封和遮护装置来挡开脏物是控制污染的一种方法。
噪声是反映脚轮质量的一个指标。脚轮的性能可以用不同的噪声等级来表示。
噪声的分析是用安德逊计进行的，该仪器在脚轮生产中可用来控制质量，也可对失效的脚轮进行分析。将一传感器连接在脚轮外圈上，而内圈在心轴以1800r/min的转速旋转。测量噪声的单位为anderon。即用um/rad表示的脚轮位移。
根据经验，观察者可以根据声音辨别出微小的缺陷。例如，灰尘产生的是不规则的劈啪声；滚珠划痕产生一种连续的爆破声，确定这种划痕最困难；内圈损伤通常产生连续的高频噪声，而外圈损伤则产生一种间歇的声音。
脚轮缺陷可以通过其频率特性进一步加以鉴定。通常脚轮缺陷被分为低、中、高三个波段。缺陷还可以根据脚轮每转动一周出现的不规则变化的次数加以鉴定。
低频噪声是长波段不规则变化的结果。脚轮每转一周这种不规则变化可出现1.6~10次，它们是由各种干涉（例如 脚轮圈滚道上的凹坑）引起的。可察觉的凹坑是一种制造缺陷，它是在制造过程中由于多爪卡盘夹的太紧而形成的。
中频噪声的特征是脚轮每旋转一周不规则变化出现10~60次。这种缺陷是由在脚轮圈和滚珠的磨削加工中出现的振动引起的。脚轮每旋转一周高频不规则变化出现60~300次，它表明脚轮上存在着密集的振痕或大面积的粗糙不平。
利用脚轮的噪声特性对脚轮进行分类，用户除了可以确定大多数厂商所使用的ABEC标准外，还可确定脚轮的噪声等级。ABEC标准只定义了诸如孔、外径、振摆等尺寸公差。随着ABEC级别的增加（从3增到9），公差逐渐变小。但ABEC等级并不能反映其他脚轮特性，如脚轮圈质量、粗糙度、噪声等。因此，噪声等级的划分有助于工业标准的改进。
- 2 -
 

滚动脚轮的寿命计算
1 基本额定寿命和基本额定动载荷
    脚轮中任一元件出现疲劳点蚀前的总转数或一定转速下工作的小时数称为脚轮寿命。大量实验证明，在一批脚轮中结构尺寸、材料及热处理、加工方法、使用条件完全相同的脚轮寿命是相当离散的（图1是一组20套脚轮寿命实验的结果），最长寿命是最短寿命的数十倍。对一具体脚轮很难确切预知其寿命，但对一批脚轮用数理统计方法可以求出其寿命概率分布规律。脚轮的寿命不能以一批中最长或最短的寿命做基准，标准中规定对于一般使用的机器，以90%的脚轮不发生破坏的寿命作为基准。 
（1）基本额定寿命 一批相同的脚轮中90%的脚轮在疲劳点蚀前能够达到或
超过的总转数Lr（106转为单位）或在一定转速下工作的小时数Lh(h)。
图1 脚轮寿命试验结果
可靠度要求超过90%，或改变脚轮材料性能和运转条件时，可以对基本额定寿命进行修正。 
（2）基本额定动载荷  滚动脚轮标准中规定，基本额定寿命为一百万转时，
脚轮所能承受的载荷称为基本额定动载荷，用字母C表示，即在基本额定动载荷作用下，脚轮可以工作一百万转而不发生点蚀失效的概率为90%。基本额定动载荷是衡量脚轮抵抗点蚀能力的一个表征值，其值越大，脚轮抗疲劳点蚀能力越强。基本额定动载荷又有径向基本额定动载荷（Cr）和轴向基本额定动载荷（Ca）
之分。径向基本动载荷对向心脚轮（角接触脚轮除外）是指径向载荷，对角接触脚轮指脚轮套圈间产生相对径向位移的载荷的径向分量。对推力脚轮指中心轴向载荷。
脚轮的基本额定动载荷的大小与脚轮的类型、结构、尺寸大小及材料等有关，可以从手册或脚轮产品样本中直接查出数值。
2 当量动载荷
脚轮的基本额定动载荷C（Cr和Ca）是在一定条件下确定的。对同时承受径向载荷和轴向载荷作用的脚轮进行寿命计算时，需要把实际载荷折算为与基本额定动载荷条件相一致的一种假想载荷，此假想载荷称为当量动载荷，用字母P表示。
当量动载荷P的计算方法如下：
同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa的脚轮 
P?fP(XFr?YFa)
（1）
受纯径向载荷Fr的脚轮（如N、NA类脚轮） 
P?fPFr
（2）
受纯轴向载荷Fa的脚轮（如5类、8类脚轮） 
P?fPFa
（3）
式中：X——径向动载荷系数，查表1；
      Y——轴向动载荷系数，查表1；
      fP冲击载荷系数，见表2。
载荷系数fP是考虑了机械工作时脚轮上的载荷由于机器的惯性、零件的误差、轴或脚轮座变形而产生的附加力和冲击力，考虑这些影响因素，对理论当量动载荷加以修正。
表中e是判断系数。Fa/C0r为相对轴向载荷，它反映轴向载荷的相对大小，其中C0r是脚轮的径向基本额定载荷。表中未列出Fa/C0r的中间值，可按线性插值法求出相对应的e、Y值。
 
     表1 脚轮的径向和轴向东在和系数X和Y
单列脚轮
脚轮类型 Fa/C0r
深
沟
球
轴
承 
圆锥滚子脚轮
角接触球脚轮 
 1
1 0
0 
1 
0
 1
1 
1 
 — 
 e Fa/ Fr≤e
X
1 Y
0
 Fa/ Fr>e
X
 Y
1 0  双列脚轮（或成对安装单列脚轮）
Fa/ Fr≤e
X
1 Y
0
 Fa/ Fr>e
X
 Y
α α 1  cotα   cotα
α=150 
α=250
α=400
调心球脚轮
调心滚子脚轮
四点接触球脚轮α=350 —
—
—
— α
α 
1 
 1
1
— α
α
— 
— α
α
— α  
表2 载荷系数fP的值
载荷性质
平稳运转或有轻微冲击
中等冲击
强大冲击 fP
~
~
~ 举例
电动机、通风机、水泵、汽轮机等
机床、车辆、冶金设备、起重机等
轧钢机、破碎机、振动筛、钻探机等 
3 额定寿命计算
（1）基本额定寿命计算
计算滚动脚轮寿命的传统方法是建立在瑞典科学家伦德贝格（）和帕姆格伦
（）的滚动接触疲劳理论基础上的。国际标准化组织把伦德贝格-帕姆格伦（L-P理论）确定为计算脚轮寿命的基础并编入现行的ISO281-1997标准中。方法规定，脚轮或脚轮组的基本额定寿命为可靠度90%时的寿命，它以脚轮工作表面出现疲劳剥落之前所完成的工作转数，或一定转速下的工作小时数来计算。
基本额定动载荷为C（Cr或Ca）值的脚轮，当其当量动载荷P=C时，则该脚轮的基本额定寿命L10?1，其单位为106转；若P?C时，其额定寿命将随载荷增大而降低，寿命与载荷之间的关系可以用疲劳曲线表示（图2为6211脚轮的载荷L-P的曲线图）。
图2脚轮的L-P曲线
图中曲线方程为：
P?L10?C?=常数
故
L10?(CP)?     (106r)             （4）
式中：?——寿命指数，球脚轮??3，滚子脚轮??103。
计算脚轮寿命，用小时表示寿命有时更方便，令n为转速（rmin），脚轮每小时旋转次数为60n，则
L10h10616670?C??L10???    （h）           （5） 60nn?P??式中：L10h的单位为h。
L-P方程以材料强度具有组织敏感性为前提，同时考虑外载荷引发材料内部最大应力的交变应力幅及该应力在材料应力体积内的影响。这种立足与材料破坏原则的观点至今有效。L-P理论建立在源于次表面的疲劳裂纹的基础上，其认识实践受到当时脚轮技术和制造水平的限制，因此其适用性有限。如仅适用90%可靠度的寿命评估和淬火硬度至少为58HRC的普通脚轮钢，并假定内、外圈为刚性支承；其脚轮相互平行；运转时脚轮游隙正常；脚轮工作中不考虑摩擦、滑动的影响；脚轮接触处于最佳状态而不会出现应力集中等。但是，这并不意味着L-P理论不再适用了，相反，经验表明对大多数脚轮寿命评估而言，L-P理论仍具有足够的精度要求。
公式中的基本额定动载荷C，一般指脚轮外圈测量处的工作温度低于120℃时的脚轮承载能力。若温度超过120℃，则滚动体与滚道接触处的温度超过脚轮元件的回火温度，元件将丧失原有尺寸的稳定性，此时应选用经过特殊热处理，或用特殊材料制造的高温脚轮。若仍使用样本中查出的C值，需加以修正，即
   Ct?ftC                        （6）
式中：Ct——高温脚轮的基本额定动载荷；
      ft——温度系数，见表3。
当已知脚轮转速n(r/min)、当量动载荷P(N)及预寿命L＇h(h)时，可将公式（5）变换为：
＇60nLnLhh?                 C?P?                      ?P61016670（7）
式中C的单位为N，L＇h为脚轮的预期使用寿命（见表4），应取L10h?L＇h。
表3 温度系数ft
脚轮工作温度/oC
温度系数ft <120
 125
 150
 175
 200
 225
 250
 300
 350
 
 
表4 脚轮预期寿命Lh推荐值
机械种类
不经常使用的仪器和设备
中断使用不引起严重后果
中断使用引起严重后果
利用率不高、不满载使用
满载使用
正常使用
中断使用将引起严重后果 示 例
闸门开闭装置、门窗开闭装置等
手动机械、农业机械等
升降机、发电站辅助设备、吊车等
起重机、电动机、齿轮传动等
机床、印刷机械、木材加工机械等
水泵、防止机械、空气压缩机等
发电站主电机、给排水装置、船舶螺旋桨轴等 预期寿命L＇h
300～3000
3000～8000
8000～12000
12000～20000
20000～30000
40000～60000
>100000 ＇间断使用的机械
每日工作8小时的机械
24小时连续使用的机械 
（2）修正额定寿命方程
然而，滚动脚轮的应用实践证实，实验所确定的脚轮实际寿命与计算寿命出入很大。这是因为，脚轮生产中已采用组织均匀、非金属夹杂物含量极少的优质钢[1]；通过脚轮可靠性统计数据的积累，能将脚轮寿命与其破坏概率（％）联系起来；接触-流体动力学润滑理论有了发展，而该理论能够分析评价润滑材料性能对脚轮寿命的影响。因此，ISO提出了以L10为基础的修正滚动脚轮寿命计算方程：
                      Lna?a1a2a3L10(C/P)?                        
（8）
式中：Lna——任意使用条件下的寿命，n表示失效概率数；
      a1——可靠性系数；见表5；
      a2——材料性能修正系数，包括材料、设计和制造等影响因素；
      a3——工作条件修正系数，包括黄油、黄油清洁度、逆向温度和装配条件等影响因素。
 
表5 可靠度与修正系数a1的对应值
可靠度/(％)
系数a1 90
 95
 96
 97
 98
 99
材料特征修正系数a2没有恒定的值，只有参考值1。a2主要考虑材料和制造质量（如材料成分、冶炼方法、毛坯成形方法等）的影响。通常夹杂物含量很低或经特殊冶炼过的高质量钢材可取a2?1，经热处理、材料硬度下降、硬度值低于标准值的材料取a2?1，并由制造厂给出。在大量的研究工作基础上，美国STLE给出了a2一些可供参考用的推荐值。
使用条件修正系数a3主要考虑在指定转速和温度条件下润滑情况的影响，其次也要考虑轴心的偏斜或不同心。内、外圈得支承情况和安装间隙的影响。一般使用条件取a3?1，润滑特别良好取a3?1，转速特别低（DPwn?104）应取a3?1。
a3值由理论分析和实验研究确定，由制造厂提供。DPw为滚动脚轮平均大径，DPw?(D?d)/2。
值得注意的是，a2和a3是相互关联的，不能通过简单提高某一系数的方法来弥补另一系数的不足，一个合理的解释是，只有工作条件合适时，脚轮特性的优点才能充分发挥。在一般工作条件和90％可靠性时，ANSI方程与L-P方程计算出的脚轮寿命相同。但一项新的研究表明：不仅在持久疲劳寿命方面，而且在脚轮结构设计方面，L-P理论与实际测定的结果都出现了较大的差异。
例题  某齿轮轴上用一对深沟球脚轮作支承，脚轮径向载荷Fr = 4500N，轴向载荷Fa = 918N，转速n = 1500r/min，运转时有轻微冲击，轴颈直径d?60mm，预期寿命L＇h?16000h，试选择脚轮型号。
解  脚轮型号未确定前，有关参数X、Y、e、C0r都无法确定，可以根据已知条件，预选脚轮6212、6213进行试算，计算步骤和结果列于下表6：