[科普中国]-轴承寿命系数

失效分类

轴承失效一般可分为止动失效和精度丧失两种。

止动失效就是轴承因失去工作能力而终止转动，通常是由于卡死、断裂等因素引起；精度丧失是指轴承 因尺寸变化，失去了原设计要求的精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转，突出表现为摩擦力矩、振动和温度上升，通常是由于疲劳剥落、锈蚀、磨损、胶合 等因素引起。在空间服役的滚动轴承及空间滚动轴承的失效形式多为精度丧失。

失效形式目前，滚动轴承常见的失效形式主要有以下几类：

(1)疲劳剥落：滚动轴承内外套圈和滚动体在接触载荷的作用下，接触表面金属从金属母体呈现点 状或者片状发生剥落。点蚀往往是疲劳剥落的初始形式，是由于材料疲劳引起的一种疲劳现象，点蚀最终扩展为疲劳剥落。 疲劳剥落与轴承材料、热处理和制造加工工艺有关，同时，轴承的选型、安装、配合、润滑、密封、维护等使用情况也是导致疲劳剥落的重要原因。

(2)表面塑性变形：表面塑性变形分为一般表面塑形变形和局部表面塑性变形。前者是由于两个粗糙表 面接触导致两者之间没有形成动压润滑膜，后者是由于材料表面压坑、划伤等原有缺陷导致的局部塑形变形在其周围发生。

(3)磨损：疲劳磨损、黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损属于磨损的基本形式。磨损的产生主要 与轴承的密封性不良、润滑不当、接触面材料颗粒脱落和锈蚀等因素有关，可以通过改 善装配和加工工艺、增强润滑和避免污染物侵入等措施减少磨损的发生。

(4)腐蚀：金属腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀，轴承的腐蚀主要是由轴承内部或者是润 滑剂中含有碱、酸等腐蚀物质，密封装置失效导致腐蚀物质的侵入以及轴承使用环境湿度大和轴承清洗、存放不当导致的。

(5)烧伤：滑不当、预紧载荷过大、游隙选择不当以及沟道表面接触不良等因素导致的。

(6)裂纹和缺损：轴承部件所能承受的应力超出材料的断裂极限应力时，材料的内部或者表层发生整 体和局部断裂。裂纹和断裂主要是由原材料，热处理和加工工艺等原因导致的，对于原 材料肉眼看不见的裂纹应进行无损检测。1

失效过程由于空间环境的特殊性，空间中所用的轴承多为固体润滑轴承，其产生的失效主要有以下几个方面：加工过程造成的失效、安装方面造成的失效、润滑膜引 起的失效及温度引起的失效。

其中加工过程产生的失效主要与组件的波纹度、 粗糙度、滚动体形貌和套圈制造精度等因素有关；安装方面造成的失效 主要与配合公差、预紧力、工作间隙及压装过程有关；润滑膜引起的失效主要是因为润滑膜发生微动磨损、剥落磨损及滚动体滑移；温度引起的失效主要 是由于轴承工作环境温差的变化及处于极端温度中所引起的。 1

影响寿命的因素除结构设计之外，主要还有材料、制造、使用和润滑技术四方面的影响

(1)材料的影响：在轴承材料技术方面，主要通过材料选用、材质保证和热处理等手段，来保证 轴承寿命的提高。滚动轴承一般都用高碳铬轴承钢制造，化学成分也几乎不变。但是，不同的冶炼方法材料的纯净度不同，对寿命的影响很大在同等接触应 力条件下，甄Ⅳ4陶瓷轴承接触疲劳寿命优于轴承钢轴承；在高速、轻载和冲击载 荷小的情况下，可优先选用陶瓷球轴承。由此可见，材料对轴承疲劳寿命的影响是非常显著的。

2)表面粗糙度的影响：疲劳裂纹通常起源于表面，因此表面对零件寿命有很大的影响。表面越光滑，疲劳裂纹的萌生时间越长。滚动轴承滚动体和套圈的表面处理技术可以改变滚动体表层的硬度、残余应力分布和材料的整体强度，从而提高轴承寿命。

(3)温度的影响：不管是基于表面下应力的疲劳模型，还是以表面上缺陷为起点的模型，都没考虑到轴承接触区的发热对疲劳寿命的影响。实际上，轴承在经过持续的运转后， 必然会伴随有一定的温升，这种温升的幅度应与接触副之间的润滑油膜厚度、接触零件的表面特征以及载荷、运转速度等参量有关。同时，温度升高后，轴承套圈和滚动体内必然存在一个温度分布，而且会由于热膨胀的影响产生热变形，影 响轴承的运转精度。所以温升和热量对疲劳寿命的影响也是不容忽视的。

(4)润滑技术的影响：在轴承润滑技术方面，主要通过润滑剂和润滑方式的选用，来提高轴承的寿 命。润滑技术已成为提高轴承寿命的最关键的因素之一。特别是对于密封轴承，润滑脂寿命已成为轴承使用寿命的另一“代名词”，即润滑脂寿命就是轴承使用寿命。

(5)运转速度的影响：轴承疲劳寿命与瞬时接触时间有关。瞬时接触时间是指在最大载荷下滚动体在套圈上滚过和套圈滚道接触椭圆宽度所需的时问。随着转速的增大，瞬时接触 时间增加，轴承的疲劳寿命就降低。运转速度越慢的轴承，其以转数计的寿命越长。而另一方面，瞬时接触时间的长短还会影响表面残余应力，从而间接对疲劳寿命产生影响。

（6)载荷的影响：滚动体参数及曲率系数对深沟球轴承疲劳寿命的影响，研究表明载荷的大小对轴承的疲劳有非常大的影响。滚动轴承的疲劳寿命在 很大程度上取决于最大滚动体载荷。因此，载荷增大导致最大滚动体载荷显著增 大，疲劳寿命减小。2

计算方法分类及对比不同的轴承疲劳寿命计算方法产生不同的计算结果，以下给出两种计算方法：L.P理论算法和ISO国际标准理论算法。ISO国际标准算法是对L.P理论算法的简化，将轴承支承套圈作为刚性，而实际套圈为非刚性体且在相同载荷下球轴承具有更大的接触变形，SO标准则忽略离心力和陀螺力矩。在径向负荷作用下，ISO标准基于轴承内部游隙为零且滚动体与沟道的接触负荷保持均匀分布假设，因此球轴承计算结果相对误差较大.L。P理论和传统ISO国标理论均忽略了滚动体的疲劳寿命。3

提高寿命措施：1．增多滚动体数量：滚动体数量增多，每个滚动体所承受的径向载荷减小，每个滚动体的接触载荷也越小，轴承疲劳寿命提高。

2．增大滚动体直径：滚动体直径增大，相当于承载结构增大，轴承的承载能力增大，所以轴承寿命随着滚动体直径的增大而提高。

3．合理设置滚动体与滚道接触参数：对于深沟球轴承，轴承的内沟曲率系数Z≤0.52，外沟曲率系数Z≤0．53。还应注意和之间的匹配。 此外，还可以通过减小轴承的节径，在保证轴承不打滑的前提下尽量减小预
紧力，在高速时，滚动体采用陶瓷材料代替钢制材料。