CN108692938A - 一种获取滚动轴承寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,包括以下步骤:S10:将外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱;S20:将步骤S10中得到的外部合成载荷持续分布谱转换成轴承的当量载荷谱;S30:根据步骤S20得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO28标准获得轴承寿命。本发明中的获取滚动轴承寿命的方法,综合考虑多自由度非比例载荷作用,因此,得到的轴承寿命较为接近实际情况,是一种过程简单、结果准确可靠的获取轴承寿命的方法。

Description

一种获取滚动轴承寿命的方法
技术领域
本发明涉及轴承性质探测领域,具体涉及一种获取滚动轴承寿命的方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种非常重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体,降低其运动过程中的摩擦系数,并保证其回转精度。因此,轴承的应用相当广泛。
按运动元件摩擦性质的不同,轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成,严格的说是由外圈、内圈、滚动体、保持架、密封、润滑油六大件组成。简单来说,只要具备外圈、内圈、滚动体就可定义为滚动轴承。
传统的轴承寿命计算方法适用的载荷条件是外部单自由度稳定的作用载荷,或者单自由度随机作用载荷谱。在一般的工程应用场合,该理论均能很好地预测轴承寿命。但是,在一些特定场合,比如风机齿轮箱行星架支撑轴承,此时,该轴承承受了来自外部各个自由度方向的载荷(如图2所示),既有X,Y,Z轴各自由度方向上的作用力,也有各自由度方向上的弯矩和/或扭矩,而且各自由度方向上的作用载荷互不相关,呈现非比例关系。当前的一般处理方法是:在获取滚动轴承寿命时,忽略其他各自由度方向的载荷,仅考虑轴向自由度方向上(如图2所示Z向)的扭矩和作用力,从而导致在此类特殊工程应用场合,轴承寿命的计算预测结果出现巨大偏差。因此,一种可以综合考虑多自由度非比例载荷作用条件下,如何获得可靠的轴承寿命成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的技术问题,本发明提出一种综合考虑了各自由度方向上的作用载荷,提出了一种获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S10:将外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱;
S20:将步骤S10中得到的外部合成载荷持续分布谱转换成轴承的当量载荷谱;
S30:根据步骤S20得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承寿命。
在一个实施例中,步骤S10中所述外部载荷持续分布谱中包括轴承所承受的各个自由度载荷持续分布谱。
在一个实施例中,步骤S10中所述外部合成载荷持续分布谱包括由各个自由度载荷的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比组成的外部合成工况。
在一个实施例中,所述外部合成工况有多个,所述多个外部合成工况由各个自由度的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比经过排列组合得到,所述外部合成工况的个数等于所述排列组合结果个数。
在一个实施例中,步骤S10中所述外部载荷持续分布谱根据以下方式得到外部合成载荷持续分布谱的参数,
其中
N=N(+)+N(-)
其中:
Fmean(+)表示正向平均当量动载荷;
Fmean(-)表示负向平均当量动载荷;
Fi(+)表示外部载荷持续分布谱的第i个正向工况;
Fi(-)表示外部载荷持续分布谱的第i个反向工况;
p表示轴承寿命指数;
ti(+)表示第i个正向工况Fi(+)持续作用时间;
ti(-)表示第i个反向工况Fi(-)持续作用时间;
ttotal表示总的载荷作用时间;
N(+)表示外部载荷持续分布谱正向工况的个数;
N(-)表示外部载荷持续分布谱反向工况的个数;
N表示外部载荷持续分布谱总工况个数。
在一个实施例中,所述步骤S20中的外部合成载荷持续分布谱通过材料力学理论转换成成轴承所承受的当量载荷谱。
在一个实施例中,所述步骤S30包括以下子步骤:
S31:根据步骤S20中得到的轴承所承受的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承在当量载荷谱中每个当量载荷工况下轴承的基本额定寿命和修正额定寿命;
S32:依据损伤累积理论以及步骤S31中得到的每个当量载荷工况下轴承的基本额定寿命和修正额定寿命,获得多自由度非比例载荷条件下滚动轴承对应的基本额定寿命和修正额定寿命。
在一个实施例中,其特征在于,所述步骤S32中根据以下公式获得滚动轴承的基本额定寿命和修正额定寿命:
其中:
L10表示多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的基本额定寿命;
Lnm表示多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的修正额定寿命;
表示轴承当量载荷谱中第i个当量载荷工况的时间百分比;
L10i表示依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的基本额定寿命;
Lnmi表示依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的修正额定寿命;
N表示轴承当量载荷谱中当量载荷工况总个数。
当前工程应用标准上所涉及的滚动轴承寿命计算方法其适用的载荷条件均为单自由度的稳定载荷或随机载荷谱,没有考虑轴承应用在多自由度非比例载荷或载荷谱作用的实际应用。本发明中的获取滚动轴承寿命的方法,综合考虑多自由度非比例载荷或载荷谱作用,因此,得到的轴承寿命较为接近实际情况,是一种过程简单、结果准确可靠的轴承寿命获得方法。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
图1是本发明实施例中获取滚动轴承寿命的方法的流程图;
图2是本发明实施例中滚动轴承的载荷与坐标系示意图;
图3是本发明实施例中轴承A和轴承B在X-Z平面受载分析图;
图4是本发明实施例中轴承A和轴承B在Y-Z平面受载分析图。
在附图中,相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明中涉及到载荷的单位时,其中N为“牛顿”,Nmm为“牛顿毫米”,本发明涉及到时间单位时,其中hr为“小时”。
如图1所示为本实施例中的获取滚动轴承寿命的方法的流程图,具体包括以下步骤:
S10:将外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱;
S20:将步骤S10中得到的外部合成载荷持续分布谱转换成轴承的当量载荷谱;
S30:根据步骤S20得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承寿命。
下面对本实施例中的具体情况进行详细的介绍。
如图2所示为本实施例涉及的载荷与坐标系示意图,由图2可以看出,本实施例中具体涉及的是一种滚动轴承。轴承的受载分析必须是在轴承处于受载平衡状态下的分析,在本实施例中的工程场合下,涉及两个轴承,轴承A和轴承B,其中C为轴承A和轴承B的转轴。本领域技术人员可以清楚,本实施例中的可以获取轴承A和轴承B两者的寿命,在具体的计算对两者均是适用的,因此在表格中没有做区分。本领域技术人员可以清楚,在涉及在受载分析的过程中,针对的是轴承A、轴承B和转轴C三者的受载平衡状态下分析,因此,需要对轴承A和轴承B分别进行计算,但是最终可以得到两者分别的计算结果,在表3中未做具体区分。
步骤S10,将外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱,具体如下:
本实施例中,轴承A和轴承B所承受的外部各自由度的载荷,以图中的坐标系为标准,分解为多个自由度的载荷,因为轴承A和轴承B在z自由度方向的旋转是放开的,可以自由转动,所以轴承不承受Mz(z自由度方向的扭矩)载荷,因此,本实施例中如图所示,轴承A和轴承B分别承受有五个自由度的载荷分别为:FX、FY、FZ、MX、MY。因此,本实施例中的外部载荷持续分布谱中包括轴承所承受的各个自由度载荷持续分布谱,将每个工况按照各个自由度进行分解,得到各个自由度每个工况在各个自由度的正向工况、反向工况以及对应的作用时间等。
在本实施例中,外部合成载荷持续分布谱包括由各个自由度载荷的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比组成的外部合成工况。外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱的具体使用的公式如下:
其中:
Fmean(+)—正平均当量动载荷,单位为N或Nmm;
Fmean(-)—负平均当量动载荷,单位为N或Nmm;
Fi(+)—外部载荷持续分布谱的第i个正向工况,单位为N或Nmm;
Fi(-)—外部载荷持续分布谱的第i个反向工况,单位为N或Nmm;
p—轴承寿命指数;
ti(+)—第i个正向工况Fi(+)持续作用时间;
ti(-)—第i个反向工况Fi(-)持续作用时间;
ttotal—总的载荷作用时间;
N(+)—外部载荷持续分布谱正向工况的个数;
N(-)—外部载荷持续分布谱反向工况的个数;
N—外部载荷持续分布谱总工况个数;
本领域技术人员可知,其中的:N=N(+)+N(-)
在实际使用中,其中的Fi(+)、Fi(-)、ti(+)、ti(-)、ttotal、N(+)、N(-)和N均为已知量,例如可以是采用软件模拟某个轴承的载荷从而得到的数值,也可以根据不同的具体情况实际载荷情况得到的具体的数值;对于轴承寿命指数p,与轴承的种类有关,具体对于滚子轴承p=10/3,对于球轴承p=3。
本实施例中的计算针对的是轴承A或轴承B载荷情况的计算,将各个自由度的方向上的载荷分别采用式(1)至(5)进行计算,得到各个自由度方向是载荷(FX、FY、FZ、MX、MY)的正向/反向平均当量动载荷和分别对应的时间百分比,具体如表1所示。
表1
在本实施例中,对表1中的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比,进行排列组合,得到如表2,表2即为外部合成载荷持续分布谱。由表2可知,本实施例中的外部合成载荷持续分布谱中包含了32个外部合成工况。
表2
表2中的单个工况的时间百分比tfre等于各个自由度载荷对应的作用时间百分比的乘积。
步骤S20:将步骤S10中得到的外部合成载荷持续分布谱转换成轴承的当量载荷谱;
在本实施例中,依照材料力学理论,将上述外部合成载荷持续分布谱中每个工况在各自由度方向上的载荷转换成对应工况各个轴承承受的载荷,再计算得到各个轴承的当量载荷谱。通过以下实例阐述外部合成载荷持续分布谱某个工况在各个自由度方向上的载荷转换成轴承在该工况下承受的当量载荷的具体操作方法,其余工况可照此进行。
本实施例中的轴承布置、载荷分布及坐标系见图2所示。如图3所示,为轴承A、轴承B在X-Z平面受载分析图,其中依据轴承A、轴承B关于Y轴弯矩平衡,按照式(6)和式(7)计算轴承A和轴承B沿坐标系X轴的径向作用力FxA和FxB
式(6)和式(7)中的符合标记与图2中所示的标记相对应的,式(6)和式(7)所进行的是数学计算。
如图4所示,为轴承A、轴承B在Y-Z平面受载分析图,其中依据轴承A、轴承B关于X轴弯矩平衡,按照式(8)和式(9)计算轴承A和轴承B沿坐标系Y轴的径向作用力FyA、FyB
式(8)和式(9)中的符合标记与图3中所示的标记是相对应的,式(8)和式(9)所进行的是数学计算。
综合轴承A和轴承B分别在坐标系X轴和Y两个方向的径向力,得到轴承总的径向力FrA、FrB,具体计算根据式(10)和式(11)所示:
轴承受到的轴向载荷与轴承的类型以及安装条件有关。在本实施例中,轴承A和轴承B的轴向载荷,结合轴承A和轴承B的类型,根据两个轴承及转轴三者在轴向的受载平衡条件来计算,得到轴承A和轴承B的轴向载荷FaA、FaB
依据上述方法,将外部合成载荷持续分布谱的每个工况在各自由度方向上的载荷转换成对应工况轴承承受的载荷(如:FrAi、FaAi、FrBi、FaBi),得到各个轴承各自的当量载荷谱,当量载荷谱的当量载荷工况与外部合成载荷持续分布谱中各个外部合成工况一一对应,具体如表3所示,如表3所示当量载荷谱中包括材料力学理论得到的该轴承的径向载荷Frmean和轴向载荷Famean,以及轴承单当量载荷工况的时间百分比tfre与表2中的单个工况的时间百分比tfre相同。
表3
步骤S30:根据步骤S20得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO281标准(本发明中的ISO281标准是指ISO 281-2007Rolling bearings-dynamic load ratings and ratinglife,即ISO 281-2007滚动轴承.动态额定载荷和额定寿命)获得轴承寿命。本领域技术人员应该可以理解,该标准的版本不作为限定本发明的条件,国际标准会根据行业发展的需要不定期更新版本。符合行业要求的版本在本发明中可以适用。
本实施例中,根据表3得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承在当量载荷谱中每个当量载荷作用下对应的基本额定寿命和修正额定寿命;再依据损伤累积理论(本发明中的“损伤累积理论”是指Palmgren-Miner的损伤累积理论,即如公式(12)和(13)所示),得到结果,即该轴承在多自由度非比例载荷条件下的基本额定寿命和修正额定寿命:
其中:
L10—多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的基本额定寿命;
Lnm—多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的修正额定寿命;
—轴承当量载荷谱中第i个当量载荷工况的时间百分比,;
L10i—依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的基本额定寿命,单位为hr;
Lnmi—依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的修正额定寿命,单位为hr。
N—轴承当量载荷谱中的当量载荷工况总个数。
如表3所示,在本实施例中,轴承当量载荷谱中第i个当量载荷工况的时间百分比对应与表3中的tfre;轴承当量载荷谱中的当量载荷工况总个数N为32。
在本实施例中的方法中先依据时间当量原则,将轴承支撑轴所受外部的各自由度非比例载荷谱转换成正向平均当量动载荷、反向平均当量动载荷以及相对应的正向/反向载荷作用时间百分比,再依据排列组合、材料力学原理,推导出轴承的当量载荷谱,以各工况下轴承的当量载荷为作用载荷,依据ISO281标准给出的单个工况下滚动轴承基本额定寿命和修正额定寿命的计算方法及损伤累积理论,最后计算出在多自由度非比例载荷条件下轴承的基本额定寿命和修正额定寿命。
本实施例以滚动轴承为例子进行,其他类型的轴承寿命计算载荷分析可以参考该发明的方法进行处理。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S10:将外部载荷持续分布谱处理成外部合成载荷持续分布谱;
S20:将步骤S10中得到的外部合成载荷持续分布谱转换成轴承的当量载荷谱;
S30:根据步骤S20得到的轴承的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承寿命。
2.根据权利要求1所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,步骤S10中所述外部载荷持续分布谱中包括轴承所承受的各个自由度载荷持续分布谱。
3.根据权利要求2所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,步骤S10中所述外部合成载荷持续分布谱包括由各个自由度载荷的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比组成的外部合成工况。
4.根据权利要求3所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,所述外部合成工况有多个,所述多个外部合成工况由各个自由度的正向平均当量动载荷、正向载荷作用时间百分比、反向平均当量动载荷和反向载荷作用时间百分比经过排列组合得到,所述外部合成工况的个数等于所述排列组合结果个数。
5.根据权利要求3所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,步骤S10中所述外部载荷持续分布谱根据以下方式得到外部合成载荷持续分布谱的参数,
其中
N=N(+)+N(-)
其中:
Fmean(+)表示正向平均当量动载荷;
Fmean(-)表示负向平均当量动载荷;
Fi(+)表示外部载荷持续分布谱的第i个正向工况;
Fi(-)表示外部载荷持续分布谱的第i个反向工况;
p表示轴承寿命指数;
ti(+)表示第i个正向工况Fi(+)持续作用时间;
ti(-)表示第i个反向工况Fi(-)持续作用时间;
ttotal表示总的载荷作用时间;
N(+)表示外部载荷持续分布谱正向工况的个数;
N(-)表示外部载荷持续分布谱反向工况的个数;
N表示外部载荷持续分布谱总工况个数。
6.根据权利要求1至5任一所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,所述步骤S20中的外部合成载荷持续分布谱通过材料力学理论转换成成轴承所承受的当量载荷谱。
7.根据权利要求6所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,所述步骤S30包括以下子步骤:
S31:根据步骤S20中得到的轴承所承受的当量载荷谱,依据ISO281标准获得轴承在当量载荷谱中每个当量载荷工况下轴承的基本额定寿命和修正额定寿命;
S32:依据损伤累积理论以及步骤S31中得到的每个当量载荷工况下轴承的基本额定寿命和修正额定寿命,获得多自由度非比例载荷条件下滚动轴承对应的基本额定寿命和修正额定寿命。
8.根据权利要求7所述的获取滚动轴承寿命的方法,其特征在于,所述步骤S32中根据以下公式获得滚动轴承的基本额定寿命和修正额定寿命:
其中:
L10表示多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的基本额定寿命;
Lnm表示多自由度非比例载荷条件下滚动轴承的修正额定寿命;
表示轴承当量载荷谱中第i个当量载荷工况的时间百分比;
L10i表示依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的基本额定寿命;
Lnmi表示依据ISO281标准计算得到的第i个当量载荷工况的修正额定寿命;
N表示轴承当量载荷谱中的当量载荷工况总个数。
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