滚动轴承能达到的转速是有极限的。通常是取决于所用的润滑剂和轴承部件的材料能达到的工作温度。
轴承在达到工作温度限制时的转速,取决于轴承在滚动时因摩擦产生的热量(包括任何其它外热)和有多少热量可以从轴承带走。
轴承的类型和尺寸、内部结构、承受的负荷、润滑和冷却条件、保持架的结构、制造的精度和游隙等,对轴承能达到的转速都有一定的影响。
产品表中通常列出两个不同定义的额定转速;参考转速(跟热量有关)和极限转速(跟物理结构有关),两者是根据不同的考虑因素而定的参数。
产品表中所列的参考转速是代表一个参考值,用于确定在给定的负荷及润滑剂粘度下轴承的允许工作转速。
产品表中的参考转速符合ISO 15312标准(不包括推力球轴承)。这个标准是针对油润滑的轴承而制定的,但也适用于脂润滑的轴承。
某一个轴承的参考转速是指在特定工作条件下的转速,即轴承因摩擦而产生的热量,以及从轴承通过轴、轴承座和润滑剂带走的热量,两者之间达到平衡。根据ISO 15312标准,达到热平衡的参考工作条件是:
·在20℃的环境温度下,轴承的温升为50℃,即在不转动的外圈或座圈(推力轴承)测量的轴承温度为70℃
·径向轴承:径向负荷固定在基本额定静负荷C0的5%
·推力轴承:轴向负荷固定在基本额定静负荷C0的2%
·普通组游隙的开式轴承
·对于油润滑轴承:
润滑剂:矿物油,没有极压(EP)添加剂,70℃时的运动粘度为:
v=12mm2/s(ISO VG 32),对于径向轴承
v=24mm2/s(ISO VG 68),对于推力滚子轴承
润滑方法:油浴润滑,油位在最低位置的滚动体的中心
·对于脂润滑轴承:
润滑剂:锂皂矿物油润滑脂,基油的粘度为40℃时,100-200mm2/s(例如ISO VG 150)
润滑脂填充量:约轴承内自由空间的30%
脂润滑的轴承在运作的起始阶段,温度可能会达到某一个峰值。因此,轴承可能需要运行10到20小时后才能达到正常的工作温度。
在以上的特定条件下,油润滑和脂润滑的轴承,参考转速是相同的。
在外圈转动的工作情况,能达到的转速会比较低。
某些轴承所能达到的转速,并不是由于滚动体与滚道接触产生的热量所限制,例如带接触式密封圈的轴承;在产品表中仅会列出极限转速。
负荷和油粘度对参考转速/允许转速的影响
当负荷和粘度高于参考转速的特定工作条件时,轴承内的摩擦会增加。除非允许轴承有更高的工作温度,否则将不能达到产品表中的参考转速。反过来说,在粘度较低的情况下,有可能达到较高的转速。
可从下列图表中,得出负荷和运动粘度对参考转速的影响:
图表1:径向球轴承,110页
图表2:径向滚子轴承,111页
图表3:推力球轴承,112页
图表4:推力滚子轴承,113页
油润滑
在油润滑的情况下,可用以下的调整系数来估算轴承的允许转速:
·fP:用于调整当量动负荷P的影响
·fv:用于调整粘度的影响
以上系数可从图表1到4得出,fP与fv是P/C0和轴承平均直径dm的函数:
式中
P=当量动负荷,kN
C0=基本额定静负荷,kN
dm=轴承平均直径
=0,5(d+D),mm
图表中的粘度是用ISO的代号来表示,例如,ISO VG 32,表示油粘度为,在40℃时32mm2/s。
如果保持参考温度在70℃,可根据以下公式计算相应的允许转速:
nperm=nrfPfv
式中
nperm=轴承的允许转速,r/min
nr=参考转速,r/min
fP=轴承负荷调整系数
fv=油粘度调整系数
脂润滑
脂润滑的轴承也可以应用同样的图表。虽然脂润滑情况下的参考转速是基于ISO粘度级数VG 150,但也适用于ISO VG 100-ISO VG 200的粘度范围。对于其它粘度,可以通过计算来确定fv的值,计算方法是以ISO VG 150润滑油的fv值,除以所选润滑脂的基油在40℃时的粘度的fv值,即
油浴润滑的深沟球轴承6210,当量负荷P=0,24C0,润滑油在40℃时的粘度为68mm2/s。试计算其允许转速。
6210的平均直径dm=0,5(50+90)=70mm。根据110页的图表1,在dm=70mm和P/C0=0,24时,可得出fP=0,63。在P/C0=0,24和ISO VG 68时,可得出fv=0,85。
因此,在工作温度70℃时的允许转速nperm为:
nperm=15000×0,63×0,85=8030r/min
例2
脂润滑的球面滚子轴承22222E,当量负荷P=0,15C0,基油粘度在40℃时为220mm2/s。试计算其允许转速。
22222E的平均直径dm=0,5(110+200)=155mm。根据111页的图表2,在dm=155mm和P/C0=0,15时,可得出fP=0,53。在P/C0=0,15和ISO VG 220时,得出fv实际=0,83;在P/C0=0,15和ISO VG 150时,得出fvISO VG 150=0,87。
因此,在工作温度70℃时的允许转速nperm为:
nperm=3000×0,53×0,83/0,87=1520r/min
要实现轴承在高于参考转速的情况下运作,可以使用能够精确测量润滑剂量的润滑系统来降低轴承的摩擦;或通过循环油润滑系统、轴承座上的散热片或直接以气流冷却(→参见从248页开始的“油润滑方法”一节)把热量带走。
如果把轴承的转速提高到参考转速以上工作,但未有采取任何预防措施,轴承的温度可能会急剧上升。轴承温度上升会降低润滑剂的粘度,使有效的油膜更难于形成,因而导致增加摩擦和温度进一步上升。如果由于内圈温度同时上升导致轴承工作游隙的减小,最终会把轴承卡住。任何高于参考转速的情况,通常表示内外圈之间的有较大的温差。因此一般需要使用C3游隙(即游隙大于普通组)的轴承,并密切观察轴承温度的分布。
极限转速
轴承的极限转速取决于某些特定的条件,包括保持架结构的稳定性或强度、保持架引导面的润滑条件、作用在滚动体上的离心力和回转力、制造精度和其它对转速造成限制的因素,例如密封轴承的密封件和润滑脂等。
从实验室试验和实际应用得到的经验表明,基于技术的原因、或者把轴承工作温度保持在可接受程度所需的成本太高,轴承所能达到的最高转速是有一定的限制。
产品表中所列的极限转速仅适用于使用标准保持架的轴承。
若需要轴承在高于产品表中的极限转速运行,必须改进一些对转速造成限制的因素,如旋转精度、保持架的材料和结构、润滑条件和散热方式。有关详细的信息,请向SKF查询。
脂润滑的情况下,有更多其它考虑的因素,例如保持架引导面的润滑条件和润滑剂的剪切强度,这些因素取决于润滑脂的基油和稠化剂(→参见从231页开始的“脂润滑”一节)。部分开式球轴承的摩擦非常低,在产品表中所列的参考转速可能会高于极限转速。在这情况下,必须比较通过计算轴承得出的允许转速与极限转速,并取两者之间的较低值。
请注意,要轴承在高转速下正常工作,必须要承受某给定的最小负荷。详细信息请参见相应产品介绍部分中的“最小负荷”一节。
特殊情况
在某些应用中,其它因素比转速的极限更为重要。
低转速
在转速非常低的情况下,在滚动体和滚道之间的接触面不可能形成弹性液动润滑膜。在这些应用中,通常使用含有极压(EP)添加剂的润滑剂(→参见从231页开始的“脂润滑”一节)。
往复摆动
在往复摆动的运动方式中,轴承转动的方向在旋转一圈之前已经改变。由于轴承在逆向转动的一瞬间,转速为零,因此不能保持一个良好的液动润滑膜。在这些情况下,为了得到能够承受负荷的边界润滑膜,应使用含有效极压(EP)添加剂的润滑剂。
在往复摆动的工况下,没法给出一个具体的额定转速或限定的转速。因为能达到的最高转速不是取决于热平衡,而是取决于作用在轴承的惯性力。在每次逆向转动时,滚动体可能会因惯性而滑动一段短距离,导致与滚道之间的磨损。允许的加速度和减速度取决于滚动体和保持架的质量、润滑剂的类型和使用量、工作游隙和轴承负荷。例如在连杆轴承的配置中,通常是使用带预紧以及滚动体较轻和较小的轴承。对往复摆动轴承的转速,没法给出通用的指引,并要按个别情况仔细分析运动的情况。有关详细信息,请向SKF查询。
滚动轴承本身通常不会产生噪声。被认为是“轴承噪声”的,实际上是在轴承周围的结构,直接或间接产生振动时发出的声音。因此噪声问题通常可以作涉及整个轴承应用的振动问题来考虑。
当径向负荷作用在轴承上时,在转动过程中承受负荷的滚动体数量会稍有改变,即2-3-2-3...。这样导致轴承沿负荷的方向有轻微的位移,因而产生的振动是不能避免的,但可以通过在所有滚动体(不适用于圆柱滚子轴承)上施以轴向预紧来减小振动。
如果轴承套圈与轴承座或轴之间是过盈配合,轴承套圈可能会跟随联接部件的形状而变形。如果两者之间有形状上的偏差,在运作时可能会导致振动。因此,轴颈和座孔必须加工到所需的公差标准(→参见194页的“圆柱度公差”一节)。
局部损坏
轴承如果因处理不当或安装失误,可能会造成滚道和滚动体上局部受到损坏。当受损的轴承部件与其它部件有滚动接触时,轴承会产生特殊的振动频率。通过分析这些振动频率,可以确定那一个轴承部件受到损环,如内圈、外圈或滚动体等。SKF状态监测设备就是利用振动的原理来检测轴承的损坏。
有关SKF轴承频率的计算,可利用“SKF互动工程型录”光盘或www.skf.com网站中的计算程序。
污染
轴承在污染条件下工作,很容易让杂质和微粒进入。当这些污染微粒被滚动体碾压,会产生振动。杂质内不同的成分、微粒的数量和大小导致的振动水平会有所不同,频率也没有固定的模式。但同样可能会产生令人烦扰的噪声。
在许多应用中,轴承的刚性与周围结构的刚性大致相同。因此可以通过选择合适的轴承(包括预紧和游隙)和配置方式来降低整个设备的振动。降低振动的方法有三种:
·减小应用中引起振动的激发力
·加大引起振动的组件的阻尼以减小共振
·改变结构的刚性来改变临界频率