毕业设计（论文）-滚动轴承应力计算及其对轴承寿命、失效的影响研究.doc

滚动轴承应力计算及其对轴承寿命、失效的影响研究 摘 要 滚动轴承是应用极为广泛的重要机械基础件。无论是飞机、汽车、船舶、机床，还是家用电器、it、oa机器等，凡是有旋转的地方，都离不开轴承。所以，有人把轴承称为工业的粮食。在实际的轴承应用过程中，有很大一部分轴承的失效是故障失效，即非正常失效。导致轴承失效的原因有很多，其中由不适当的轴承安装调整方法所造成的轴承失效比例占整体失效比例的很大一部分，因此本文对轴承安装造成的应力进行计算分析。通过分析表明在轴承的过盈配合安装中，会在轴承的内圈与轴的接触表面、外圈与轴承座的接触表面和外圈沟道处产生很大的应力，不正确安装方法的会使这些表面的应力过大或者过小，使轴承在配合过程中发生蠕动或者胀裂，从而使轴承过早的失效。所以，必须选用正确的安装方法。在滚动轴承安装前，必须对轴、轴承和轴承座都进行检修，对使用过的轴、轴承座，更应该做全面的精度检验，不合要求的零件要给予修复和更换。在安装过程中，要采用正确的安装方法。一般滚动轴承的安装方法，根据轴承的结构、尺寸大小和与之配合的性质可分为圆柱孔轴承的安装和圆锥孔轴承的安装。关 键 词：滚动轴承，安装，应力，寿命，失效rolling bearing stress calculationand the impact study of bearinglife and failureabstractrolling bearing is the extremely wide range of important mechanical basis. whether it is aircraft,automobiles, ships, machine tools, or household appliances, the it, oa machine, any rotation of the place can not be separated from the bearing. therefore, some people think that the bearings are the industrial food. in the bearing application process, a large part of the bearing failure is the fault failure, that is non-normal failure. resulting bearing failure for many reasons, among them, a large part of the failure is caused by the incorrect bearing installation method, therefore, this paper calculate and analyze the stress of bearing installation. through the analysis shows that in the bearing interference with the installation, will generate a big stress in the bearing inner ring and shaft contact surfaces, the outer ring and the bearing block contact surface and the outer channel. incorrect installation methods make these surface stress is too large or too small，lead to bearing creeping or splitting in the matching process，so that the bearing failure prematurely. therefore, we must choose the correct installation method. in the pre-installation of the rolling bearing, we must repair the shaft and bearing. particularly the used shaft, bearing we must do a complete overhaul, for those non-conforming parts must give the repair and replacement. during the installation process, we must adopt the correct installation method. general rolling bearing installation method, according to the bearing structure, the size and match properties can be divided into the tapered bore bearing mounting and tapered bore bearing mounting.key words：rolling bearing, installation, stress, life, failure 目 录前 言1第1章 绪论21.1 研究课题的提出21.2 研究课题的意义21.3 国内外同类研究的现状2第2章 轴承安装引起的应力与变形42.1 内外压力引起的圆环应力42.1.1 基础方程式42.1.2 压力引起的圆环应力72.1.3 圆环直径的位移82.2 配合压力82.2.1 配对圆环的压力92.2.2 内圈的配合压力102.2.3 外圈的配合压力122.3 沟底直径的变化132.3.1 内圈沟道的膨胀132.3.2 外圈沟道的膨胀152.4 套圈内产生的应力162.4.1 内圈应力162.4.2 外圈应力172.5 当量沟底直径182.5.1 根据均值法计算当量沟底直径202.5.2 根据绝对平均法计算当量沟底直径222.5.3 当量沟底直径计算方法的总结及在轴承中的应用242.6 必要的过盈量252.6.1 载荷引起的过盈量减小252.6.2 温差引起的过盈量减小262.6.3 表面粗糙度引起的过盈量的减小272.6.4 必要的过盈量和极限值272.7 6206深沟球轴承计算实例 27第3章 滚动轴承安装应力对轴承寿命、失效的影响303.1滚动轴承安装时过盈配合的必要性303.2 安装应力对轴承寿命、失效的影响303.2.1 内圈的安装应力对轴承的寿命、失效的影响303.2.2 外圈的安装应力对轴承的寿命、失效的影响31第4章 滚动轴承正确的安装方法324.1 安装轴承前的准备工作324.1.1 轴承安装前的检修324.1.2 安装环境的准备334.1.3 安装前的清洗工作334.2 滚动轴承的安装344.2.1 圆柱孔轴承的安装354.2.2 圆锥孔轴承的安装35结 论36参考文献37致谢38前 言滚动轴承是应用极为广泛的重要机械基础件。无论是飞机、汽车、船舶、机床，还是家用电器、it、oa机器等，凡是有旋转的地方，都离不开轴承。所以，有人把轴承称为工业的粮食。然而在实际的轴承应用过程中，有很大一部分轴承的失效是故障失效，即非正常失效。导致轴承失效的原因有很多，其中由不适当的轴承安装调整方法所造成的轴承失效比例占整体失效比例的很大一部分。因此要对轴承的安装应力进行计算，进而分析其对轴承寿命和失效的影响。本文通过对轴承安装造成的应力进行计算分析，表明在轴承的过盈配合安装中会在轴承的内圈与轴的接触表面、外圈与轴承座的接触表面和外圈沟道处产生很大的应力，不正确安装方法的选择会使这些表面的应力过小或者过大，进而使在配合过程中发生蠕动或者胀裂轴承，从而使轴承过早的失效。所以，必须选用正确的安装方法。在滚动轴承安装前，必须对轴、轴承和轴承座都进行检修，对使用过的轴、轴承座，更应该做全面的精度检验，不合要求的零件要给予修复和更换。在安装过程中，要采用正确的安装方法。滚动轴承的安装方式有机械式、液压式和加热式三种。对于小尺寸（0.3，因此，按照通常推荐的方法，应采用，但因为较大，为了安全起见，我们采用0.0074mm。2、温差引起的过盈量减小 假设轴承内部与轴承座周围的温差为 50，则过盈量减小量为 3、总过盈量 对以上计算得到的过盈量进行适当修正，即加上表面粗糙度引起的过盈减小量，便可求得总过盈量。由式，得 为安全起见，我们取11为必须过盈量。4、沟底的当量 要对配合带来的影响进行定量的计算，首先要计算沟底当量直径。由式得。根据表3-2，假设=0.95，因此，由式可得沟底当量直径为5、配合压力 在（3）中计算得到的结果=0.011mm为过盈量，进行过盈配合，求配合压力。由式得有效过盈量为将该值作为式的，并假设轴与轴承材料的弹性模量相同，则 6、直径变化 由式得内圈沟底直径膨胀量为内圈的膨胀也将使轴承的内部游隙减小，需引起注意。7、套圈应力 配合引起的套圈最大应力计算如下。1）径向 根据，配合面径向的最大应力，即呈压应力。2）周向 由式得到内径面周向的最大应力为呈拉应力。3）极限过盈量下的应力 在上文中提到，过盈量必须控制在d/1000以下，即本例轴承的过盈量上限为0.030mm，此时，轴承中会产生多大的应力呢？由式、式可知，配合压力与过盈量成比例关系。因此，就本例轴承，对前文求得的按比例计算，得于是，径向最大应力为该应力是压应力，一般不会产生多大问题。同样，由式、式及式、式、式可知，周向应力也与成比例关系。因此 第3章 滚动轴承安装应力对轴承寿命、失效的影响3.1滚动轴承安装时过盈配合的必要性 一般情况下，轴承与轴以及轴承座相配合才能使用。载荷相对于套圈发生相对旋转，也就是说，当径向载荷的方向不变，但套圈旋转时；或者套圈静止，但载荷绕套圈旋转时，配合面上承受载荷的位置将发生接触变形；同时在其相反位置将产生间隙。于是配合面的内侧零件与外侧零件的圆周长将不一致，内侧零件将在外侧零件的内径面内滑移。这种滑移式缓慢的，一般称为蠕变。发生蠕变后，由于配合面的润滑较差，在加上磨粒的梨耕作用，配合面将产生严重的磨损，使轴承旋转不良、发热或引起轴承内部磨损，最终导致套圈损坏。为了防止这种现象，需采用过盈配合，使配合面不产生间隙。除此之外，需要使套圈严格定位时，也要采用过盈配合。3.2 安装应力对轴承寿命、失效的影响3.2.1 内圈的安装应力对轴承的寿命、失效的影响在2.2.2内圈的配合压力中论述了轴与内圈以过盈配合安装时，轴与内圈的配合压力的计算通式，由式可知，配合压力与轴好内圈的过盈量成正比，过盈量的大小直接影响配合压力的大小。在2.4.1内圈应力中论述了内圈的径向应力的计算通式，由式可知，为压应力，越大，越小，故最大应力发生在内径面上，设该值为，则，即与配合压力相等。同时，内圈的周向应力，由式知为拉应力，越大，越小，因此，最大应力发生在内径面上。由式知，最大周向应力比最大径向应力大。当轴与内圈的过盈量过大时，在内圈与轴的接触面上产生过大的应力，特别是周向的拉应力，在这样大的拉应力状态，难免会使轴承的寿命减少，甚至会使轴承内圈破裂，造成轴承损坏。当轴与内圈的过盈量较小时，轴与内圈接触面处的最大压力，也不足以弥补载荷带来的变形量，使轴与内圈产生相对的蠕动使轴承旋转不良、发热或引起轴承内部磨损，最终导致套圈损坏。3.2.2 外圈的安装应力对轴承的寿命、失效的影响在2.2.3外圈的配合压力中论述了外圈与轴承座的过盈配合安装时，外圈与轴承座配合压力的计算通式，由式可知，配合压力与轴好内圈的过盈量成正比，过盈量的大小直接影响配合压力的大小。在2.4.1外圈应力中论述了外圈的径向应力的计算通式，由式可知，为压应力，对外圈来说，越大，的绝对值也越大，最大应力发生在外径面，则，与配合压力相等。同时，外圈的周向应力的计算通式，由式可知，为压应力，越小，越大，故最大应力发生在外圈沟底上，与配合压力成比例关系。当外圈与轴承座的配合过盈量过大时，外圈沟底上压应力过大，使钢球与沟道之间接触变形过大，加速滚动体与沟道的磨损，减少轴承使用寿命。当轴承外圈与轴承座配合的过盈量较小时，轴承外圈与轴承座接触面处的最大压力，也不足以弥补载荷带来的变形量，使轴与内圈产生相对的蠕动使轴承旋转不良、发热或引起轴承内部磨损，最终导致套圈损坏。同时沟底的压力较小，钢球易发生陀螺旋转，使钢球和滚道之间发生相对滑动加剧摩擦发热，减小轴承寿命。第4章 滚动轴承正确的安装方法轴承安装的质量将影响到轴承的精度、寿命和性能。实际应用中，很多滚动轴承发生的早期意外失效都与错误的安装有关。因此，在安装轴承前，需要仔细研究该轴承的安装方法。4.1 安装轴承前的准备工作4.1.1 轴承安装前的检修滚动轴承在安装之前，应对与之配合的轴、壳体孔、端盖等零件进行严格检验。对使用过的轴、壳体孔、更应该全面精度检验，不合要求的零件应予以修复或更换。1、轴的检修（1）检验轴颈的偏心，弯曲与直径变动量（圆度）。将轴顶在车床两顶尖上，或置于用v形铁支承的铸铁平板上，用千分表指针接触与轴承配合的轴颈，然后缓慢转动轴，观察千分表指针在轴颈上的摆动。（2）检查轴颈的表面粗糙度。轴颈有毛刺、碰痕时，应先用西搓搓掉，再用细纱布打磨抛光。（3）检查轴颈的轴肩垂直度和轴肩根部的圆角半径。轴肩的垂直度用90角尺紧靠轴肩处，使其密合，然后借灯光或阳光检验，如漏光均匀或者不漏光，说明轴肩垂直。轴肩根部的圆角半径可以用圆角样板来检验。（4）检验轴颈尺寸。可以用千分尺或千分表检验，当轴颈磨损严重、尺寸小于规定的配合要求，与轴承内径配合松动时，应该对轴颈进行修复。一般修复的方法有镶套、焊补、镀铬和低温镀铁、滚花四种方法。2、壳体孔的检修（1）检验壳体孔的圆度和圆柱度（锥度）。对整体式壳体孔，用内径千分尺或游标卡尺检验；对于开式壳体孔，必须将两部分和在一起，并用螺栓拧紧，待接合紧贴后进行检验。（2）检验壳体孔与轴挡肩的垂直度。轴挡肩与旋转中心线不垂直时，载荷易集中在轴承局部的滚动体上，使其受力不均匀，产生蠕动，并使滚道受压过大导致变形影响寿命。（3）检验壳体孔的磨损量及同轴度。轴承座的壳体孔由于磨损变形或镗孔加工误差，往往会出现两边孔不同心。若不同心，安装后就会使轴上的齿轮轴线倾斜，破坏主动齿轮与从从动齿轮的中心距，损毁机件，卡死轴承，弯裂轴承壳体孔。4.1.2 安装环境的准备安装场地应与车床、磨床和其他机械设备相距一段距离。场地要求干燥清洁，严防铁屑、砂粒、灰尘、水分进入轴承；应有足够的空间，能安全转移轴承、轴、安装部件、工具，配备必须的工作台、清晰槽。检验轴承型号、尺寸是否符合安装要求，并根据轴承的结构特点和与之配合的各个零件部件，选择好适当的装配方法，准备好安装时用的工具和量具。常使用的安装工具有锤子、铜棒、套筒、专用垫板、螺纹夹具、压力机等，量具有游标卡尺、千分尺、千分表等。4.1.3 安装前的清洗工作1、轴承的装前清洗新买的轴承上面，绝大多数都涂有油脂。这些油脂主要用于防止轴承生锈，并不起润滑作用，因此，彻底的清洗才能安装使用。清洗的方法是：凡是用防锈油封存的轴承，可用汽油或煤油清洗。凡用厚油和防锈油脂如工业凡士林防锈的轴承，可先用10号损耗系统用油或变压器油加热溶解清洗（油温不得超过100），把轴承侵入油中，待防锈油脂融化后取出冷却后，再用汽油或煤油清洗。凡用气相剂、防锈水和其他水溶性防锈材料防锈的轴承，可用皂类基清洗剂，诸如664、平平加（脂肪醇聚氧乙烯醚）、6503、6501等清洗剂清洗。轴承的清洗质量靠手感检验。轴承清洗完毕后，仔细观察，在其内外滚道里、滚动体上及保持架的缝隙里总会有一些剩余的油。检查时，可先用干净的塞尺将剩余的油刮出，涂与拇指上，用食指慢慢来回搓研，手指间如有沙沙响声，说明轴承未清洗干净，应在清洗一遍。最后将轴承拿在手上，捏住内圈，拨动外圈水平旋转（大型轴承可放在装配台上，内圈固定。外圈悬空，压紧内圈，转动外圈），以旋转灵活、无阻滞、无跳动为合格。对清洗好的轴承，添加润滑剂后，应放在装配台上，下面垫以净布或纸垫，上面盖上塑料布，以待装配，不允许放在地面或箱子上。挪动轴承时，不允许用手直接拿，应带帆布手套或用净布将轴承包起后再拿，否则，由于手上有汗气、潮气，接触后易使轴承产生指纹锈。对两面带防尘盖或密封圈的轴承，以及涂有防锈、润滑两用油脂的轴承，因为在制造时就已注入了润滑脂，故安装前不用进行清洗。2、轴和轴承座壳体孔及其他零件的清洗先用汽油或煤油清洗，干布擦净，然后涂以少量油以便安装。这些零件清洗后，应注意凡铸件上有型砂的要彻底清除；凡与轴承配合的零件上有毛刺尖角时，必须去掉，以免残砂和金属碎屑在安装时落入轴承内部，影响装配质量。4.2 滚动轴承的安装 滚动轴承是一种精密的机械零件，品种繁多，轴承的选择十分重要。但是为了确保使用好的轴承，还有一个十分重要的问题，俺就是轴承的安装。轴承安装的质量（包括环境和方法）对轴承和主机的工作性能和使用寿命有着直接影响。滚动轴承的安装方式有机械式、液压式和加热式三种。对于小尺寸（80mm）圆柱孔轴承，当配合不太紧时，用锤子轻轻敲打即可装入时采用机械式。安装时最好使用球形表面的软钢安装套筒。紧配合时应在轴承（内或外）圈上使用安装套筒，要绝对禁止锤子直接击打于轴承套圈上。液压式安装方法可减小安装或拆卸力，适用于中型和大型圆锥孔轴承的安装。加热式安装方法适用于安装紧配合的圆柱孔轴承及机械式无法使用时。轴承安装时，安装时的压力应直接加在紧配合的挡圈端面上，不能通过滚动体传递压力，因为这样工作表面造成压痕，影响轴承正常工作，甚至会使轴承损坏。轴承的保持架、密封圈、防尘盖等零件很容易变形，安装轴承的压力不能加在这些零件端面；必须在套圈端面的圆周上施加均等的压力，将套圈压入，不等用锤子等工具直接敲击轴承端面，以免损伤轴承。在过盈量较小的情况下，可在常温下用套筒压住轴承套圈端面，用锤子敲打套筒，通过套筒将套圈均衡的压入。大批量安装时，可采用液压机。压入时，应保证外圈端面与外壳台肩端面、内圈端面与轴台肩端面压紧，不允许有间隙。当过盈量较大时，可采用由油浴加热胡感应加热器加热轴承的方法来安装，加热温度范围为80100，最高不能超过120。同时，应用螺母或其他适当的方法紧固轴承，以防止轴承冷去后宽度方向收缩而使套圈于轴肩之间产生间隙。轴承的安装方法应根据轴承的结构、尺寸大小和与轴承部件的配合性质而定，由此又可以分为圆柱孔轴承的安装和圆锥孔轴承的安装两类。4.2.1 圆柱孔轴承的安装圆柱孔轴承是常见的轴承类型，一下为圆柱孔轴承安装方法及注意事项：（1）轴承内圈与轴是紧配合，外圈于壳体为较松配合，可用压力机将轴承先压入轴上，然后将轴连同轴承一起装入壳体中，压装时在轴承端面上垫一软金属材料的装配套管（钢管或软钢管）。装配套管的内径应比轴