第五章 滚动轴承寿命计算
第一节 概述
一、轴承寿命的定义和相关理论
在机械设计过程中，工程技术人员对滚动轴承的寿命十分关注。事实上，人们所说的轴承寿命在工程技术领域中通常指的是轴承疲劳寿命。
轴承带负荷运行时，负荷从一套轴承圈通过滚动体传到另一套轴承圈。在金属材料内部会出现相应的应力分布，大致的示意图如图5-1所示。从图5-1中可以看到，在滚动体与滚道接触表面金属材料之下的某一个深度出现最大的剪切应力。每次滚动体滚过滚道，这个剪切应力就会反复出现。当出现次数达到一定数量时，金属便会出现疲劳，由此开始失效。不论材质如何，这种剪切应力的往复总会出现，只不过出现的时间与滚动体滚过的次数以及与正压力成正比的关系（后面在寿命计算公式中反映了这个关系）。当初始疲劳点出现之后，疲劳会沿着一定的方向向金属表面蔓延，最终出现轴承的金属表面剥落。这就是轴承失效模式中非常典型的一种模式——表面疲劳剥落。上述轴承失效过程的描述就是轴承的疲劳失效。而在给定的工况下，轴承疲劳失效的时间（转动圈数），就是我们所说的疲劳寿命。
图5-1 轴承滚道内部剪切应力随深度变化的示意图
事实上，每个轴承都有其疲劳极限。但即便在相同的工况下，由于轴承内部金属材料的均匀性等原因，对于一大批轴承也不可能有完全一样的疲劳寿命。因此我们引入可靠性系数的概念。
二、L10寿命的概念
滚动轴承的疲劳失效服从一定的离散分布。而在这样的离散中可以拟合出一定的规律，这就是经常说到的韦氏分布。通常，由于轴承的寿命存在离散性，因此人们从概率曲线上选取一个或两个点来描述轴承的耐性，这两点就是：
①L10寿命，即一批轴承中，90%可达到的疲劳寿命。
②L50平均寿命，即一批轴承中，50%可达到的疲劳寿命。
在一般的机械行业中，通常使用L10寿命作为一个衡量的标准。它的可靠性是90%。也就是在这个数值达到时，有90%的轴承没有出现疲劳失效。这是一个概率结果，因此和具体单个轴承的实际运行寿命不一定完全吻合。
国际标准ISO 281—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》（ISO 281—2007）中的L10寿命是在规定的润滑等环境下进行的试验及计算。由于现代轴承的质量提高，在某些应用中，轴承的实际工作寿命可能远远高于其基本的额定寿命。同时，在轴承的具体运行中受到润滑、污染程度、偏心负荷、安装不当等因素的影响。为此，ISO 281—2010中加入了一些寿命修正公式以补充基本额定寿命的不足。
三、滚动轴承疲劳寿命应用的限制及原则
（一）滚动轴承疲劳寿命应用的限制
如前所述，滚动轴承的疲劳寿命（不考虑修正时），仅仅对轴承材质本身在一定负荷情况下的疲劳失效进行了估算。这种估算和实际轴承的应用工况有很大的差别。下面列举几个难于计入计算的方面：
1.负荷波动
轴承疲劳试验是在一些给定的负荷状态下，由试验台进行的。因此，实验结果和计算结果有非常好的一致性。但是实际应用中，机械设备的实际负荷随工况而变，同时这种变化在计算中根本不可能做到百分之百的模拟。这样，即使计入了工作制的影响，依然只能概略的近似，而无法像试验台一样做到计算和实际一致。
2.润滑的情况和温度的波动
在L10寿命中没有考虑润滑的影响，但是实际的工作状况不可能不添加润滑。这样容易使计算值趋于保守。即使计入了润滑的修正系数，也只能将有限种润滑的特性（在不同温度下）计入考虑。而实际上机械设备的运行温度的波动对润滑影响很大，因此也没有办法来模拟实际状况下温度、润滑的变化对寿命的影响。
3.操作不当
在安装和拆卸轴承的过程中，如果稍有不当，对轴承会造成损伤，那么损伤点就会成为轴承失效的源头，这一点也无法计入考虑。
4.公差配合的影响
实际上公差配合对轴承的运行寿命有很大的影响，而在L10寿命计算中，仅估计公差配合恰当时候的轴承寿命情况。
以上仅仅列举了几个方面，并不能涵盖所有的影响轴承寿命的因素（比如，还有轴的挠性、不对中、倾覆力矩、污染等）。因此，我们建议在使用轴承时，一方面要使用轴承的疲劳寿命作为考核轴承寿命的辅助工具；另一方面也要知道其限制范围。这样才能正确理解书面计算和实际运行情况之间的差距。
（二）滚动轴承疲劳寿命计算的应用原则
如前所述，滚动轴承的疲劳寿命计算仅可作为参考性的估算。也就是说，不要把疲劳寿命计算当作准确的计算。寿命计算的校核作用在某种程度上要强于它的估计作用。
通常，在选用轴承时，首先受到限制的就是轴径，轴径影响到扭矩的传送，因此轴径的最小值是确定的。而最小的轴径也就是最小的轴承内径。这个时候，可以根据轴承的负荷方式选择适当的类型。而轴承的寿命计算就是在轴承类型、大小已经大约选定之后进行校核。在寿命计算中，如果计算的疲劳寿命过长，说明轴承的选择有可能过大；相反，如果计算的轴承疲劳寿命过短，有可能是轴承选择过小。换言之，就是通过疲劳寿命计算来校核轴承选型的准确性。
对于不同设备，轴承疲劳寿命的推荐值见表5-1。
表5-1 常用设备轴承疲劳寿命推荐值（不同类型机械的约定寿命参考值）
这里值得强调的是，很多人把轴承疲劳寿命计算当作准确的计算，而质疑实际寿命和计算寿命的差异，这种忽略了寿命计算的校核作用的想法缺乏客观性。