【原】对API610标准中轴承系统寿命及轴挠性系数的思考

对API610标准中轴承系统寿命及轴挠性系数的思考 - 轴承最小负荷的含义

前言

API610第11版标准首次提出了“轴承系统寿命”的概念，要求径向轴承和推力轴承所组成的轴承系统的寿命（泵轴承组合系统的计算寿命）在额定工况下连续运行至少为25000小时；在最大径向与轴向负荷及额定转速下至少16000小时。系统寿命按下列公式进行计算：

其中，

从公式显示的结果来看，系统寿命短于系统中寿命最短的轴承寿命。例如：如果每个轴承的寿命是37,500小时，按照公式计算，轴承系统的寿命只有25,000小时。也就是说，要满足25,000小时的轴承系统寿命，则至少每个轴承的寿命均达到37,500小时以上。

API610第11版标准还增加了附录K.1关于OH2和OH3型悬臂式泵的轴刚性的判定原则。API/ISO标准编委会回顾了来自一些用户关于轴刚性及被制造商广泛关注的轴挠性的纪录。轴挠性系数I_SF=L³/D⁴逐渐发展成为一个直接的判定工具，用于评估真正的API泵与贴着API标签但不符合API标准设计要求的泵。

API 610第11版标准新增加的两个条款均有利于提高泵的运行可靠性和使用寿命。具体体现在：

1)  单个轴承的使用寿命提高了。

2)  轴的刚性提高了。

在不改变其它条件的情况下，要提高单个轴承的使用寿命及轴的刚性，只能加粗轴径、加大轴承规格。

然而，是否是轴承规格（尺寸）越大、泵轴越粗越可靠且使用寿命越长？答案是否定的。这里涉及到轴承最小负荷的概念。

什么是（滚动）轴承的最小负荷？最小负荷如何计算？泵沙龙将为您分解。

美国水力协会标准的解释

ANSI/HI1.3 《Rotodynamic Centrifugal Pumps for Design and Application》标准解释如下：

所有滚动轴承均需要一个最小的负荷。如果施加的载荷太小，那么轴承滚动元件（滚珠或滚柱）就会出现打滑而不是滚动。当打滑发生时，通常由于较不理想的表面运动而擦去润滑膜，继而可能会导致金属与金属的接触，从而降低轴承的使用寿命。

最小负荷要求因轴承设计而异。

一般来说，滚动元件与滚道之间的接触面积越大，所需要的最小负荷越大。因此，圆柱滚子轴承（具有线接触）比深沟球轴承（点接触）具有更高的最小负荷要求。

轴承内部几何形状、公差和表面光洁度对最小负荷要求也具有一定的影响。

滚动轴承制造商通常提供数据表或公式，让设计者计算所需的最小负荷。

承载低于最小负荷要求的后果是：如果一个轴承计算寿命L₁₀非常高，则轴承可能会由于负荷不足导致打滑进而引起轴承过早失效。

这与用户要求的高寿命L₁₀相矛盾。作为通用指南，建议在最坏的负荷组合情况下，将轴承的寿命要求设置为不超过10万小时。

对于单蜗壳泵，在最小流量和最佳效率点流量下，其水力径向推力相差较大。在以最小流量实现高寿命L₁₀的设计中，存在着很大的风险，即BEP无法满足最小负荷的要求。这些泵应该始终按照最小轴承要求进行检查。

如果不能满足轴承的最小负荷要求，则设计人员可以选择一个较低的最小负荷要求的轴承（即选小一号轴承），或者找方法增加轴承负荷，例如，可以通过改变泵的水力设计（增加水力负荷）或通过施加机械负荷（通常使用弹簧来产生预紧力）来增加轴承负荷。

轴承供应商规定

Part 01

SKF轴承

在轴承尺寸由载荷以外的因素决定的应用中（例如，轴直径受临界转速限制），轴承可能会因其尺寸和承载能力而承受较小的载荷。在负载很轻的工况，疲劳以外的故障（例如打滑和滚道污迹或机架损坏）通常占主导地位。为了提供令人满意的运行，滚动轴承必须始终承受给定的最小负荷。

通常，滚珠轴承应施加0.01 C的最小负荷，而滚子轴承应施加0.02 C的最小负荷。产品部分（样本）中给出了更准确的最小负荷要求。其中，C为基本额定动载荷。

如果无法满足最小负荷要求，则可能的改进包括：

-  使用较小尺寸系列的轴承。

-  考虑特殊的润滑或磨合程序。

-  考虑使用NoWear涂层轴承。

-  考虑施加预紧力。

Part 02

NSK轴承

NSK轴承直接在其网站（www.jp.nsk.com）中设置了一个计算（滚动）轴承最小负荷的小软件，只要输入轴承润滑方式、润滑油牌号、运行温度及在此温度下润滑油的粘度、转速、（压力油润滑）润滑油量等数据，便可计算出最小负荷。见以下截图：

最小负荷的计算

为了确保轴承在良好的状态下工作，必须对轴承施加最小的负载，尤其是在高速、高加速度或负载方向频繁变化的轴承上，因为在这些工作条件下，滚珠和保持架和润滑剂的摩擦会严重影响轴承的旋转，并可能导致有害的滑动。

Part 01

角接触球轴承

单列角接触球轴承的最小负荷计算公式如下：

对于面对面或背对背布置的轴承，计算公式如下：

其中，

F_min  = 最小负荷，N

Fa_min = 最小（径向）负荷，N

C₀ = 基本额定静载荷，N

ν = 工作温度下油的粘度，mm²/s

n = 转速，r/min

d_m = 轴承平均直径，d_m = 0.5(d+D)，mm 

k_a = 最小轴向载荷系数（见表1）

k_r = 最小径向载荷系数（见表1）

表1 - 轴承系列与载荷系数关系表

当轴承在低环境温度下启动或在润滑剂粘度非常高的条件下启动时，需要更大的最小负荷。通常，轴承支撑部件的重量加上轴承上的负载应超过最小负荷。如果重量不能达到最小负荷，则必须对此类轴承施加额外的径向负荷，以满足最小负荷的要求。

对于单列角接触球轴承和串联布置的角接触球轴承，可通过调整内圈和外圈的轴向相对位置，或在轴向施加弹簧预紧力来满足要求。

Part 02

圆锥滚子轴承

圆锥滚子轴承的最小负荷可从以下公式获得：

 F_min = 0.02C 

式中，C为基本额定动负荷，N 

当轴承在低环境温度下启动或在润滑剂的粘度非常高的条件下启动时，则需要最小负载。通常，轴承支撑部件的重量加上轴承上的负载应超过最小负载。如果重量不能达到最小负荷，则必须对此类轴承施加额外的径向负荷，以满足最小负荷的要求。可以通过预加载轴向弹簧来满足要求。