滚动轴承极限转速与额定热转速的对比分析

郭宝霞，白如冰

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.莱芜钢铁股份有限公司，山东 莱芜 271104)

滚动轴承的转速性能是轴承最基本的使用性能之一，是轴承选型时确定其速度参数的一个重要依据。轴承的最大允许转速受到各种不同限制准则的约束。一直以来，轴承行业及用户一般使用极限转速来表示轴承的转速性能；但对于大多数标准部件而言，最高转速由许用温度确定，整个部件的热量由轴承产生。GB/T 24609—2009《滚动轴承 额定热转速 计算方法和系数》于2010年4月1日实施，其等同采用ISO 15312：2003。在该标准中，将轴承温度作为限制准则来判定轴承的转速能力，即用额定热转速来表示轴承的转速性能。

极限转速和额定热转速都是轴承最大允许转速的限制准则，现从以下几个方面比较它们之间的异同。

1 定义

极限转速是滚动轴承的重要性能指标之一，世界各主要轴承公司的样本上都列出了轴承在脂润滑和油润滑时的极限转速的数值，但到目前为止，国际标准化组织也没有一个确切的定义。世界各主要轴承公司样本中所列的数值也几乎完全相同，但各公司给出的定义却不太一致。

SKF：对应于150 000 hL10h寿命的载荷作用下，由轴、轴承箱及润滑剂所散发的热量与在一定环境温差下，轴承摩擦所产生的热量相平衡时的转速[1]。

FAG：对应于30 000 hL10 h寿命的载荷作用下，标准精度和标准结构的轴承在正确的安装条件下，所能够达到的最高转速[2]。

NSK：极限转速是能够不产生烧结、过热、持续运转的经验速度的允许值[3]。

我国样本：极限转速是轴承在一定的工作条件下，所能承受的最高温度达到热平衡时的转速[4]。

额定热转速即为热参考转速。ISO 15312：2003中给出的额定热转速的定义为：在参照条件下由轴承摩擦产生的热量与通过轴承座(轴或座孔)散热量达到平衡时的转速。

粗略地看以上字面的含义，SKF和我国样本对极限转速的定义与ISO 15312：2003对额定热转速的定义相差不大，但仔细分析，极限转速与额定热转速的假设条件不同。极限转速是在给定的结构条件下，力平衡的转速；额定热转速是在给定的润滑条件下，热平衡的转速。

2 假设条件

轴承的极限转速与额定热转速都是在一定的假设条件下确定的，都与轴承的类型、结构、尺寸、载荷、精度、游隙、润滑剂种类和润滑方式、冷却条件及保持架结构等诸多因素有关。极限转速和额定热转速的适用条件见表1。

从表1可以看出，在假设条件中，有相同的条件，也有不同的条件，比如极限转速是以额定动载荷作为轴承载荷，额定热转速是以额定静载荷作为轴承载荷。对于所有类型及尺寸的轴承额定热转速采用统一的参照条件进行计算，与迄今为止常用的、源于不同参照条件及限制标准的极限转速相比，在某些范围中有较大的差异。

表1 极限转速和额定热转速的适用条件

3 计算方法

3.1 极限转速

轴承的极限转速是在一定载荷、润滑条件下允许的最高转速。轴承的极限转速与轴承的类型、结构、尺寸、载荷、精度、游隙、润滑、冷却及保持架等诸多因素有关。由于问题的复杂性，迄今还没有精确和具体的计算方法来计算各类轴承的极限转速，只能根据国内、外使用经验提出极限转速的近似计算方法。在符合以上假设条件下，轴承的极限转速可由下式计算

向心轴承，

(1)

推力轴承，

(2)

图1 尺寸系数f1

表2 结构系数A

3.2 额定热转速

额定热转速的计算比较复杂，其计算的依据是在参照条件下，轴承系统的能量达到平衡。即轴承所产生的摩擦热与其所散发的总热量相等，即

Nr=Φr，

(3)

式中：Nr为在参照条件及额定热转速下轴承功率损耗，W；Φr为参照热流量，W。

3.2.1 轴承散热量计算

轴承散发的总热量为

Φr=qrAr，

(4)

式中：qr为参照热流密度，W/mm2；Ar为散热参照表面面积，mm2。

轴承的散热量分为两部分：一部分是通过轴承座散发的热量；另一部分是通过润滑剂散发的热量。其他所有影响能量平衡的外部热源或散热件也应考虑在内。对使用循环油润滑的推力轴承，需要再加上由润滑剂带走的热量，但在本计算中未考虑推力轴承通过润滑剂散发的热量。

3.2.2 散热参照表面面积的计算

各类轴承Ar的计算见表3。

表3 各类轴承的Ar计算

3.2.3 参照热流密度的计算

向心轴承(图2)，

qr=0.016 W/mm2， (Ar≤50 000 mm2)；

推力轴承(图2)，

图2 qr 的计算曲线

qr=0.020 W/mm2，(Ar≤50 000 mm2)；

mm2)。

3.2.4 轴承摩擦热Nr的计算

轴承运转产生的摩擦热为

(5)

(6)

M1r=f1rP1rdm，

(7)

式中：nθr为额定热转速;M0r为在参照条件及额定热转速下与载荷无关的摩擦力矩；M1r为在参照条件及额定热转速下与载荷有关的摩擦力矩；f0r为参照条件下与载荷无关的摩擦力矩的系数；f1r为参照条件下与载荷有关的摩擦力矩的系数；P1r为参照载荷；νr为在轴承的参照温度下润滑剂的运动黏度，向心轴承νr=12 mm2/s(ISO VG 32)，推力滚子轴承νr=24 mm2/s(ISO VG 68)。

3.2.5 额定热转速nθr的计算

联立(3)～(7)式可得出额定热转速nθr的计算公式为

(8)

该计算方法虽然是为油润滑制定的，但符合以下条件对脂润滑同样有效。润滑脂为含有矿物基油的常规锂皂油脂，在40 ℃时黏度为100 ～200 mm2/s(ISO VG 150)，填脂量大约是轴承内部自由空间的30%，运转10～20 h后可达到正常运行温度，此时脂润滑的额定热转速与油润滑的相等。

由此可以看出，极限转速和额定热转速都是近似计算。极限转速的计算相对简单，主要与轴承的结构有关；额定热转速的计算相对复杂，需将轴承的载荷、摩擦力矩、散热量、散热面积以及润滑剂的运动黏度等都考虑在内。

4 计算方法的修正

4.1 极限转速[5]

当轴承在P>0.1C载荷条件下运转时，滚动体与滚道接触面的接触应力增大，温升增高，影响润滑剂的性能。因此，应将样本中极限转速的数值乘以载荷系数f2(图3)。

图3 载荷系数f2

对于承受联合载荷作用的向心轴承，由于承受载荷的滚动体数量增加，摩擦发热大，润滑条件变差。因此，应根据轴承类型和载荷角大小，将样本中极限转速的数值乘以载荷系数f3(图4)。

图4 载荷分布系数f3

样本中所列极限转速适用于一般润滑状态，对于循环油润滑、喷射润滑和油气润滑等，轴承的极限转速可提高1.5～2倍。

4.2 额定热转速[6]

当载荷和黏度高于额定热转速的特定工作条件时，轴承内的摩擦阻力将增大。除非允许轴承有更高的工作温度，否则将无法达到样本中的转速。反之，在黏度较低的情况下，有可能达到较高的转速。

4.2.1 修正计算公式

在油润滑的情况下，如果70 ℃的参考温度保持不变，可以用(9)式估算轴承的允许转速

np=nθrfPfv，

(9)

式中：np为轴承的允许转速；fP为轴承载荷调整系数；fv为油黏度调整系数。系数fP和fv是P/C0和dm的函数，可以从图5和图6得到。图中的黏度值用ISO代号表示，如ISO VG 32，表示在40 ℃时油黏度为32 mm2/s。

图5 向心球轴承的调整系数fP及fv

图6 向心滚子轴承的调整系数fP及fv

脂润滑的额定热转速是基于ISO黏度VG 150，但也适用于ISO VG 100～ISO VG 200黏度的情况。对于其他黏度，可由下式计算

np=nθrfPfv实际基油黏度/fvISO VG150的基油黏度。

(10)

4.2.2 举例

例1：油浴润滑的深沟球轴承6210，当量动载荷P=0.24C0，在40 ℃时润滑油的黏度为68 mm2/s。计算其允许转速。

6210轴承的平均直径dm=70 mm；由图5查得fP=0.63，fv=0.85；由样本查得nθr=15 000 r/min。

在工作温度为70 ℃时，由(10)式可得轴承的允许速度为np≈8 030 r/min。

例2：脂润滑的调心滚子轴承22222E，当量动载荷P=0.15C0，基油黏度在40 ℃时为220 mm2/s，计算其允许转速。

22222E轴承的平均直径dm=155 mm;由图6查得fP=0.53，fv实际=0.83；在P/C0=0.15和ISO VG150时，fvISOVG150=0.87；由样本可以查得nθr=

3 000 r/min。

在工作温度为70 ℃时，由(10)式可得轴承的允许速度为np≈1 515 r/min。

影响轴承转速的因素很多，极限转速和额定热转速的修正都是从载荷和润滑方式考虑，极限转速是以额定动载荷作为轴承载荷，并考虑了润滑方式对转速的影响。额定热转速是以额定静载荷作为轴承载荷，并考虑了润滑油黏度对转速的影响。

5 实际应用中极限转速与额定热转速的选择

轴承样本中所列的动力学极限转速和热力学额定热转速均为轴承的最大允许转速，只是所参照的条件不同，两个转速的数值取决于所考虑的标准。

轴承在工作过程中的温度维持在允许的范围中，如通过增加散热途径，那么额定热转速就不再是允许的工作速度的极限标准。这时其他判断标准如保持架运转状态、由离心力以及其他因素所产生的应力更重要一些。

轴承样本中所列的极限转速仅适用于标准保持架设计的轴承，若需要轴承高于极限转速运行，则必须考虑旋转精度、保持架材料和结构以及润滑条件和散热方式等。

极限转速的决定因素是力学的限制，即轴承零件的强度或接触式密封的滑动速度。极限转速可能高于或低于额定热转速，如果极限转速高于额定热转速，则表明它是一极限值，在这种情况下，一般不能使用高于极限转速的转速；如果额定热转速高于极限转速，则一定不可采用较高的转速。但在绝大多数情况下，极限转速高于额定热转速。