
在工业机械的庞大体系中,轴承虽小,却扮演着无可替代的关键角色,而其负载能力,更是决定机械能否高效、稳定、安全运转的核心要素。
从性能层面来看,负载能力直接关乎机械的运转效率。以电机为例,若轴承的负载能力不足,无法轻松承载转子的重量以及皮带或皮带轮系统产生的额外径向力,电机在运行时就会像一位背着过重书包的孩子,运转艰难,能耗大幅增加,输出功率也会大打折扣 ,造成 “小马拉大车” 的困境,浪费大量能源。相反,具备足够负载能力的轴承,能让电机转子平稳旋转,降低能量损耗,使电机高效地将电能转化为机械能,为各类设备提供强劲动力。
在寿命方面,轴承负载能力与机械的使用寿命紧密相连。当轴承承受的载荷超出其额定范围,就如同让一个人长期背负远超身体极限的重物,其内部的滚动体与滚道之间的接触应力会急剧增大,加速磨损进程。就像汽车轮毂中的轴承,在长期承受车辆自身重量、加速、制动和转弯等产生的轴向与径向载荷作用下,如果负载能力不足,轴承内部的金属材料会因过度疲劳而出现微裂纹,随着时间的推移,这些裂纹不断扩展,最终导致滚动体或滚道表面剥落、碎裂,使轴承提前报废 ,大大缩短汽车的正常使用周期和增加维修成本。据相关研究表明,在因轴承故障导致的机械故障中,约有 30% 是由于负载能力不匹配所引起的,可见合适的负载能力对延长机械寿命的重要性。
安全问题上,轴承负载能力更是一道不可忽视的防线。在起重机、大型盾构机等重型机械设备中,一旦轴承负载能力无法满足实际工作载荷的要求,在吊运重物或进行高强度作业时,就可能出现突然断裂、失效等严重情况,引发灾难性的事故,对人员生命安全和财产造成巨大威胁。例如,在一些建筑工地上,曾发生过因起重机回转轴承负载能力不足,在吊运建筑材料过程中突然损坏,导致重物坠落,砸毁周边设施并造成人员伤亡的悲剧 。所以,确保轴承具备足够的负载能力,是保障工业生产安全的重要前提。
轴承能承受哪些 “压力”
轴承所面临的载荷类型丰富多样,每种载荷都有其独特的作用方式和特点,深刻影响着轴承的性能与寿命 。下面,让我们一同深入了解轴承主要承受的几种载荷类型。
径向载荷:垂直的 “重担”
径向载荷是指垂直于旋转轴方向的载荷,就像一个垂直于轴的力将轴往一侧挤压。在日常生活中,自行车车轮就是一个很好的例子。当我们骑行时,骑手和自行车的重量会垂直作用在车轮轴承上,产生径向载荷 。如果把自行车比作一个微观世界里的机械系统,车轮轴承就如同这个系统中的关键枢纽,承受着来自上方的垂直压力,确保车轮能够平稳转动,让骑行之旅顺利进行。
在工业领域,电动机也是径向载荷的典型应用场景。电动机运转时,转子的重量以及皮带或皮带轮系统产生的额外径向力,都会施加在电动机轴承上。以常见的三相异步电动机为例,其转子在高速旋转过程中,由于自身质量分布并非绝对均匀,以及皮带传动时产生的侧向拉力,轴承需要承受相当大的径向载荷 ,稍有差池,就可能引发电机故障。
轴向载荷:平行的 “推力”
轴向载荷与旋转轴平行,就像是沿着轴的方向施加的推力或拉力,直接作用于轴承的内圈或外圈,试图让轴沿着轴向移动。在汽车轮毂的运转中,我们就能看到轴向载荷的身影。当汽车加速、制动或转弯时,车轮会受到一个沿轴方向的推力,这个推力会在车轮轴承上产生轴向载荷。想象一下,汽车在高速行驶中突然刹车,巨大的惯性会让车轮产生向前的轴向力,此时车轮轴承必须具备足够的承载能力,才能保证车轮稳定,避免出现危险情况 。
车床也是轴向载荷的重要应用场景。在车床加工过程中,刀具对工件施加的切削力会在主轴轴承上产生轴向载荷。例如,当车床对一根金属棒进行车削加工时,刀具不断地切削金属,这个切削力不仅有垂直于工件表面的径向分量,还有沿着主轴方向的轴向分量 ,而主轴轴承需要承受住这个轴向载荷,确保刀具与工件之间的相对位置稳定,从而保证加工精度。
联合载荷:双重 “考验”
在实际应用中,许多轴承会同时承受径向和轴向载荷,这种组合被称为联合载荷。以汽车悬架系统为例,车轮轴承既要承受车辆自身重量产生的径向载荷,又要承受汽车转弯和制动时产生的轴向载荷。在汽车过弯时,车身会产生侧倾,使得车轮受到一个向外的轴向力,同时车辆重量依然通过车轮轴承传递,形成径向载荷 ,两者共同作用于车轮轴承,对其性能提出了更高要求。
风力涡轮机的主轴轴承同样面临联合载荷的考验。风力作用在叶片上,会产生一个轴向力,而转子自身的重量又会产生径向载荷,这两种载荷同时施加在主轴轴承上。风力涡轮机通常安装在野外,长期承受着复杂多变的风力和自身巨大的重量,其主轴轴承必须具备出色的承受联合载荷的能力,才能保证风力涡轮机稳定运行,实现高效的风能转化