发布于：2026-10-10 16:00:00
丝杠支撑单元 · 载荷与寿命
从工作循环建立轴承载荷谱
支撑单元的寿命评估，需要把设备推力、轴承组配、转速和运行时间联系起来。先确定载荷传递关系，再分别校核疲劳寿命、静载能力与结构限值，才能形成可用于选型的计算结果。
01 / 参数定义
动载荷、静载荷与结构载荷限值
同一份目录中的“载荷”可能属于不同对象。把支撑座表中的允许轴向载荷直接代入轴承寿命公式，会改变参数含义。计算前应在资料中标明参数来源、单位和对应的轴承或组件。
| 参数 | 工程含义 | 使用位置 |
|---|---|---|
| 额定动载荷 C | 指定轴承或轴承组的基本额定动载荷；必须对应实际配置及额定值定义。 | 与同一对象的当量动载荷 P 一起计算基本额定寿命。 |
| 额定静载荷 C₀ | 按静载评价准则确定的轴承额定值。 | 与当量静载荷 P₀ 配合，按对应要求校核静安全系数 s₀ = C₀ / P₀。 |
| 允许轴向载荷 | 支撑单元或连接结构在规定条件下的轴向能力上限。 | 检查最大外载及结构能力；不能替代 C 或 C₀。 |
| 轴向刚度与允许转速 | 分别约束受载位移及运行条件，受配置、预紧、润滑等影响。 | 独立核对精度、温升和转速要求，不由寿命公式自动保证。 |
例如，华准支撑单元手册 SBK 规格页将表内“允许轴向负荷”解释为支撑座结构所能承受的最大轴向力。该列用于相应结构校核。轴承疲劳计算所需的 C，应另按具体轴承配置取得。
SBK、SBK-U、WBK、FBSA、MBK 等系列应分别按具体型号核对。DF、DB、DFD、DFF 等组配涉及不同的受力与刚性关系，选型背景可参阅重载固定端轴承组配指南。
02 / 工况载荷谱
由设备工况求取轴承载荷
先画出实际传力路径：负载与工艺力作用于移动部件，经丝杠螺母、丝杠轴、固定端轴承及座体传到机架。水平轴与垂直轴的重力分量不同；双端约束、热伸长及预拉伸也可能改变支承反力。不能把平台质量直接当作固定端轴承的 P。
- 定义一个完整循环列出加速、匀速、减速、反向与停留阶段，记录持续时间、速度曲线、加工力和运动方向。
- 建立外部载荷模型按安装方向计入重力、惯性力、工艺力、摩擦和其他已知作用。求解各支承反力，说明固定端与支撑端的轴向约束关系。
- 求轴承内部载荷结合接触角、组配、预紧与载荷方向，按相应轴承资料求各阶段的当量动载荷 Pᵢ 和当量静载荷 P₀。不要默认各轴承平均分担外载。
- 分别保存峰值与转数峰值用于静载与结构校核；旋转阶段的载荷和转数用于疲劳计算。两类数据保留同一工况来源。
Pᵢ 是当量动载荷的非负值。往复运行应按实际受载轴承分别分析，累计转数取转速绝对值；不能将正向与反向载荷相减，或将单只轴承的 C 简单乘以轴承数量作为组配额定值。
03 / 计算方法
按转数加权的当量动载荷
对球轴承，在已得到各阶段轴承当量动载荷、并采用基本额定寿命模型的条件下，可按下列关系处理分段工况。每段内 Pᵢ 和转速视为恒定；持续变化的工况应细分，或对载荷与转速联合积分。
| 计算项 | 关系式 | 单位与条件 |
|---|---|---|
| 阶段转数 | Nᵢ = |nᵢ| × tᵢ / 60 | nᵢ：r/min；tᵢ：s；Nᵢ：转。变速段可用 ∫|n(t)|dt / 60。 |
| 当量动载荷 | Peq = [Σ(Pᵢ³Nᵢ) / ΣNᵢ]1/3 | 各阶段使用同一载荷单位；按转数加权，而不是仅按时间平均。 |
| 基本额定寿命 | L₁₀ = (C / Peq)³ | L₁₀ 的单位为百万转；C 与 Peq 必须属于同一计算对象、同一单位。 |
| 循环平均转速 | n̄ = 60 × ΣNᵢ / T | T 为一个完整循环的秒数。若含停留，换算小时也包含相应停留时间。 |
| 小时寿命换算 | L₁₀h = 10⁶ × L₁₀ / (60 × n̄) | 适用于该循环按相同比例重复的情况；n̄ 必须大于零。 |
ISO 281 的基本额定寿命定义以 90% 可靠度为基准。它是特定计算条件下的统计指标，不是每一套产品的保用时长。润滑、污染和可靠度要求涉及进一步的修正；磨损、腐蚀等失效也不能由基本疲劳寿命包办。
华准支撑单元手册给出了球轴承恒定工况下的小时寿命形式。上述分段计算将相同疲劳模型用于载荷谱。若采用滚子轴承、专用轴承组模型或直线导轨以行程表示的寿命，应切换到相应计算体系。
04 / 计算示例
100 秒循环的载荷谱与寿命换算
示例假设：计算对象为一只球轴承，假设 C = 20 kN；下表 Pᵢ 已包含对应工况下的轴承受载与预紧影响。为便于演示，旋转段按恒定值处理，未列出的加减速过渡在实际计算中应补入。这些数值不对应任何华准型号。
| 阶段 | Pᵢ / kN | |nᵢ| / r/min | tᵢ / s | Nᵢ / 转 |
|---|---|---|---|---|
| 旋转段 1 | 4 | 600 | 20 | 200 |
| 旋转段 2 | 2 | 1,200 | 40 | 800 |
| 旋转段 3 | 6 | 300 | 20 | 100 |
| 停留段 | 另核静载 | 0 | 20 | 0 |
| 循环合计 | — | — | 100 | 1,100 |
旋转阶段的三次方加权和为 4³ × 200 + 2³ × 800 + 6³ × 100 = 40,800 kN³·转。由此得到 Peq = (40,800 / 1,100)1/3 ≈ 3.335 kN。
| 结果 | 计算值 | 解释 |
|---|---|---|
| 基本额定寿命 L₁₀ | 约 215.7 百万转 | 按未舍入的 Peq 计算，约为 2.157 × 10⁸ 转。 |
| 循环平均转速 n̄ | 660 r/min | 60 × 1,100 / 100；时间包含 20 s 停留。 |
| 循环等效小时 L₁₀h | 约 5,447 h | 按这一 100 s 循环持续重复换算，包含停留时间。 |
6 kN 阶段只占 100 转，但其三次方加权项为 21,600，占总和约 52.9%。因此应保留高载阶段，不能仅用简单平均推力或最长持续阶段代表整个循环。
停留段不贡献旋转转数，仍需检查停机保持载荷、压痕风险、振动微动与润滑状态。全程静止或以小幅摆动为主的工况，不适合直接套用本例的转数寿命换算。
05 / 工程校核
把疲劳结果放回完整支撑组件
- 静载与峰值工况按实际轴承配置计算 P₀，并采用适用的静安全系数要求；同时核对最大轴向外载、急停及冲击工况。明确采用的工况系数及其依据，避免重复叠加。
- 结构与连接核对轴肩、轴端螺纹、锁紧螺母、端盖、座体、安装螺栓和基座的承载路径。轴承额定值不能替代这些连接部位的校核。
- 刚度与热状态检查轴向位移、目标定位精度、预紧条件、允许转速及热伸长约束；提高预紧后需重新评估内部载荷与温升。
- 润滑与运行验证按规定配置润滑、密封与维护条件，记录负载试运行的温度、噪声、轴向位移、启动扭矩和转动阻力。计算结果与实际装配验证共同构成选型依据。
装配与验收项目可配合支撑单元装配验收清单使用。寿命达到目标，并不自动说明位移和温升满足整机要求。
06 / 选型输入表
提交可追溯的工况与配置
| 资料项 | 需要提供的内容 | 用途 |
|---|---|---|
| 机械布置 | 水平或垂直安装、轴端图、支承跨度、固定与浮动关系、预拉伸要求。 | 确定载荷传递及热约束。 |
| 循环数据 | 各阶段外载、作用方向、转速曲线、持续时间、往复频次、停留与急停工况。 | 建立疲劳载荷谱与峰值校核工况。 |
| 轴承配置 | 支撑单元完整型号、轴承组配、预紧、C 与 C₀ 的来源和适用对象。 | 避免单只轴承与组配参数混用。 |
| 使用环境 | 温度范围、污染、润滑方式、补脂条件及维护要求。 | 评估运行条件与必要的寿命修正。 |
| 验收目标 | 目标寿命及可靠度、轴向位移、允许温升、精度和试运行方法。 | 形成可复核的选型结论。 |
07 / 常见问题
计算与应用说明
目录中的允许轴向载荷可以当作 C 吗？
应先核对定义。若该值表示支撑座结构上限，就只能用于相应结构校核。寿命公式中的 C 必须来自实际轴承或轴承组的额定动载荷。
转速变化时，只用平均载荷计算是否足够？
通常不够。球轴承分段模型按 Pᵢ 的三次方和对应转数加权。载荷与转速同时变化时，应按联合工况细分或积分。
两只轴承的寿命如何合并？
先依据组配、预紧与方向求内部载荷，并采用适用的轴承组计算方法。不能直接把单只轴承的 C 相加，也不能把各只轴承的寿命相加作为整套寿命。
停留时间较长是否就能提高支撑单元寿命？
它会改变从转数换算出的循环小时，但不会消除静载、微动、润滑和环境影响。应同时检查旋转疲劳与停留工况。
基本额定寿命能否直接作为维护周期？
不能直接等同。维护周期还取决于润滑、密封、污染、温度和实际检查记录，应按具体设备的维护方案确定。