滾動(dòng)軸承額定靜載荷國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)演變

馬素青，陳天駒，張浩，李琳

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；3.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 大型軸承廠，河南 洛陽(yáng) 471039；4.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400050)

經(jīng)驗(yàn)表明，在大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合中，軸承最大載荷滾動(dòng)體和滾道接觸中心處可以允許有滾動(dòng)體直徑0.000 1倍的總永久變形量，而不致于對(duì)軸承以后的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生有害影響。因此，將引起如此大小永久變形量的當(dāng)量靜載荷規(guī)定為軸承的額定靜載荷。額定靜載荷是必須在軸承樣本中給出的一個(gè)重要參數(shù)，其直接影響軸承的選用、使用性能及壽命。

1 額定靜載荷國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的演變

滾動(dòng)軸承額定靜載荷國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為ISO 76，于20世紀(jì)50年代開始制訂，先后經(jīng)歷了5次制、修訂，現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 76：2006。每個(gè)版本的制、修訂過(guò)程及主要內(nèi)容概述如下。

1.1 ISO/R 76-1958《球和滾子軸承額定靜載荷的計(jì)算方法》

ISO/R 76是由ISO/TC4(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織滾動(dòng)軸承技術(shù)委員會(huì))起草的推薦性標(biāo)準(zhǔn)，是基于瑞典Palmgren等人的研究報(bào)告制定的，其建設(shè)性定義為：額定靜載荷與在應(yīng)力最大的滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生0.000 1倍滾動(dòng)體直徑的總永久變形量相對(duì)應(yīng)。

ISO/TC4于1953年9月在哥德堡召開的第3次會(huì)議上指定由德國(guó)、瑞典、美國(guó)組成工作組協(xié)助ISO/TC4秘書處起草建議稿，并分別于1955年5月在馬德里、1956年9月在維也納召開的會(huì)議上進(jìn)行了討論。1957年4月推薦草案發(fā)送到ISO各成員國(guó)，總成員國(guó)38家中28票贊成，ISO理事會(huì)于1958年11月決定接受其為ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 ISO 76-1978《球和滾子軸承額定靜載荷的計(jì)算方法》

1972年5月巴黎第13次會(huì)議上將專門研究額定載荷與壽命的第3工作組改為SC8分技術(shù)委員會(huì)。SC8秘書處于1973年在倫敦召開的第1次會(huì)議上建議將ISO/R 76的修訂工作納入到工作日程，并于1974年7月提交了建議草案。

SC8的8個(gè)成員國(guó)中6個(gè)以信函形式接受了建議草案，其余兩成員國(guó)：日本建議做進(jìn)一步研究，美國(guó)持反對(duì)意見。最終DIS 76(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案)被提交到ISO中央秘書處，經(jīng)ISO成員國(guó)的認(rèn)可，于1978年7月接受其為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 76-1978。

ISO 76-1978沒有進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的修改，主要改動(dòng)為：(1)用國(guó)際計(jì)量單位N代替了英制和kg·mm單位制，并對(duì)其全部計(jì)量單位進(jìn)行了修改；(2)表2中增加了公稱接觸角為15°和45°的角接觸球軸承的X0和Y0值。

1.3 ISO 76：1987《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

在ISO/R 76-1958修訂過(guò)程中，美國(guó)于1975年提出了反對(duì)意見，認(rèn)為額定靜載荷的計(jì)算應(yīng)基于接觸應(yīng)力。ISO中央秘書處就該問(wèn)題在TC4的幾次會(huì)議中進(jìn)行了磋商。

會(huì)議決議以及TC4成員國(guó)、SC8成員國(guó)所提意見都表明需要一個(gè)合適的ISO 76標(biāo)準(zhǔn)，同意對(duì)采用永久變形量還是應(yīng)力水平作為額定靜載荷基礎(chǔ)的這個(gè)問(wèn)題做進(jìn)一步的研究，此后的研究均基于美國(guó)N75號(hào)修正案而進(jìn)行。

美國(guó)N75號(hào)修正案與ISO 76-1978之間的主要區(qū)別有以下幾個(gè)方面：

(1)ISO 76對(duì)額定靜載荷的傳統(tǒng)定義為：在最大應(yīng)力的滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生0.000 1倍滾動(dòng)體直徑的總永久變形時(shí)的軸承靜載荷；而美國(guó)建議取為產(chǎn)生4 000 MPa的最大接觸應(yīng)力的軸承載荷；

(2)關(guān)于調(diào)心球軸承和滾子軸承額定靜載荷計(jì)算公式和計(jì)算數(shù)值，在實(shí)際使用的滾動(dòng)軸承的尺寸系列和尺寸范圍內(nèi)，美國(guó)建議給出的調(diào)心球軸承C0值約為ISO 76值的0.45～0.6倍；滾子軸承C0值約為ISO 76值的1.6～2.2倍；

(3) 在ISO 76中f0系數(shù)對(duì)每一種軸承來(lái)說(shuō)，都取其固定值；而美國(guó)建議f0系數(shù)隨著Dwcosα/Dpw或Dwecosα/Dpw的變化而變化。

最終接受美國(guó)建議，在額定靜載荷定義方面，對(duì)滾子軸承應(yīng)力水平為4 000 MPa，但調(diào)心球軸承的應(yīng)力水平為4 600 MPa，其他類型的球軸承的應(yīng)力水平為4 200 MPa。為符合大多數(shù)成員國(guó)的意見更加明白易懂，并且軸承性能與接觸表面之間的變形的確有關(guān)，該定義還增加一個(gè)注解：在靜載荷條件下，這些接觸應(yīng)力系指引起滾動(dòng)體與滾道產(chǎn)生總永久變形量約為滾動(dòng)體直徑的0.000 1倍時(shí)的應(yīng)力。

DIS 76于1985年提交到ISO中央秘書處，經(jīng)ISO成員國(guó)的認(rèn)可，于1987年2月接受其為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 76：1987。

1.4 ISO 76：1987/Amd.1：1999《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷修改單1：附錄A——基本額定靜載荷計(jì)算中的間斷點(diǎn)》修改單

1994年7月ISO中央秘書處和ISO/TC4/SC8秘書處以N178號(hào)文件提出：在ISO 76標(biāo)準(zhǔn)中，向心軸承和推力軸承的計(jì)算方法之間存在差別。與接觸角有關(guān)的C0/P0在α=45°時(shí)，存在不連續(xù)性，而不連續(xù)性是由不同的計(jì)算方法造成的。因此秘書處想糾正該不連續(xù)性，征求意見為：(1)是否有興趣在國(guó)際間解決這個(gè)問(wèn)題？(2)在這方面都已經(jīng)開始采取了哪些措施？

對(duì)該文件只有澳大利亞投了反對(duì)票，英國(guó)、日本、奧地利、美國(guó)和波蘭等國(guó)同意修改，意大利同意，但又覺得修改標(biāo)準(zhǔn)意見不太充分，建議給出一個(gè)資料性附錄。1995年10月在日本橫濱召開的SC8年會(huì)上，對(duì)于額定載荷計(jì)算中的不連續(xù)性作出了76號(hào)決議，采納了SC8多數(shù)成員國(guó)的意見，增加ISO 76的資料性附錄，用于解釋N178號(hào)文件中著重強(qiáng)調(diào)的不連續(xù)性。

1996年3月瑞典起草了一份工作草案即N212號(hào)文件，該草案解釋了不連續(xù)性的主要原因：一是球和套圈之間密合度對(duì)C0值的影響，ISO標(biāo)準(zhǔn)是建立在正常使用的密合度情況下，推力軸承比向心軸承所要求的密合度低，所以它們所能承受的額定載荷值相對(duì)低一些；二是計(jì)算徑向角接觸球軸承Y系數(shù)的方法不同，對(duì)于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的軸承，按ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算是有效的，所以瑞典認(rèn)為沒有必要修改標(biāo)準(zhǔn)，可將修改單作為標(biāo)準(zhǔn)的資料性附錄，在附錄中給出計(jì)算接觸角α>45°的角接觸球軸承C0值的簡(jiǎn)便方法。

草案最后結(jié)論為：(1)對(duì)于α=45°的角接觸球軸承，首先按向心軸承計(jì)算，然后按推力軸承計(jì)算，C/P值將提高大約40%；(2)對(duì)于接觸角α=45°，Dwcosα/Dpw=0.18，密合度較大的軸承，按向心軸承計(jì)算的C值與重新按推力軸承計(jì)算的C值比較，將增加24%。在上述的40%當(dāng)中，24%取決于密合度，其余取決于當(dāng)量載荷的計(jì)算方法；(3)額定靜載荷的比較，對(duì)于45°角接觸球軸承，承受純軸向載荷時(shí)，C0/P0的不連續(xù)性幾乎全部取決于向心和推力軸承不同的密合度，證明過(guò)程可參見GB/T 4662—2012《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》附錄A中的第A.5節(jié)。

在N212號(hào)文件的基礎(chǔ)上，根據(jù)返回的意見于1998年2月形成了ISO 76：1987/Damd1(修改單草案)，但在將其作為一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范(TS)，還是作為標(biāo)準(zhǔn)的修改單上產(chǎn)生了分歧，最終中央秘書處決定將其作為標(biāo)準(zhǔn)的修改單，并于1999年6月形成了ISO 76：1987/FDamd1(修改單報(bào)批稿)，1999年11月形成了正式的標(biāo)準(zhǔn)文本，即ISO 76：1987/Amd.1:1999。

1.5 ISO 76:2006《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

2002年8月，SC8秘書處對(duì)ISO 76：1987標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了復(fù)審，22家P成員國(guó)中16家進(jìn)行了投票，其中：中、捷、日、英、瑞典、瑞士、德、法、俄提出修訂，7國(guó)表示確認(rèn)。根據(jù)2002年10月的復(fù)審?fù)镀苯Y(jié)果，決定對(duì)ISO 76：1987進(jìn)行修訂。

提出修訂的多數(shù)國(guó)家建議技術(shù)上不做大的改動(dòng)，但標(biāo)題、術(shù)語(yǔ)和表達(dá)方式等內(nèi)容應(yīng)符合新的ISO導(dǎo)則的編寫規(guī)定，并將修改單ISO 76/Amd.1：1999納入ISO 76標(biāo)準(zhǔn)中使其更加完善。

2004年6月提出CD(委員會(huì)草案)，征求各成員國(guó)意見，其中9家贊成，12家未投票，1家反對(duì)。2004年11月提出DIS，征求各成員國(guó)意見，其中18家贊成(3家含意見)。2005年8月提出FDIS(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿)，2006年5月1日發(fā)布正式標(biāo)準(zhǔn)ISO 76:2006。

2 滾動(dòng)軸承額定靜載荷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的演變

滾動(dòng)軸承額定靜載荷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4662為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，于1984年首次制定，先后經(jīng)歷了4次制、修訂。現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4662―2012。

2.1 GB 4662—1984《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

20世紀(jì)80年代由于我國(guó)尚未對(duì)滾動(dòng)軸承的額定靜載荷進(jìn)行系統(tǒng)的研究，特別是缺乏充分的試驗(yàn)依據(jù)，原一機(jī)部科技工作會(huì)議又要求滾動(dòng)軸承等基礎(chǔ)件應(yīng)在1983年采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，滾動(dòng)軸承額定靜載荷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就是根據(jù)上級(jí)關(guān)于先制定標(biāo)準(zhǔn)，后進(jìn)行驗(yàn)證的指示精神，開始了首次制訂，并且按照積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的政策等效采用了ISO 76-1978，對(duì)其僅做了一些編輯性的修改。

2.2 GB/T 4662：1993《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

1993年對(duì)滾動(dòng)軸承額定靜載荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了第一次修訂，等效采用了ISO 76:1987，與84版標(biāo)準(zhǔn)相比改動(dòng)較大，主要改動(dòng)為：(1)對(duì)額定靜載荷定義做了修改。84版標(biāo)準(zhǔn)是從允許的最大永久變形量出發(fā)，93版標(biāo)準(zhǔn)則是以在受載最大的滾動(dòng)體與套圈滾道接觸處產(chǎn)生的總塑性變形量為滾動(dòng)體直徑的萬(wàn)分之一左右時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力為基礎(chǔ)；(2)引入f0系數(shù)，84版標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為f0僅是與軸承類型有關(guān)的一個(gè)常數(shù)；93版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)深溝球軸承、角接觸球軸承、調(diào)心球軸承、推力球軸承在計(jì)算徑向(軸向)額定靜載荷時(shí)引入不同的f0系數(shù)。(3)對(duì)于滾子軸承，84版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C0值是按在滾子端部引起的變形量進(jìn)行計(jì)算的，93版標(biāo)準(zhǔn)將參考點(diǎn)從滾子端部移至滾子與滾道接觸中心處，這是由于已經(jīng)普遍采用帶凸度的修形滾子。

2.3 GB/T 4662—2003《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

1999年ISO/TC4/SC8額定載荷與壽命專業(yè)委員會(huì)針對(duì)ISO 76:1987提出了一項(xiàng)修改單ISO 76/Amd.1∶1999，該修改單指出在ISO 76標(biāo)準(zhǔn)中將一套接觸角α=45°的軸承看作是向心軸承時(shí)和將其看作是推力軸承時(shí)，在軸向額定靜載荷的計(jì)算中存在一個(gè)間斷點(diǎn)，需統(tǒng)一計(jì)算方法。根據(jù)該修改單，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)再次做了修訂，即GB/T 4662—2003版本。這次修訂等同采用了ISO 76：1987，并將其修改單ISO 76/Amd.1∶1999放入附錄中。

2.4 GB/T 4662—2012《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》

GB/T 4662—2012等同采用ISO 76：2006《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》，與2003版標(biāo)準(zhǔn)相比主要改動(dòng)有以下幾個(gè)方面：

(1)修改了 “范圍”， 在條文中增加了“……采用當(dāng)代常用優(yōu)質(zhì)淬硬軸承鋼……”或“……表面進(jìn)行過(guò)處理或涂敷……”，此外，還增加了在重載荷條件下靜安全系數(shù)的確定。

(2)為與ISO 281《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》(即GB/T 6391)協(xié)調(diào)一致，表2向心球軸承的X0和Y0值中增加了α=5°和α=10°檔的載荷系數(shù)值。

(3)“角接觸溝型球軸承”改為“角接觸球軸承”。

(4)增加了對(duì)“靜安全系數(shù)”的要求。靜安全系數(shù)即基本額定靜載荷與當(dāng)量靜載荷之比。表示阻止?jié)L動(dòng)體和滾道上產(chǎn)生不允許的永久變形的安全裕度。該定義最早是由英國(guó)提出的，經(jīng)過(guò)SC8秘書處確認(rèn)最終納入到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。本次修訂參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)的范圍、術(shù)語(yǔ)和定義、符號(hào)及第9章中規(guī)定了靜安全系數(shù)的內(nèi)容。

(5)增加了對(duì)向心滾子軸承的徑向基本額定靜載荷計(jì)算公式((7)式)和單、雙向推力滾子軸承的軸向基本額定靜載荷計(jì)算公式((11)式)的說(shuō)明。表1球軸承的f0值中的表注規(guī)定了用于計(jì)算球軸承f0系數(shù)的彈性模量、泊松比和載荷分布，這些數(shù)據(jù)同樣適用于滾子軸承C0a，C0r的計(jì)算，雖然ISO/TR 10657：1991《對(duì)ISO 76的注釋》中包含了這個(gè)數(shù)據(jù)，但是GB/T 4662一般的使用者不一定看得到ISO/TR 10657。為了更完整和透明，該數(shù)據(jù)也應(yīng)在關(guān)于滾子軸承的章節(jié)中規(guī)定。新國(guó)標(biāo)GB/T 4662—2012在(7)式、(11)式中分別增加一個(gè)注釋：此公式是建立在與表1注中給出的彈性模量、泊松比和滾動(dòng)體載荷分布相同的基礎(chǔ)上給出的。

(6)在GB/T 4662—2012的5.1徑向基本額定靜載荷和6.1軸向基本額定靜載荷中增加對(duì)ISO/TR 10657：1991《對(duì)ISO 76的注釋》的引用，用于說(shuō)明如何考慮加大的溝曲率半徑對(duì)承載能力的影響。

新版GB/T 4662—2012《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》于2012年11月5日批準(zhǔn)發(fā)布，實(shí)施日期為2013年3月1日。GB/T 4662—2012自發(fā)布實(shí)施之日起，廢止現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4662—2003《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》。