W ciężkich korzstrukcjach mechanicznych i konserwacji urządzeń przemysłowych dokładne obliczanie nośności Łożyska walcowe wzdłużne jest podstawą zapewnienia niezawodności systemu. Łożyska te są znane ze swojej wyjątkowej nośności osiowej i wysokiej sztywności, dzięki czemu są szeroko stosowane w platformach wiertniczych, wytłaczarkach do dużych obciążeń i przekładniach przemysłowych. Aby zmaksymalizować trwałość użytkową łożysk i uniknąć katastrofalnych w skutkach awarii sprzętu, inżynierowie muszą opanować precyzyjne metody obliczeń zarówno dla znamionowych obciążeń dynamicznych, jak i obciążeń statycznych.
1. Podstawy nośności osiowej i geometrii łożysk
Aby zrozumieć nośność łożysk walcowych wzdłużnych, należy najpierw odróżnić ich różnice konstrukcyjne od łożysk kulkowych. Zapewniają rolki cylindryczne Kontakt liniowy zamiast Punkt kontaktowy występujący w łożyskach kulkowych. Ta cecha geometryczna pozwala łożyskom walcowym wzdłużnym wytrzymać ogromny nacisk osiowy na bardzo małej przestrzeni. Wymaga to jednak również większej precyzji w zakresie kontroli wibracji i wyrównania.
1.1 Znaczenie naprężenia kontaktowego linii
W procesie obliczeniowym kontakt liniowy oznacza, że nacisk jest rozłożony na całej długości rolki. Zgodnie z hertzowską teorią naprężeń kontaktowych przy obliczaniu nośności należy uwzględnić efektywną długość rolek. Jeśli łożysko zostanie zamontowane nieprawidłowo, co doprowadzi do przechylenia, obciążenie skupi się na krawędziach rolek, tworząc „naprężenia krawędziowe”. Może to zmniejszyć teoretyczną nośność o ponad 50 procent. Dlatego też w przypadku wyszukiwań o dużej częstotliwości „niewspółosiowość łożysk” pozostaje kluczowym, długim słowem kluczowym związanym z obliczeniami obciążenia.
1.2 Podstawowe obciążenia dynamiczne i statyczne
- Podstawowe obciążenie dynamiczne (Ca): Odnosi się to do stałego obciążenia osiowego, jakie łożysko może wytrzymać podczas obracania się, aby osiągnąć trwałość znamionową wynoszącą milion obrotów. Jest to kluczowy wskaźnik pozwalający ocenić żywotność sprzętu.
- Podstawowe obciążenie statyczne (C0a): Odnosi się to do obciążenia granicznego, przy którym następuje trwałe odkształcenie w punkcie środkowym styku, gdy łożysko jest nieruchome lub obraca się z bardzo małą prędkością. Określa bezpieczeństwo łożyska pod obciążeniem udarowym lub w chwili rozruchu. Opanowanie różnicy pomiędzy tymi dwiema wartościami jest pierwszym krokiem w doborze łożyska.
2. Obliczanie podstawowego obciążenia dynamicznego (Ca) przy użyciu normy ISO281
Obliczenie nośności dynamicznej jest podstawą przewidywania trwałości zmęczeniowej łożyska. W przypadku łożysk walcowych wzdłużnych uznaną na całym świecie normą jest ISO 281 . Wzór ten uwzględnia nie tylko wymiary fizyczne, ale także wpływ technologii materiałowej i precyzji obróbki na nośność.
2.1 Standardowa formuła ISO 281
W przypadku jednorzędowych łożysk walcowych wzdłużnych podstawową dynamiczną nośność osiową Ca (mierzoną w niutonach) oblicza się przy użyciu następujących zmiennych:
Ca = fc * (Lw * cos alfa)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 Definicje zmiennych i ich wpływ
- fc (współczynnik geometrii): Współczynnik zależny od konkretnej geometrii, klasy tolerancji i jakości materiału łożyska. Wysokiej jakości stal łożyskowa (taka jak GCr15) ma zazwyczaj wyższą wartość fc.
- Lw (efektywna długość rolki): Efektywna długość rolki. Zwiększenie długości rolek bezpośrednio poprawia nośność, natomiast zbyt długie rolki generują podczas obrotu znaczne tarcie ślizgowe; dlatego projektanci muszą zrównoważyć proporcje.
- Z (liczba rolek): Im więcej rolek, tym mniejszą siłę przenosi każda z nich, co zwiększa ogólną ocenę.
- Dw (średnica rolki): Średnica rolki ma wykładniczy wpływ na nośność i jest najbardziej wrażliwą zmienną w projektowaniu.
2.3 Obliczanie trwałości znamionowej (L10)
Po uzyskaniu Ca inżynierowie muszą obliczyć Trwałość znamionowa (L10) . W przypadku łożysk wałeczkowych wzdłużnych wzór obliczeniowy jest następujący:
L10 = (Ca/Pa)^10/3
Wykładnik 10/3 (około 3,33) odzwierciedla fakt, że łożyska toczne są trwalsze przed uszkodzeniem zmęczeniowym w porównaniu z łożyskami kulkowymi (w których stosuje się wykładnik 3). Zaprezentowanie na korporacyjnej stronie internetowej tej dokładnej przewidywanej żywotności znacząco zwiększa zaufanie klientów do produktu.
3. Nośność statyczna (C0a) i współczynniki bezpieczeństwa
W wielu zastosowaniach łożyska nie zawsze pracują przy dużych prędkościach. Na przykład podczas otwierania ciężkiego zaworu lub w momencie podnoszenia ładunku przez dźwig, łożysko podczas postoju poddawane jest ogromnemu naciskowi. W takich przypadkach musimy polegać na ISO76 norma do obliczania nośności statycznej.
3.1 Zapobieganie trwałym odkształceniom (Brinelling)
Nośność statyczną definiuje się jako obciążenie, które powoduje całkowite trwałe odkształcenie w środku styku najbardziej obciążonego krążka z bieżnią, nieprzekraczające 0.0001 średnicy rolki. Jeśli ta wartość zostanie przekroczona, łożysko będzie generować silne wibracje i hałas podczas kolejnego obrotu. W wyszukiwarkach przemysłowych zjawisko to jest powszechnie określane jako „efekt Brinella”.
3.2 Statyczny wzór obliczeniowy
Ogólny wzór na statyczne obciążenie osiowe C0a wyraża się wzorem:
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alfa
Stała 220 reprezentuje poziom wydajności standardowej hartowanej stali łożyskowej przy określonych poziomach naprężenia kontaktowego.
- Współczynnik bezpieczeństwa (S0): W praktycznej inżynierii wprowadzamy statyczny współczynnik bezpieczeństwa S0 = C0a / P0a. W przypadku urządzeń poddawanych obciążeniom udarowym zaleca się S0 wynoszące 3 lub więcej; w przypadku sprzętu precyzyjnego S0 powinno być jeszcze wyższe, aby zapewnić, że odkształcenie plastyczne nie wpłynie na dokładność.
4. Porównanie operacyjne: współczynniki dostosowania obciążenia
Rzeczywiste warunki pracy są znacznie bardziej złożone niż warunki laboratoryjne. Smarowanie, temperatura i dokładność montażu działają jak „czynniki korygujące”, które bezpośrednio wpływają na efektywną nośność łożyska.
| Czynniki wpływu | Zmienna | Wpływ na pojemność | Zalecenia |
|---|---|---|---|
| Temperatura pracy | stopy | Znaczący spadek powyżej 120C | Użyj stali stabilizowanej termicznie |
| Warunki smarowania | kappa | Słabe smarowanie powoduje kontakt z metalem | Zapewnić stosunek lepkości kappa > 1,5 |
| Błędy wyrównania | beta | Małe kąty pochylenia powodują koncentrację obciążenia | Stosować podkładki kuliste lub gniazda samonastawne |
| Czystość materiału | ISO | Zanieczyszczenia prowadzą do wczesnego odpryskiwania | Wybierz stal odgazowaną próżniowo lub stal ESR |
| Prędkość robocza | n | Siła odśrodkowa zwiększa naprężenia | Sprawdź specyfikacje prędkości granicznej |
5. Często zadawane pytania (FAQ)
P1: Czy łożyska walcowe wzdłużne mogą wytrzymać obciążenia promieniowe?
Nie. Łożyska te są przeznaczone wyłącznie do obciążeń osiowych. Ponieważ rolki są rozmieszczone prostopadle do osi wału, siły promieniowe powodują silne tarcie z klatką lub mogą nawet doprowadzić do zawalenia się zespołu. Jeśli występują siły promieniowe, należy zastosować kombinację łożyska igiełkowego.
P2: Dlaczego wykładnik trwałości L10 różni się od łożysk kulkowych?
Wynika to z różnicy w mechanice kontaktu. Łożyska kulkowe wykorzystują kontakt punktowy, co skutkuje wyższą koncentracją naprężeń i wykładnikiem 3. Łożyska walcowe wykorzystują kontakt liniowy, który rozkłada naprężenia bardziej równomiernie, wykorzystując w ten sposób wyższy wykładnik 10/3.
P3: Jak lepkość smaru wpływa na obciążenie efektywne?
Grubość filmu oleju smarującego określa, czy szczyty chropowatości powierzchni stykowych będą się kolidować. Nawet jeśli teoretyczna nośność jest wysoka, a lepkość oleju jest zbyt niska, rzeczywista żywotność może być mniejsza niż 10 procent obliczonej wartości.
6. Referencje i standardy techniczne
- ISO 281:2007 : Łożyska toczne — Nośność dynamiczna i trwałość znamionowa.
- ISO76:2006 : Łożyska toczne — Nośność statyczna.
- Norma ANSI/ABMA 11 : Nośność i trwałość zmęczeniowa łożysk tocznych.
- Harris, T. A. i Kotzalas, M. N. : Analiza łożysk tocznych, tom 1 i 2 , CRC Press. (Podręcznik będący standardem branżowym do analizy łożysk).
