Pyörivien koneiden työhevonen: syväurakuulalaakereiden suunnittelu

Tuomio: syväurakuulalaakerit kantavat 70 % kaikista pyörivien akselien kuormista

Sovelluksissa, jotka vaativat suurta toimintaa yhdistetyillä radiaali- ja aksiaalikuormilla, urakuulalaakerit ovat yleisimmin käytetty vierintälaakeri, mikä vastaa noin 70 % kaikista laakerisovelluksista sähkömoottoreissa, pumppuissa, vaihteistoissa ja kuljettimissa . Suora johtopäätös: valitse urakuulalaakerit perustuen dynaaminen kuormitus (C, kN), staattinen kuormitus (C0, kN), nopeusrajoitus (rasva- tai öljyvoitelu) ja sisävälys (C2, CN, C3, C4) . Laakeri, jonka dynaaminen kuormitusarvo on riittämätön, väsyy ennenaikaisesti (L10 käyttöikä alle 10 000 tuntia); laakeri, jonka välys on liian suuri, aiheuttaa melua, tärinää ja heikentää paikannustarkkuutta.

Perussuunnittelu ja kuormitusominaisuudet

Syväuraiset kuulalaakerit koostuu sisärenkaasta, ulkorenkaasta, häkistä (pidikkeestä) ja joukosta palloja, jotka pyörivät syvissä urissa. "Syvä ura" viittaa kilparadan geometriaan, jossa uran säde on vain hieman suurempi (tyypillisesti 52 % pallon halkaisijasta) kuin itse pallo, mikä luo mukautuvan kontaktin, joka jakaa jännityksen suuremmalle alueelle. . Tämä rakenne mahdollistaa laakerin ottamaan vastaan ​​merkittäviä säteittäisiä kuormia (ensisijainen), kohtalaisia ​​aksiaalikuormia (työntövoima) molempiin suuntiin (toissijainen) ja yhdistettyjä kuormia samanaikaisesti. Kosketuskulma aksiaalikuorman alaisena on tyypillisesti 5-15 astetta aksiaalikuorman suuruudesta riippuen.

Lataussuhdeohjeet: Optimaalisen käyttöiän saavuttamiseksi aksiaalisen kuorman suhde radiaalikuormaan (Fa/Fr) ei saa ylittää 0,5:tä tavallisissa syväurakuulalaakereissa . Jos Fa/Fr ylittää 0,5, harkitse kulmakosketuskuulalaakereita (suurempi aksiaalinen kapasiteetti) tai suurenna laakerin kokoa. Vain puhtaalla aksiaalisella kuormituksella (Fr=0) syväurakuulalaakerit kestävät aksiaalikuormia jopa 50 % staattisen kuormituksen arvosta, mutta käyttöikä lyhenee, koska kuulat koskettavat kilparadan olkapäiden reunoja ja luovat jännitysnostoja. Sovelluksissa, joissa on merkittäviä aksiaalikuormia (esim. pystyakselipumput, työntövoimasovellukset), kulmakosketuslaakerit ovat suositeltavia.

Dynaaminen kuormitusluokitus ja L10 laakerin käyttöikä

Dynaaminen kuormitus (C) on vakio säteittäinen kuorma, jonka 90 % identtisten laakereiden ryhmästä (L10 käyttöikä) kestää 1 miljoonan kierroksen (noin 500 tuntia nopeudella 3 330 rpm). Peruskäyttöikäkaava L10: L10 = (C / P)^3 × 1 000 000 kierrosta, missä P on vastaava dynaaminen laakerikuorma . Laakerille, jonka C = 14 kN ja kuormitus P = 2 kN, L10 = (14/2)^3 × 10^6 = 7^3 × 10^6 = 343 × 10^6 kierrosta. 3 000 kierrosta minuutissa tämä on 343 000 000 / (3 000 × 60) = 1 905 tuntia. Useimmissa teollisissa sovelluksissa pienin hyväksyttävä L10 käyttöikä on 10 000-20 000 tuntia (1-2 vuotta jatkuvaa käyttöä). Kriittisissä sovelluksissa (pumput, puhaltimet, kuljettimet) määritä L10 arvoksi 50 000 tuntia.

Luotettavuuden säätö (ei-standardi L10): 95 %:n luotettavuuden saamiseksi (L5) kerro L10 luvulla 0,62; 99 %:n luotettavuuden saamiseksi (L1), kerro 0,21:llä . Laakerille, jonka L10 = 20 000 tuntia, L1 = 4 200 tuntia (eli 1 % laakereista rikkoutuu ennen 4 200 tuntia). Sovelluksissa, joissa vika on katastrofaalinen (lääketieteelliset laitteet, lentokoneet, hissit), suunnittele L1 käyttöikä, ei L10. Tavallisiin teollisuuskoneisiin L10 riittää. Käytä myös levityskertoimia (a2 voitelulle, a3 kontaminaatiolle) ISO 281:n mukaan; puhdas, hyvin voideltu laakeri saavuttaa a2 = a3 = 1,0; laakerin, jossa on marginaalivoitelu tai likaisuus, kertoimet voivat olla 0,3-0,5, mikä vähentää käyttöikää 50-70%.

Staattinen kuormitusluokitus ja pysyvä muodonmuutos

Staattinen kuormitusluokitus (C0) on kuorma, jolla pallojen ja juoksuteiden pysyvä muodonmuutos saavuttaa 0,0001 kertaa pallon halkaisijan (tyypillisesti 0,1-0,2 mikronia 10 mm:n pallolla). Tasaisen ja hiljaisen toiminnan varmistamiseksi staattinen kuormitus (mukaan lukien iskukuormat) ei saa ylittää 50 % C0:sta . Sovelluksissa, joissa on jaksollinen toiminta tai hidas värähtely (alle 10 RPM), staattinen kuormitus voi lähestyä 100 % C0:sta, mutta kuuluva melu ja tärinä lisääntyvät. Laakerille, jonka C0 = 7,8 kN, suurin suositeltu staattinen kuormitus tasaisen toiminnan takaamiseksi on 3,9 kN (noin 400 kg). Tämän ylittäminen aiheuttaa Brinellingiä (pysyviä painaumia), jotka synnyttävät tärinää ja lyhentävät käyttöikää.

Iskukuormitukset ovat erityisen haitallisia. Asteittain kohdistettu 5 kN:n staattinen kuormitus aiheuttaa mitätöntä vahinkoa; sama 5 kN:n kuormitus kohdistettuna 1 millisekunnin iskuna (vasaran iskuna) synnyttää hetkellisen jännityksen 10-20x suuremman, mikä muuttaa kulkuradan pysyvästi muotoaan. . Sovelluksissa, joissa on iskukuormitus (kuljettimet, murskaimet, materiaalinkäsittely), valitse laakeri, jonka staattinen kuormitus on vähintään 10x laskettu vakaan tilan kuormitus. Määritä myös urakuulalaakerit, joissa on suurempi kuulakoko (6000-sarja vs. 6200-sarja samalle poraukselle), koska suuremmat kuulat jakavat iskujännityksen laajemmalle alueelle, mikä vähentää Brinelling-riskiä.

Sisäinen välys: C2, CN, C3, C4 Valinta

Sisäinen välys (säteittäinen välys) on kokonaisetäisyys, jonka sisärengas voi liikkua säteittäisesti suhteessa ulkorenkaaseen kuormittamattomana. Vapaaluokat: C2 (normaalia pienempi), CN (normaali, yleisin), C3 (normaalia suurempi), C4 (suurempi kuin C3) . Oikean välyksen valitseminen on kriittinen, koska lämpötilagradientit ja häiriösovitukset vähentävät asennettua välystä. Useimmissa sovelluksissa, joissa käyttölämpötila on alle 80 °C ja teräsakseli/kotelo, CN-välys on riittävä. Korkeissa lämpötiloissa (yli 100 °C) sisärengas laajenee nopeammin kuin ulkorengas, mikä vähentää välystä; määritä C3 tai C4 lämpötilasta riippuen. Ohutseinäisille koteloille (muovi tai alumiini), joissa kotelon laajeneminen ylittää akselin laajenemisen, määritä C2 välys.

Nyrkkisääntö puhdistuksen valinnassa: Jos sisärenkaan ja ulkorenkaan välinen lämpötilaero (ΔT) on 30 °C, välyksen pieneneminen on noin 0,003 mm laakerin reiän 10 mm:ä kohti . 6205-laakerille (reikä 25 mm), ΔT = 30 °C vähentää säteittäistä välystä 25 × 0,000011 × 30 = 0,0083 mm (noin 8 mikronia). Jos alkuvälys (CN mallille 6205) on 5-15 mikronia, laakeri voi käydä negatiivisella välyksellä (esijännitys) lämpötilassa, mikä aiheuttaa ylikuumenemista ja varhaista vikaa. Jos ΔT > 30°C, määritä C3-välys (15-25 mikronia mallille 6205). Jos ΔT > 60°C, määritä C4 (25-35 mikronia). Mittaa todellinen käyttölämpötila asennuksen jälkeen ennen lopullista välyksen valintaa kriittisissä sovelluksissa.

Nopeusrajoitukset ja voitelu

Syväuraisilla kuulalaakereilla on nopeusrajoitukset, jotka määräytyvät häkin rakenteen, voitelumenetelmän ja lämmöntuotannon mukaan. Rasvavoitelussa nopeusrajoitus (n) on tyypillisesti 60-80 % öljyvoideltusta rajasta . Nopeuskerroin (dn-arvo = laakerin reikä mm × RPM) on standardi vertailumittari. Rasvavoideltujen teräslaakereiden, joissa on meistetty teräshäkki, maksimi dn on noin 300 000-400 000. 25 mm:n laakerille tämä vastaa maksiminopeutta 12 000-16 000 RPM. Öljyvoideltujen laakereiden, joissa on koneistetut messinki- tai polyamidihäkit, dn voi olla 600 000-800 000.

Voiteluaineen valinta: Käyttölämpötiloissa -20 - 80°C soveltuu tavallinen litiumpohjainen NLGI-luokan 2 rasva (ISO VG 150-220 perusöljy). . Korkeille lämpötiloille (80-120°C) määritä polyurealla tai PTFE:llä sakeutettu rasva synteettisellä öljyllä (PAO tai esteri). Matalissa lämpötiloissa (alle -20°C) määritä matalaviskositeettinen rasva (NLGI-luokka 1 tai 0) synteettisellä perusöljyllä. Rasvatäyttö: tiivistetyille laakereille (2RS tai 2Z) valmistaja täyttää 25-35% vapaasta tilasta; uudelleenvoidettavia laakereita (avoin) varten täytä 30-50 % vapaasta tilasta ensimmäisen voitelun yhteydessä ja voitele sitten 500-2 000 tunnin välein käyttöolosuhteista riippuen. Ylirasvaus (täyttö yli 60 %) aiheuttaa hankaamista, ylikuumenemista ja rasvan hajoamista.

Suojat, tiivisteet ja kontaminaatiosuojaus

Syväurakuulalaakereita on saatavana suojuksilla (Z tai ZZ) tai kontaktitiivisteillä (RS tai 2RS). Suojukset (metalli) suojaavat suuria roskia vastaan samalla, kun ne mahdollistavat jonkin verran rasvan karkaamisen ja vähäisen kitkan kasvun (5-10 % suurempi vääntömomentti kuin auki) . Suojat sopivat puhtaisiin ympäristöihin, joissa vaaditaan satunnaista voiteluaineen vaihtoa (esim. sähkömoottorit). Tiivisteet (kumi, tyypillisesti nitriili tai fluorielastomeeri) tarjoavat kosketustiivistyksen pölyä ja kosteutta vastaan, mutta lisäävät kitkamomenttia 50-100 % ja pienentävät nopeusrajoituksia 20-30 %. Likaisille ympäristöille (sahat, rakennuskoneet, elintarviketeollisuus) määritä 2RS (kaksoistiiviste). Pesutarkoituksiin (elintarvikkeiden käsittely, autopesut) määritä 2RS ruostumattomasta teräksestä (martensiittista tai 440C laatua) ruostumattomasta teräksestä valmistetulla laakerilla ruostumisen estämiseksi.

Tiivisteen lämpötilarajat: Nitriilikumi (vakio) tiivisteet on mitoitettu 100 °C:een; fluoroelastomeeri (Viton) tiivistyy 200°C:een . Korkeissa lämpötiloissa (uunit, kuivaimet, uunit) määritä Viton-tiivisteet. Tyhjiösovelluksiin (alle 10⁻³ mbar) määritä suojatut laakerit (ei tiivistetty), koska ne tiivistävät poistuvan kaasun eivätkä tiivistä tyhjiössä. Laakereille, jotka ovat alttiina vedelle tai höyrylle, määritä tiivistetyt laakerit vedenkestävällä rasvalla (kalsiumsulfonaatti tai alumiinikompleksi). Kenttätiedot osoittavat, että tiivistetyt laakerit kestävät märissä olosuhteissa 3-5 kertaa pidempään kuin suojatut laakerit, koska tiivisteet estävät veden pääsyn sisään, mikä aiheuttaa korroosiota ja voiteluaineen huuhtoutumista.

Materiaalit: Kromiteräs vs. ruostumaton vs. hybridikeramiikka

Syvien urakuulalaakerirenkaiden ja -kuulojen vakiomateriaali on SAE 52100 kromiteräs (hiilipitoinen kromiseosteräs). 52100-teräksen kovuus on 60-64 HRC, erinomainen vierintäkosketuksen väsymislujuus ja kohtalainen korroosionkestävyys . Korroosionkestävyyttä vaativissa sovelluksissa (elintarvikkeiden jalostus, merenkulku, kemikaalit) määritä renkaille ja palloille AISI 440C ruostumaton teräs (kovuus 58-60 HRC). 440C ruostumattoman teräksen kantavuus on 70-80 % 52100:n kantavuudesta, mutta se riittää useimpiin sovelluksiin. Erinomaiseen korroosionkestävyyteen (suolavesi, happoliuokset) määritä 316 ruostumatonta rengasta, joissa on piinitridi (keraamiset) pallot; Tämä hybridilaakeri on ei-magneettinen ja täysin korroosionkestävä, mutta maksaa 5-10x tavallista terästä.

Hybridilaakerit (teräsrenkaat, keraamiset kuulat) tarjoavat suuremman nopeuden (keraamiset kuulat ovat kevyempiä, mikä vähentää keskipakovoimaa) ja sähköeristyksen. Piinitridi (Si3N4) keraamisten pallojen tiheys on 60 % pienempi kuin teräksellä, mikä mahdollistaa 30-50 % korkeammat nopeusrajoitukset . Hybridilaakerit estävät myös sähkömoottoreiden sähköisiä aallotusvaurioita (keraamiset kuulat eivät ole sähköä johtavia). Määritä taajuusmuuttajamoottoreille (VFD) hybridikuulalaakerit estämään laakerivirtoja, jotka aiheuttavat aaltoilua (pesulautakuvio kilparadoilla). VFD-moottoreissa, joissa ei ole hybridilaakereita, laakerivaurio tapahtuu 6-18 kuukaudessa; hybridilaakerit kestävät 5-10 vuotta.

Häkkien (pidin) tyypit

Häkki erottaa pallot, ohjaa ne kuormitusalueen läpi ja estää pallon kosketuksen. Leimatut teräshäkit (niitatut tai napsautetut) ovat vakiona 70-80 % syväurakuulalaakereista . Ne ovat taloudellisia, vahvoja ja toimivat jopa 150 °C:n lämpötiloissa. Niillä on kuitenkin rajoitettu nopeuskapasiteetti (dn = 300 000 max), eikä niitä suositella erittäin suurille nopeuksille tai tärinälle. Koneistettuja messinkihäkkejä (kaksiosaisia ​​niitattuja) käytetään suurissa nopeuksissa (dn = 600 000 ), korkeissa lämpötiloissa (300 °C) ja voimakkaissa tärinäympäristöissä. Messinkihäkit maksavat 3-5x teräshäkit, mutta tarjoavat 30-50 % korkeammat nopeusrajoitukset ja pidemmän käyttöiän huonoissa voiteluolosuhteissa.

Polyamidi (nailon) häkit ovat kevyitä, niillä on erinomaiset nopeat ominaisuudet ja hiljainen toiminta. Polyamidihäkit ovat vakiona pienille ja keskikokoisille laakereille (reikä alle 100 mm), joita käytetään sähkömoottoreissa ja kodinkoneissa . Polyamidi hajoaa kuitenkin yli 120°C:ssa ja tietyt voiteluaineet (aggressiiviset EP-lisäaineet) hyökkäävät siihen. Yli 100°C lämpötiloissa tai äärimmäisen paineen voiteluaineita käytettäessä määritä messinki- tai teräshäkit. Tyhjiösovelluksissa polyamidi poistuu kaasusta ja muuttuu hauraaksi; määritä teräs tai messinki. Lääketieteellisissä ja elintarviketeollisuuden sovelluksissa, joissa voiteluaineiden yhteensopivuus on kriittinen, polyamidi on hyväksyttävää, jos tietty voiteluaine on testattu.

Asennus: Akseli ja kotelo sopii

Oikeat akselin ja kotelon sovitukset ovat välttämättömiä laakerien oikean toiminnan kannalta. Pyöriviä sisärengaskuormia varten (useimmissa sovelluksissa) akselissa tulee olla häiriösovitus (akselin toleranssi k5, k6 tai m6) virumisen (akselin pyörimisen) estämiseksi. . 25 mm:n akselille k6-toleranssi tarjoaa 2-15 mikronin häiriötä, joka riittää useimpiin sovelluksiin. Kotelossa tulee olla välyssovitus (H7-toleranssi), jotta lämpölaajeneminen mahdollistaa aksiaalisen liikkeen. Pyöriviä ulkorengaskuormia varten (epäkeskoakselit, epätasapainoiset kuormat) kotelossa tulee olla häiriösovitus (P7 tai N7) ja akselissa välysliitos (h6). Väärä istuvuuden valinta aiheuttaa naarmuttavaa korroosiota (löysä istuvuus) tai liiallista esijännitystä (tiukka sovitus).

Mitta sopii mikrometreille, ei jarrusatulalle. 25 mm:n akselilla ero k6:n (enintään 25,015 mm, vähintään 25,002 mm) ja h6:n (enintään 25 000 mm, vähintään 24,987 mm) välillä on 15-28 mikronia – helposti mitattuna mikrometrillä, mutta paksuuden rajalla. . Tarkista ennen asennusta, ettei akselissa ole kolhuja, purseita tai naarmuja; yli 5 mikronia korkeat viat painavat laakerin reiän ja vaikuttavat ajotarkkuuteen. Käytä alumiini- tai muovikoteloissa liimamassaa (pidätysmassaa) häiriösovitusten sijaan, koska kotelo vääristyy häiriön vaikutuksesta.

Asennusmenetelmät: Mekaaninen vs. lämpö

Älä koskaan vasaroi laakeria akseliin – iskukuormitus Brinellyt ajoradat. Käytä mekaanisia puristimia (pienille laakereille, joiden reikä on enintään 40 mm) tai lämpölaajenemista (suuremmille laakereille). Lämmitä laakeri lämpöasennuksessa 80-100°C:een (enintään 120°C) induktiolämmittimellä tai öljyhauteella . Lämmitys laajentaa sisärengasta mahdollistaen liukastumisen akselille. Akselin asennusta varten lämmitä laakeria ja liu'uta se akselille, kunnes se asettuu paikalleen. Kotelon asennusta varten jäähdytä laakeri (kuivajää tai pakastin -40 °C) ulkorenkaan kutistamiseksi ja pudota sitten koteloon. Älä koskaan kuumenna tiivistettyä tai suojattua laakeria yli 80 °C:n lämpötilaan – tiivisteet tai rasva vaurioituvat.

Käytä voimaa vain asennettavaan renkaaseen. Kun asennat akselille, kohdista voimaa vain sisärenkaaseen; ulkorenkaan painaminen siirtää voimaa pallojen läpi, kolhien kulkureittejä . Kun asennat koteloon, kohdista voimaa vain ulkorenkaaseen. Käytä kiinnitysholkkeja tai pehmeitä metallityökaluja (messinkiä tai alumiinia) laakeripintojen vaurioitumisen välttämiseksi. Asennuksen jälkeen käännä laakeria käsin; sen tulee kääntyä tasaisesti ilman urituksia (karkeita kohtia) tai takertumista (liiallinen vastus). Loviisuus osoittaa, että Brinelling johtuu väärästä asennuksesta; sidonta osoittaa väärää välystä tai kohdistusvirhettä.

Voitelun uudelleenvoiteluvälit

Uudelleenvoidettavien (avoimien) syväurakuulalaakereiden uudelleenvoiteluvälit riippuvat käyttöolosuhteista. Normaaliolosuhteissa (lämpötila 40-70°C, puhdas ympäristö, vaakasuora akseli) voitele uudelleen 2 000-4 000 tunnin välein tai 6 kuukauden välein . Vaikeissa olosuhteissa (lämpötila > 80 °C, korkea kosteus, saastuminen, pystysuora akseli) voitele uudelleen 500-1000 tunnin välein tai kuukausittain. Sähkömoottorit (jatkuva käyttö, 40-60°C) voitele uudelleen 3000-5000 tunnin välein (4-6 kuukautta). Voitele puhaltimet ja puhaltimet (kevyt kuorma, puhdas ilma) uudelleen 4 000-8 000 tunnin välein. Pumput (puhdas vesi, 20-40°C) voitele uudelleen 2000-4000 tunnin välein.

Rasvan määrä: 6205 laakerille (47 mm ulkohalkaisija, 25 mm sisähalkaisija) lisää 1,5-2,5 grammaa rasvaa uudelleenvoitelun aikana . Liian vähän rasvaa (alle 1 g) aiheuttaa nälkää ja nopeaa kulumista; liian paljon (yli 5 g) aiheuttaa hankailua, ylikuumenemista ja rasvan vuotoa. Laakereita, joissa on rasvanippa (zerk-nippa), pumppaa hitaasti (1 pumppu sekunnissa), kunnes tiivisteisiin ilmestyy puhdasta rasvaa tai tunnet pientä vastusta. Jos laakerit ovat ilman liittimiä, pura ne rasvaaksesi uudelleen – ei käytännöllistä; määritä tiivistetyt laakerit (2RS) ja vaihda laakeri, kun rasva hajoaa.

Vikatilat ja perussyyanalyysi

Syväuraisten kuulalaakerien viat voidaan diagnosoida silmämääräisellä tarkastuksella. Ratareittien hilseily (halkeilu): klassinen väsymishäiriö; osoittaa L10:n käyttöiän ylityksen tai kuorman ylityksen . Brinelling (syvennykset välimatkan päässä pallokentällä): aiheutuu iskukuormituksesta tai vasaralla asennuksen aikana. Tahriintuminen (pallojen ja juoksuteiden välinen hitsaus): riittämätön voitelu tai liiallinen nopeus. Väärä suolaus (matalat kulumisjäljet ​​pallon kohdissa): tärinä paikallaan (kuljetetut koneet). Värinmuutos (siniset/ruskeat renkaat renkaissa/palloissa): ylikuumeneminen (>150°C), usein suuresta nopeudesta, vähäisestä voiteluaineesta tai liiallisesta esikuormituksesta johtuen.

Korroosio (puna/ruskea ruoste): kosteuden sisäänpääsy; paranna tiivistystä tai käytä ruostumattomia laakereita. Sähköinen aallotus (pesulautakuvio huurtuneen ulkonäön näyttävillä kiskoradoilla): sähkövirran kulku; käytä hybridilaakereita tai eristettyjä laakereita . Häkkivaurio (halkeama tai rikkoutunut häkki): liiallinen tärinä, häkin rajojen ylittävä nopeus tai voiteluaineen puute, joka aiheuttaa iskukuormitusta. Tunnista kunkin vikatilan perimmäinen syy ennen laakerin vaihtamista; uuden laakerin asentaminen samoissa olosuhteissa toistaa vian. Kriittisten laitteiden osalta lähetä vialliset laakerit laboratorioon analysoitavaksi (SEM/EDX kontaminaatioiden tunnistamiseen, metallurginen leikkaus pinnan alaisen väsymisen vuoksi).