În proiectarea mecanică grea și întreținerea echipamentelor industriale, calcularea cu precizie a capacității de încărcare a Rulmenți de tracțiune cu role cilindrice este nucleul asigurării fiabilității sistemului. Acești rulmenți sunt renumiți pentru capacitatea lor excepțională de încărcare axială și rigiditatea ridicată, făcându-i folosiți pe scară largă în platformele de foraj petrolier, extruderele grele și cutiile de viteze industriale. Pentru a maximiza durata de viață a rulmentului și a evita defecțiunile catastrofale ale echipamentelor, inginerii trebuie să stăpânească metodele precise de calcul atât pentru sarcinile nominale dinamice, cât și pentru sarcinile statice.
1. Fundamente ale capacității de încărcare axială și ale geometriei lagărului
Pentru a înțelege capacitatea de încărcare a rulmenților axiali cu role cilindrice, trebuie mai întâi să distingem diferențele lor structurale de rulmenții cu bile. Rolele cilindrice asigură Linie de contact mai degrabă decât cel Punct de contact găsite în rulmenții cu bile. Această caracteristică geometrică permite rulmenților axiali cu role cilindrice să reziste la tracțiune axială masivă într-un spațiu foarte mic. Cu toate acestea, necesită și o precizie mai mare în ceea ce privește controlul și alinierea vibrațiilor.
1.1 Semnificația tensiunii la contactul liniei
În procesul de calcul, contactul cu linia înseamnă că presiunea este distribuită pe toată lungimea rolei. Conform teoriei tensiunii de contact hertziene, calculul capacității de încărcare trebuie să ia în considerare lungimea efectivă a rolelor. Dacă rulmentul este instalat necorespunzător, ceea ce duce la înclinare, sarcina se va concentra pe marginile rolelor, creând „Edge Stress”. Acest lucru poate reduce capacitatea de încărcare teoretică cu mai mult de 50 la sută. Prin urmare, în căutările de înaltă frecvență, „Bearing Misalignment” rămâne un cuvânt cheie critic cu coadă lungă legat de calculele de sarcină.
1.2 Evaluări de sarcină dinamice de bază vs. statice
- Nivelul de sarcină dinamică de bază (Ca): Aceasta se referă la sarcina axială constantă pe care o poate suporta un rulment în timp ce se rotește pentru a atinge o durată de viață nominală de un milion de rotații. Aceasta este metrica cheie pentru evaluarea duratei de funcționare a echipamentelor.
- Nivelul de sarcină statică de bază (C0a): Aceasta se referă la sarcina limită la care are loc o deformare permanentă în punctul central de contact în timp ce rulmentul este staționar sau se rotește la viteze foarte mici. Acesta determină siguranța rulmentului la sarcini de impact sau în timpul pornirii. Stăpânirea diferenței dintre aceste două valori este primul pas în selecția rulmenților.
2. Calcularea nivelului de sarcină dinamică de bază (Ca) utilizând ISO 281
Calculul sarcinii dinamice este baza pentru estimarea duratei de viață la oboseală a rulmentului. Pentru rulmenții axiali cu role cilindrice, standardul recunoscut la nivel mondial este ISO 281 . Această formulă ia în considerare nu numai dimensiunile fizice, ci și impactul tehnologiei materialelor și al preciziei de prelucrare asupra capacității de încărcare.
2.1 Formula standard ISO 281
Pentru rulmenții cu role cilindrice cu un singur rând, sarcina dinamică axială de bază Ca (măsurată în Newtoni) este calculată utilizând următoarele variabile:
Ca = fc * (Lw * cos alfa)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 Definițiile variabilelor și impactul acestora
- fc (factor de geometrie): Un coeficient în funcție de geometria specifică, clasa de toleranță și calitatea materialului rulmentului. Oțelul pentru rulmenți de înaltă calitate (cum ar fi GCr15) are de obicei o valoare fc mai mare.
- Lw (Lungimea efectivă a rolei): Lungimea efectivă a rolei. Creșterea lungimii rolei îmbunătățește direct capacitatea de încărcare, dar rolele excesiv de lungi generează frecare de alunecare semnificativă în timpul rotației; astfel, designerii trebuie să echilibreze raportul de aspect.
- Z (număr de role): Cu cât există mai multe role, cu atât mai puțină forță suportă fiecare rolă individuală, crescând ratingul general.
- Dw (diametrul rolei): Diametrul rolei are un impact exponențial asupra capacității de încărcare și este cea mai sensibilă variabilă în design.
2.3 Calcularea duratei de viață (L10)
După obținerea Ca, inginerii trebuie să calculeze Evaluare de viață (L10) . Pentru rulmenții axiali cu role, formula de calcul este:
L10 = (Ca / Pa)^10/3
Exponentul de 10/3 (aproximativ 3,33) reflectă faptul că rulmenții cu role sunt mai durabili înainte de cedarea prin oboseală în comparație cu rulmenții cu bile (care folosesc un exponent de 3). Pe un site web corporativ, demonstrarea acestei predicții precise de viață sporește semnificativ încrederea clienților în produs.
3. Capacitatea de sarcină statică (C0a) și factori de siguranță
În multe aplicații, rulmenții nu sunt întotdeauna într-o stare de funcționare de mare viteză. De exemplu, la deschiderea unei supape grele sau în momentul în care o macara ridică o sarcină, rulmentul este supus unei presiuni imense în timp ce staționează. În astfel de cazuri, trebuie să ne bazăm pe ISO 76 standard pentru a calcula capacitatea de încărcare statică.
3.1 Prevenirea deformării permanente (Brineling)
Capacitatea de încărcare statică este definită ca sarcina care are ca rezultat o deformare permanentă totală la centrul de contact al rolei și al canalului de rulare cel mai puternic încărcat, care nu depășește 0.0001 a diametrului rolei. Dacă această valoare este depășită, rulmentul va genera vibrații severe și zgomot în timpul rotației ulterioare. Acest lucru este denumit în mod obișnuit în căutările industriale ca „Efectul Brinelling”.
3.2 Formula de calcul static
Formula generală pentru sarcina axială statică C0a este exprimată astfel:
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alfa
Constanta 220 reprezintă nivelul de performanță al oțelului standard călit pentru rulmenți la niveluri specifice de tensiuni de contact.
- Factorul de siguranță (S0): În ingineria practică, introducem un factor de siguranță static S0 = C0a / P0a. Pentru echipamentele cu sarcini de impact, se recomandă un S0 de 3 sau mai mare; pentru echipamentele de precizie, S0 ar trebui să fie și mai mare pentru a se asigura că nicio deformare plastică nu afectează precizia.
4. Comparație operațională: Factori de ajustare a sarcinii
Condițiile reale de lucru sunt mult mai complexe decât condițiile de laborator. Lubrefierea, temperatura și precizia instalării acționează ca „factori de corecție” care afectează direct capacitatea de încărcare efectivă a rulmentului.
| Factori de impact | Variabilă | Impact asupra capacității | Recomandări |
|---|---|---|---|
| Temperatura de operare | ft | Scădere semnificativă peste 120C | Utilizați oțel stabilizat la căldură |
| Condiții de lubrifiere | kappa | Ungerea slabă provoacă contactul cu metalul | Asigurați un raport de vâscozitate kappa > 1,5 |
| Erori de aliniere | beta | Unghiurile mici de înclinare determină concentrarea sarcinii | Utilizați șaibe sferice sau scaune cu auto-aliniere |
| Puritatea materialului | aISO | Impuritățile duc la descompunerea timpurie | Alegeți oțel degazat în vid sau ESR |
| Viteza de operare | n | Forța centrifugă crește stresul | Verificați specificațiile privind limitarea vitezei |
5. Întrebări frecvente (FAQ)
Î1: Rulmenții cu role cilindrice de tracțiune pot face față sarcinilor radiale?
Nu. Acești rulmenți sunt proiectați strict pentru sarcini axiale. Deoarece rolele sunt dispuse perpendicular pe axa arborelui, forțele radiale provoacă frecare severă cu cușca sau pot duce chiar la prăbușirea ansamblului. Dacă există forțe radiale, vă rugăm să utilizați un rulment cu role cu ace în combinație.
Î2: De ce este exponentul de viață L10 diferit de rulmenții cu bile?
Acest lucru se datorează diferenței de mecanică de contact. Rulmenții cu bile utilizează un contact punctual, ceea ce are ca rezultat o concentrare mai mare a tensiunii și un exponent de 3. Rulmenții cu role cilindrice utilizează contactul de linie, care distribuie tensiunea mai uniform, folosind astfel exponentul superior de 10/3.
Î3: Cum afectează vâscozitatea lubrifierii sarcina efectivă?
Grosimea peliculei de ulei de lubrifiere determină dacă vârfurile de rugozitate ale suprafețelor de contact se vor ciocni. Chiar dacă sarcina nominală teoretică este mare, dacă vâscozitatea uleiului este prea mică, durata de viață reală poate fi mai mică de 10% din valoarea calculată.
6. Referințe și standarde tehnice
- ISO 281:2007 : Rulmenți cu rulare — Capacitate de sarcină dinamică și durata nominală.
- ISO 76:2006 : Rulmenți de rulare — Capacitate de sarcină statică.
- Standardul ANSI/ABMA 11 : Capacitate de sarcină și durata de viață la oboseală pentru rulmenți cu role.
- Harris, T. A. și Kotzalas, M. N. : Analiza rulmentului, Vol. 1 și 2 , CRC Press. (Manualul standard al industriei pentru analiza rulmenților).
