V mnoha případech zahrnujících výběr ložisek během počátečního návrhu stroje je dosažení uspokojivé jmenovité životnosti prvořadým hlediskem. O velikosti hřídele se obvykle rozhoduje nejprve na základě dovoleného pracovního namáhání a průhybu. Tím se vytvoří otvory pro ložiska. Naštěstí pro konstruktéra zařízení lze nalézt standardní ložiska s různými vnějšími průměry a šířkami pro danou velikost otvoru. Jak se objem ložiskové obálky zvyšuje s O.D. a šířka, dynamická kapacita se odpovídajícím způsobem zvyšuje, čímž se zvyšuje životnost.
Jakmile byly stanoveny zatížení a rychlosti, vyvstává otázka: „Kolik hodin životnosti je potřeba pro dobře navržený stroj? Někdy je to vyjádřeno buď specifickými průmyslovými standardy nebo firemní politikou založenou na průmyslu a očekávání zákazníků. V jednom odvětví může být zcela přijatelné, aby koncový uživatel provedl generální opravu svého zařízení, výměnu ložisek, těsnění atd. jednou za rok. V jiném odvětví lze očekávat, že ložiska vydrží minimálně deset let. Při určování hodnoty minimální požadované jmenovité životnosti je také třeba vzít v úvahu, jak často je zařízení používáno. Běží přerušovaně nebo na plný úvazek během pracovní směny? Kolik směn za den a kolik dní v týdnu?
Nabízíme ložiska
American Roller Bearing primárně vyrábí ložiska pro velká zatížení, která se používají v různých průmyslových odvětvích v USA a po celém světě. Nejen, že naše ložiska průmyslové třídy musí poskytovat dlouhou životnost z hlediska únavy při odvalování, ale také musí konstrukčně držet pohromadě při nárazech, přetížení a příležitostných vysokorychlostních výchylkách. Konstrukce každého ložiska pro velká zatížení byla za tímto účelem optimalizována, včetně našich ložisek s velkou dírou.
- Kuličková ložiska
- Válečková ložiska
- Kuželíkové ložiska
- Kuličková ložiska
- Axiální ložiska
- Vlastní ložiska
Tabulka I
Tabulka I níže ukazuje doporučené minimální jmenovité životnosti ložisek pro různé provozní podmínky a podmínky spolehlivosti.
| Provozní podmínky | Minimální životnost L10 (hodiny) |
|---|---|
| Přerušovaný provoz během dne, přerušení provozu přijatelné | 8,000 |
| Přerušovaný provoz během dne, důležitá spolehlivost | 12,000 |
| Nepřetržitý provoz na 1 směnu | 20,000 |
| Nepřetržitý provoz na 2 směnu | 40,000 |
| Nepřetržitý 24hodinový provoz | 60,000 |
| Důležitá je spolehlivost nepřetržitého 24hodinového provozu | 100,000 |
Dynamická nosnost – C
Dynamická kapacita ložiska, C, je definována jako konstantní stacionární radiální zatížení, které může valivé ložisko teoreticky vydržet při základní jmenovité životnosti jeden milion otáček. Hodnoty tohoto důležitého parametru ložiska, C, jsou uvedeny v každé tabulce ložisek kromě ložisek Crane Hook. Dynamická kapacita ložiska se používá k předpovědi jmenovité životnosti každého ložiska při jeho předpokládaném zatížení a rychlosti otáčení. Obecně by mělo být ložisko vystaveno pouze maximálnímu provoznímu zatížení rovnajícímu se polovině jeho dynamické kapacity ložiska. Způsob výpočtu dynamické kapacity ložisek byl definován asociacemi, jako je American Bearing Manufacturers Association (ABMA) a International Organization for Standardization (ISO). Vzorce využívají vnitřní rozměry oběžných drah ložisek a jejich valivých těles.
Statická kapacita — Co
Statická kapacita ložiska, Co, je maximální zatížení, které může být bezpečně aplikováno na nerotující ložisko, které nezpůsobí zhoršení následného provozu ložiska. Je založeno na vypočteném kontaktním napětí ve středu nejvíce zatíženého valivého prvku, kde se dotýká vnitřní rasy. Tyto úrovně napětí pro tři typy ložisek jsou:
- — 4600 MPa (667,000 XNUMX psi) pro samonaklápěcí kuličková ložiska
- — 4200 MPa (609,000 XNUMX psi) pro všechna ostatní kuličková ložiska
- — 4000 MPa (580,000 XNUMX psi) pro všechna válečková ložiska
Výpočet jmenovité životnosti ložiska
„Jmenovitá životnost“ je životnost ložiska vypočtená pro 90% spolehlivost. Toto je doba, kterou skupina zdánlivě identických ložisek dokončí nebo překročí před vytvořením únavového odlupování. Základní vzorec pro výpočet jmenovité životnosti ložiska L 10 je:
- C = Dynamická kapacita (dN nebo Lbs)
- P = ekvivalentní zatížení ložiska (N nebo Lbs)
- N = rychlost otáčení v ot./min
- e = 3.0 pro kuličková ložiska, 10/3 pro válečková ložiska
Kombinované radiální a tahové zatížení
Všechna kuličková ložiska, kuželíková ložiska a soudečková ložiska jsou schopna přenášet značné axiální axiální zatížení. „Ekvivalentní zatížení ložiska“, P, použité ve vzorci jmenovité životnosti, je třeba vypočítat, když se objeví kombinované radiální a axiální zatížení. Tento výpočet může být poněkud komplikovaný, protože závisí na relativních velikostech radiálního a axiálního zatížení vůči sobě navzájem a na kontaktním úhlu vyvinutém ložiskem. Bylo by příliš obtížné ukázat všechny metody výpočtu P pro všechny zobrazené typy ložisek. U kuželíkových ložisek se používá axiální faktor „K“. Pro jakoukoli aplikaci vyžadující výpočet jmenovité životnosti s kombinovaným radiálním a axiálním zatížením kontaktujte prosím obchodní oddělení společnosti American.
Radiální válečková ložiska, která mají na svých vnitřních a vnějších kroužcích protilehlé příruby, mají omezenou schopnost přenášet axiální zatížení přes délku válečků. Je to tak omezené, že uživatelům nedoporučujeme, aby to záměrně dělali. Přijatelné tahové zatížení je použití válečkových konců a přírub pro přerušovaný tah a účely umístění. Protože jakékoli axiální zatížení by bylo kolmé k radiálnímu zatížení a využívalo by různé kontaktní plochy ložisek, není to faktor při výpočtu životnosti ložiska.
Různé zatížení a rychlosti
Mnoho aplikací nefunguje při konstantním zatížení nebo otáčkách a výběr ložisek pro určitou jmenovitou životnost v hodinách na základě nejhorších provozních podmínek se může ukázat jako neekonomický. Často lze pracovní cyklus definovat pro různé provozní podmínky (zatížení a rychlost) a procento času pro každou z nich. Související situace nastává také u některých strojů, které vytvářejí vratný pohyb. V takových případech dojde k úplnému pracovnímu cyklu během jedné otáčky ložiska. Kromě toho by tyto dva příklady mohly být kombinovány pro několik předpokládaných provozních podmínek s vratným pohybem a různými špičkovými zatíženími a rychlostmi. Výpočet jmenovité životnosti, když se zatížení a rychlosti mění, zahrnuje nejprve výpočet L10 jmenovitá životnost při všech provozních podmínkách pracovního cyklu. Dále se ke spojení jednotlivých L použije níže uvedený vzorec10 dožije jmenovité životnosti po celý pracovní cyklus.
T1, T2, Tn = procento času za různých podmínek, vyjádřené jako desetinné číslo
Lp1, Lp2, Lpn = Životnost v hodinách pro každou periodu konstantního zatížení a rychlosti
Oscilační zátěže
Když se ložisko neotočí úplně, ale během provozu kmitá tam a zpět, lze pomocí níže uvedeného vzorce vypočítat nižší ekvivalentní radiální zatížení:
- Pe = ekvivalentní dynamické radiální zatížení
- Po = skutečné oscilační radiální zatížení
- β = úhel oscilace ve stupních
- e = 10/3 (válečková ložiska) 3.0 (kuličkové Brgs)
Oddělení radiálního a tahového zatížení
Některé aplikace produkují velmi vysoké radiální a axiální zatížení a nemusí být fyzicky možné nebo proveditelné použít jediné ložisko, které je schopné přenášet oba typy zatížení. V takových situacích je lepší návrh poskytnout samostatná ložiska, která přenášejí radiální a axiální zatížení. Když k tomu dojde, konstruktér stroje musí dávat pozor, aby zajistil, že radiální ložisko převezme pouze radiální zatížení a axiální ložisko pouze axiální zatížení. Dobrým způsobem, jak toho dosáhnout, je použít válečkové ložisko s jedním přímým kroužkem v „radiálním“ místě, protože toto ložisko nemůže vydržet žádný tah. Dvojice ložisek s kosoúhlým stykem nebo kuželíková ložiska se strmým úhlem je často dobrou volbou pro zachycení axiálního zatížení, ale je třeba zabránit tomu, aby viděli jakékoli radiální zatížení. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je velmi volné uložení vnějších kroužků v jejich pouzdrech: typicky 5 mm/020 In. až 1.0 mm/040 palce.
Faktory přizpůsobení života
Faktory přizpůsobení životnosti umožňují výrobci původního zařízení lépe předvídat skutečnou životnost a spolehlivost ložisek, která vyberete a nainstalujete do svého zařízení. Upravený vypočtený L10 životnost ratingu se vypočítá pomocí následujícího vzorce:
Lna = a1 x a2 x a3 x L10
- Lna = upravená životnost
- a1 = faktor přizpůsobení životnosti pro spolehlivost
- a2 = faktor přizpůsobení životnosti pro speciální vlastnosti ložisek, jako je materiál
- a3 = faktor přizpůsobení životnosti pro provozní podmínky, mazání, čistotu atd.
- Faktory přizpůsobení životnosti, a1, a2 a a3, mohou být teoreticky větší nebo menší než 1.0, v závislosti na jejich vyhodnocení.
Životnost přizpůsobení spolehlivosti — a1
V procesu předpovídání provozní spolehlivosti svého zařízení výrobcem OEM je někdy nutné zvýšit spolehlivost vybraných ložisek, aby bylo možné předpovědět delší střední dobu mezi poruchami. Níže uvedené faktory a1 jsou pro zvýšené hodnoty spolehlivosti. Pokud je nižší hodnota pro L10 je počítáno s faktorem a1 a není přijatelné, pak je třeba zvolit ložisko s větší dynamickou kapacitou.
| Spolehlivost — faktor % Ln a1 |
|---|
| 90 L10 1.00 |
| 95 L5 0.64 |
| 96L4 0.55 |
| 97 L6 0.47 |
| 98 L2 0.37 |
| 99 L1 0.25 |
Faktor přizpůsobení životnosti pro speciální vlastnosti ložisek — a2
V průběhu let došlo k mnoha vylepšením v konstrukci a výrobě ložisek, která byla prokázána v testech životnosti, jejichž výsledkem je lepší L10 hodnocení života. Některá z těchto vylepšení jsou:
- Vylepšené povrchové úpravy
- Vylepšené materiály a tepelné zpracování
- Tvarované válečky a oběžné dráhy
Faktor přizpůsobení životnosti provozním podmínkám — a3
Vzorec dynamické kapacity ložiska byl empiricky stanoven pomocí pečlivě kontrolovaného laboratorního testování životnosti. Mnoho aplikací ložisek má daleko k laboratorním podmínkám. Proto může být obtížné ospravedlnit faktor a3 větší než 1.0. Podmínky jako vysoká teplota, znečištění, vnější vibrace atd. povedou k faktoru a3 menšímu než 1. Pokud je mazání lepší a provozní rychlost dostatečně vysoká, může se mezi vnitřními kontaktními plochami ložiska vytvořit výrazně zlepšený mazací film, který odůvodňuje a3 faktor větší než 1.0. Bezpečné využití této výhody z konstrukčních nebo komerčních důvodů vyžaduje důkladnou analýzu a buď testovací data, nebo předchozí zkušenosti.
Životnost systému
Většina strojů používá dvě nebo více ložisek na hřídeli a často jsou zde dva nebo více hřídelí. Všechna ložiska ve stroji jsou pak považována za ložiskový systém. Pro obchodní účely je důležité, aby výrobce znal spolehlivost nebo životnost systému svého stroje. Tento proces hodnocení bere v úvahu důležitost kombinace L10 životnost všech ložisek v systému, abychom odpověděli na otázku: „Jak dlouho bude stroj fungovat s 90procentní spolehlivostí? Jednodušeji řečeno, systém L10 spolehlivost bude menší než nejnižší jednotlivec L10 hodnocení života. Pro výpočet životnosti systému hodnocení se používá následující vzorec:
- L10 sys = jmenovitá životnost systému ložisek
- L1, L2, Ln = jmenovitá životnost jednotlivých ložisek v systému
- w = 10/9 pro kuličková ložiska a
- w = 9/8 pro válečková ložiska
Minimální zatížení ložiska
Ze zkušeností bylo zjištěno, že ložiska vyžadují minimální aplikované zatížení k zajištění trakce pro valivá tělesa, aby se otáčely, když se hřídel začne otáčet. Pokud se kuličky nebo válečky neodvalují, budou klouzat na pohybující se oběžné dráze, setřejí mazací olej a způsobí poškození vnějšího povrchu valivého prvku a povrchů oběžných drah. Toto se nazývá „smyk“ a výsledné poškození se nazývá „rozmazávání“, které zkracuje životnost ložiska.
Dobrá aproximace minimálního zatížení pro každý z nich je:
Pmin = požadované minimální ekvivalentní zatížení ložiska, radiální zatížení pro radiální ložiska a axiální zatížení pro axiální ložiska.
C = Dynamická nosnost
Ve většině aplikací je stávající hmotnost hřídele, ozubených kol, spojek atd. dostatečná k překročení minimálního zatížení ložiska. Během spouštění by však mělo být sledováno a omezeno úhlové zrychlení hřídele, aby se zajistilo, že se ložiska okamžitě začnou odvalovat, jakmile se hřídel začne otáčet.
Vysokoteplotní kapacita
Dynamická a statická kapacita ložisek se snižuje při vysokých provozních teplotách. Základním důvodem je snížení tvrdosti oběžné dráhy a valivých těles při vysokých teplotách. Dynamická kapacita ložiska by měla být snížena vynásobením redukčních faktorů, jak je uvedeno níže. Zobrazené teploty jsou teploty samotných součástí ložisek, které jsou obvykle vyšší než okolní teplota aplikace.
Pro teplotní faktory mezi uvedenými hodnotami lze použít lineární interpolaci.
Nesoulad
K nesouososti ložiska obvykle dochází ze dvou důvodů:
- Pouzdra jsou staticky nesouosá
- Hřídel se při zatížení vychyluje nebo ohýbá
Obecně platí, že nesouosost není dobrá věc pro valivá ložiska, která nejsou speciálně navržena tak, aby vyrovnala nesouosost. Kapacita kuličkových, kuželíkových a válečkových ložisek je založena na předpokladu, že nesouosost nepřekročí 0.0005 radiánů (0.03°). Větší nesouosost povede k L10 žije méně, než se počítalo.
Soudečková ložiska a samonaklápěcí axiální ložiska jsou speciálně navržena tak, aby vyhovovala nesouososti. Samonaklápěcí válečková ložiska mohou také vyrovnávat určité nesouososti těchto ložisek. Tento typ ložiska najdete v sekci «Vlastní» ložiska. Tyto speciální typy ložisek se mohou vyrovnat s nesouosostí od 1.0° do 1.5°.
zkreslení
Přehled standardních tabulek ložisek odhalí, že pro jakýkoli daný průměr díry je k dispozici několik ložisek s rostoucími vnějšími průměry a šířkami. Výška sekcí a kapacita se odpovídajícím způsobem zvyšují. Výška sekce je jednoduše radiální rozměr mezi vrtáním ložiska a jeho vnějším průměrem, do kterého musí být namontován vnitřní kroužek, kuličky nebo válečky a vnější kroužek. Správně navržené ložisko vyrovnává tloušťku dvou kroužků s průměrem valivého prvku, aby se optimalizovala dynamická kapacita bez výrazného snížení strukturální pevnosti kroužků. Ložiska s tenčími kroužky jsou více náchylná k deformaci než ložiska s tlustšími průřezy a tlustšími kroužky.
Obecně platí, že pro správnou funkci ložiska musí být vnitřní a vnější kroužky řádně podepřeny hřídelem a pouzdrem. Ne vždy to však povaha konstrukce některých typů zařízení umožňuje. Jak je uvedeno v části nesouososti, někdy může dojít k výraznému vychýlení hřídele, které způsobí nesouosost. Pouzdra se mohou deformovat při relativně velkém zatížení a umožňují, aby se vnější kroužek ložiska deformoval stejným způsobem. Všechny tyto vlivy mají tendenci snižovat teoretickou životnost ložiska, ale správnou analýzou a speciální vnitřní konstrukcí lze toto snížení minimalizovat.
Použití analýzy konečných prvků (FEA) hřídele a pouzdra pod zatížením může předpovědět míru zkreslení, ke kterému dojde. Počítačová analýza vnitřního fungování ložiska může ukázat rozložení napětí. Dále lze použít optimalizované korunování válečků, aby se minimalizovalo snížení životnosti ložiska. Pokud je třeba do výpočtu životnosti ložiska zahrnout vliv zkreslení, obraťte se na obchodní oddělení společnosti American.
Axiální posuv
Většina ložiskových systémů používá dvě nebo tři ložiska, aby podpírala hřídel pod radiálním a axiálním zatížením. Počet ložisek závisí na tom, zda je jedno ložisko schopno přenášet i axiální zatížení. V případech, kdy je axiální zatížení zanedbatelné, by mělo být jedno ložisko považováno za „vodivé“ ložisko, které kladně umístí hřídel. Pokud je mezi dvěma nosnými ložisky velká vzdálenost, rozdíly v tepelném růstu mezi hřídelí a skříní vyžadují, aby jedno ložisko bylo vodicí nebo axiální ložisko a druhé bylo „plovoucím“ ložiskem. Také nahromadění axiálních tolerancí mezi dvěma umístěními ložisek musí mít jedno ložisko „plavat“ axiálně, aby se nevytvářelo parazitní axiální zatížení.
Nejlepším ložiskem pro plovákové umístění je válečkové ložisko s jednou přímou dráhou. Axiální plovák se snadno přizpůsobí mazaným válečkům klouzajícím po přímé dráze válečků. Pokud se použije jiný typ ložiska, jako je kuličkové ložisko s hlubokou drážkou, dvouřadé ložisko s kosoúhlým stykem, kuželíkové ložisko TDO nebo soudečkové ložisko, je typickou praxí umožnit vnějším kroužkům těchto ložisek klouzat v otvoru tělesa.
