A forgó gépek munkalova: mélyhornyú golyóscsapágyak tervezése

Az ítélet: a mélyhornyú golyóscsapágyak az összes forgó tengelyterhelés 70%-át viselik

A nagysebességű működést igénylő alkalmazásoknál kombinált radiális és axiális terhelés mellett a mélyhornyú golyóscsapágyak a legszélesebb körben használt gördülőcsapágyak. Az összes csapágyalkalmazás körülbelül 70%-a elektromos motorokban, szivattyúkban, sebességváltókban és szállítószalagokban . A közvetlen következtetés: válassza ki a mélyhornyú golyóscsapágyakat az alapján dinamikus terhelés (C, kN-ban), statikus terhelés (C0, kN-ban), sebességkorlátozás (zsír- vagy olajkenés) és belső hézag (C2, CN, C3, C4) . Az elégtelen dinamikus terhelésű csapágy idő előtt elfárad (L10 élettartama 10 000 óra alatt); a túl nagy hézagú csapágy zajt, vibrációt és csökkenti a pozicionálási pontosságot.

Alapvető tervezés és terhelési lehetőségek

Mély hornyú golyóscsapágyak egy belső gyűrűből, egy külső gyűrűből, egy ketrecből (rögzítőből) és egy golyókészletből áll, amelyek a futópálya mély barázdáiban gördülnek. A "mély horony" a futópálya geometriájára utal, ahol a horony sugara csak valamivel nagyobb (általában a golyó átmérőjének 52%-a), mint maga a golyó, így olyan konform érintkezést hoz létre, amely nagyobb területen osztja el a feszültséget. . Ez a kialakítás lehetővé teszi, hogy a csapágy jelentős radiális terhelést (elsődleges), mérsékelt axiális (tolóerőt) mindkét irányban (másodlagos) és kombinált terheléseket egyszerre fogadjon. Az érintkezési szög axiális terhelés alatt jellemzően 5-15 fok, az axiális terhelés nagyságától függően.

Terhelési arány irányelvek: Az optimális élettartam érdekében az axiális terhelés és a radiális terhelés aránya (Fa/Fr) nem haladhatja meg a 0,5 értéket a szabványos mélyhornyú golyóscsapágyak esetében . Ha az Fa/Fr meghaladja a 0,5-öt, fontolja meg a szögérintkező golyóscsapágyakat (nagyobb axiális kapacitás), vagy növelje a csapágyméretet. Csak tisztán axiális terhelés esetén (Fr=0) a mélyhornyú golyóscsapágyak a statikus terhelés 50%-áig képesek kezelni a tengelyirányú terhelést, de az élettartam lecsökken, mivel a golyók érintkeznek a futópálya válléleivel, és feszültségemelőket hoznak létre. Jelentős axiális terhelésű alkalmazásoknál (például függőleges tengelyes szivattyúk, tolóerős alkalmazások) előnyben részesítik a ferde csapágyakat.

Dinamikus terhelési besorolás és L10 csapágy élettartam

A dinamikus terhelés (C) az az állandó sugárirányú terhelés, amelyet az azonos csapágyak csoportjának 90%-a (L10 élettartam) 1 millió fordulaton (körülbelül 500 óra 3330 RPM-en) képes elviselni. Az alapvető L10 élettartam képlet: L10 = (C / P)^3 × 1 000 000 fordulat, ahol P az egyenértékű dinamikus csapágyterhelés . C = 14 kN csapágynál és P = 2 kN terhelésnél L10 = (14/2)^3 × 10^6 = 7^3 × 10^6 = 343 × 10^6 fordulat. 3000 RPM-nél ez 343 000 000 / (3000 × 60) = 1905 óra. A legtöbb ipari alkalmazásnál a minimálisan elfogadható L10 élettartam 10 000-20 000 óra (1-2 év folyamatos működés). Kritikus alkalmazásokhoz (szivattyúk, ventilátorok, szállítószalagok) adja meg az L10 értéket 50 000 órán keresztül.

Megbízhatósági beállítás (nem szabványos L10): A 95%-os megbízhatóság érdekében (L5) szorozza meg az L10-et 0,62-vel; 99%-os megbízhatósághoz (L1), szorozd meg 0,21-gyel . Az L10 = 20 000 óra üzemidővel rendelkező csapágyak esetében L1 = 4 200 óra (ami azt jelenti, hogy a csapágyak 1%-a tönkremegy 4200 óra előtt). Azoknál az alkalmazásoknál, ahol a meghibásodás katasztrofális (orvosi eszközök, repülőgépek, liftek), az L1 élettartamra tervezzen, ne L10-re. Szabványos ipari gépekhez elegendő az L10. Alkalmazza az ISO 281 szerinti alkalmazási tényezőket is (a2 a kenéshez, a3 a szennyeződéshez); a tiszta, jól kenhető csapágy a2 = a3 = 1,0 értéket ér el; egy kis kenéssel vagy szennyeződéssel rendelkező csapágy 0,3-0,5 tényezője lehet, ami 50-70%-kal csökkenti a tényleges élettartamot.

Statikus terhelés és maradandó alakváltozás

A statikus terhelési besorolás (C0) az a terhelés, amelynél a golyók és a futópályák maradandó alakváltozása eléri a golyó átmérőjének 0,0001-szeresét (10 mm-es golyó esetén jellemzően 0,1-0,2 mikron). A sima, csendes működés érdekében az alkalmazott statikus terhelés (beleértve a lökésterhelést is) nem haladhatja meg a C0 50%-át . Szakaszos működésű vagy alacsony fordulatszámú oszcilláció esetén (10 RPM alatt) a statikus terhelés megközelítheti a C0 100%-át, de a hallható zaj és rezgés megnő. C0 = 7,8 kN csapágy esetén a zökkenőmentes működéshez a maximális ajánlott statikus terhelés 3,9 kN (kb. 400 kg). Ennek túllépése Brinellinget (állandó bemélyedéseket) okoz, amelyek rezgést keltenek és csökkentik az élettartamot.

A lökésszerű terhelések különösen károsak. A fokozatosan alkalmazott 5 kN statikus terhelés elhanyagolható károkat okoz; ugyanaz az 5 kN terhelés 1 ezredmásodperces ütésként (kalapácsütés) 10-20-szor nagyobb pillanatnyi feszültséget generál, ami tartósan deformálja a futópályát . Lökésterhelésű alkalmazásokhoz (szállítószalagok, zúzógépek, anyagmozgatás) olyan csapágyat válasszon, amelynek statikus terhelhetősége legalább 10-szerese a számított állandósult terhelésnek. Adjon meg mélyhornyú golyóscsapágyakat is nagyobb golyómérettel (a 6000-es sorozat vs. a 6200-as sorozat ugyanazon furathoz), mivel a nagyobb golyók nagyobb területen osztják el az ütközési feszültséget, csökkentve a Brinelling kockázatát.

Belső hézag: C2, CN, C3, C4 Kiválasztás

A belső hézag (radiális játék) az a teljes távolság, amelyet a belső gyűrű terhelés nélkül sugárirányban el tud mozdulni a külső gyűrűhöz képest. Hézag-osztályok: C2 (kisebb, mint a normál), CN (normál, leggyakoribb), C3 (nagyobb a normálnál), C4 (nagyobb, mint C3) . A megfelelő távolság kiválasztása kritikus fontosságú, mert a hőmérsékleti gradiensek és az interferenciák csökkentik a beépített távolságot. A legtöbb alkalmazásnál, ahol az üzemi hőmérséklet 80°C alatt van és acél tengely/ház, elegendő a CN hézag. Magas hőmérsékletű alkalmazásoknál (100°C felett) a belső gyűrű gyorsabban tágul, mint a külső, csökkentve a hézagot; hőmérséklettől függően adjon meg C3 vagy C4. Vékonyfalú (műanyag vagy alumínium) házaknál, ahol a ház tágulása meghaladja a tengelytágulást, adja meg a C2 hézagot.

Egy hüvelykujjszabály a távolság kiválasztásához: 30°C-os belső és külső gyűrű közötti hőmérséklet-különbség (ΔT) esetén a hézagcsökkenés körülbelül 0,003 mm/10 mm-es csapágyfurat . Egy 6205-ös csapágy (25 mm-es furat) esetén a ΔT = 30°C 25 × 0,000011 × 30 = 0,0083 mm-rel (körülbelül 8 mikron) csökkenti a sugárirányú hézagot. Ha a kezdeti hézag (CN a 6205-höz) 5-15 mikron, a csapágy negatív hézaggal (előterheléssel) futhat hőmérsékleten, ami túlmelegedést és korai meghibásodást okozhat. ΔT > 30°C esetén adja meg a C3 hézagot (15-25 mikron a 6205-höz). ΔT > 60°C esetén adjon meg C4-et (25-35 mikron). Mérje meg a tényleges üzemi hőmérsékletet a telepítés után, mielőtt a végső hézagot kiválasztja a kritikus alkalmazásokhoz.

Sebességkorlátozások és kenés

A mélyhornyú golyóscsapágyak sebességhatárait a ketrec kialakítása, a kenési módszer és a hőtermelés határozza meg. Zsíros kenésnél a sebességhatár (n) jellemzően az olajkenésű határérték 60-80%-a . A sebességtényező (dn érték = csapágyfurat mm × ford./perc-ben) egy szabványos összehasonlító mérőszám. Zsírkenésű acél csapágyak, sajtolt acél csapágyak esetén a maximális dn körülbelül 300 000-400 000. Egy 25 mm-es furatú csapágynál ez 12 000-16 000 RPM-nek felel meg. Olajkenésű, megmunkált sárgaréz vagy poliamid ketrecű csapágyak esetén a dn elérheti a 600 000-800 000-et.

Kenőanyag választék: -20 és 80°C közötti üzemi hőmérsékleten a szabványos lítium alapú NLGI 2. fokozatú zsír (ISO VG 150-220 alapolaj) megfelelő. . Magas hőmérséklethez (80-120°C) használjon polikarbamidot vagy PTFE-vel sűrített zsírt szintetikus olajjal (PAO vagy észter). Alacsony hőmérsékleten (-20°C alatt) alacsony viszkozitású zsírt (NLGI 1. vagy 0. osztály) használjon szintetikus alapolajjal. Zsírfeltöltés: tömített csapágyaknál (2RS vagy 2Z) a gyártó a szabad hely 25-35%-át tölti ki; utánkenhető (nyitott) csapágyaknál a kezdeti kenéskor a szabad hely 30-50%-áig töltse fel, majd az üzemi körülményektől függően 500-2000 óránként kenje újra. A túlzsírozás (60% feletti töltés) kavargást, túlmelegedést és a zsír lebomlását okozza.

Pajzsok, tömítések és szennyeződés elleni védelem

A mélyhornyú golyóscsapágyak pajzsokkal (Z vagy ZZ) vagy érintkezőtömítésekkel (RS vagy 2RS) kaphatók. A pajzsok (fém) védelmet nyújtanak a nagy törmelékek ellen, miközben némi zsírt és elhanyagolható súrlódásnövekedést tesznek lehetővé (5-10%-kal nagyobb nyomaték, mint nyitott) . A pajzsok alkalmasak tiszta környezetre, ahol időnként kenőanyagcserére van szükség (pl. villanymotorok). A tömítések (gumi, jellemzően nitril vagy fluorelasztomer) érintkezéstömítést biztosítanak a por és a nedvesség ellen, de 50-100%-kal növelik a súrlódási nyomatékot és 20-30%-kal csökkentik a sebességkorlátozást. Piszkos környezetekhez (fűrésztelepek, építőipari berendezések, élelmiszer-feldolgozás) adja meg a 2RS-t (kettős tömítés). Mosási alkalmazásokhoz (élelmiszer-feldolgozás, autómosók) a rozsda megelőzése érdekében a rozsdamentes acél csapágyazású (martenzites vagy 440C minőségű) 2RS-t kell megadni.

Tömítés hőmérsékleti határértékei: A nitril gumi (standard) tömítések 100°C-ra vannak besorolva; fluoroelasztomer (Viton) 200°C-ig lezár . Magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz (kemencék, szárítók, kemencék) adja meg a Viton tömítéseket. Vákuumos alkalmazásokhoz (10⁻³ mbar alatt) adjon meg árnyékolt csapágyakat (nem tömített), mert tömíti a kilépő gázt, és nem tömít vákuum alatt. Víznek vagy gőznek kitett csapágyak esetében vízálló zsírral (kalcium-szulfonáttal vagy alumíniumkomplexszel) tömített csapágyakat kell megadni. A helyszíni adatok azt mutatják, hogy a tömített csapágyak nedves környezetben 3-5-ször tovább bírják, mint az árnyékolt csapágyak, mivel a tömítések megakadályozzák a víz behatolását, ami korróziót és kenőanyag kimosódást okoz.

Anyagok: krómacél vs. rozsdamentes vs. hibrid kerámia

A mélyhornyú golyóscsapágygyűrűk és -golyók szabványos anyaga SAE 52100 krómacél (magas széntartalmú krómötvözött acél). Az 52100 acél keménysége 60-64 HRC, kiváló gördülési érintkezési kifáradási szilárdsága és mérsékelt korrózióállósága . A korrózióállóságot igénylő alkalmazásokhoz (élelmiszer-feldolgozás, tengeri, vegyi anyagok) AISI 440C rozsdamentes acélt (keménység: 58-60 HRC) határozzon meg a gyűrűk és golyók számára. A 440C rozsdamentes az 52100-as terhelhetőség 70-80%-a, de a legtöbb alkalmazáshoz megfelelő. Az extrém korrózióállóság érdekében (sós víz, savas oldatok) adjon meg 316 rozsdamentes gyűrűt szilícium-nitrid (kerámia) golyókkal; ez a hibrid csapágy nem mágneses és teljesen korrózióálló, de ára 5-10x normál acél.

A hibrid csapágyak (acél gyűrűk, kerámia golyók) nagyobb sebességet (a kerámia golyók könnyebbek, csökkentve a centrifugális erőt) és elektromos szigetelést kínálnak. A szilícium-nitrid (Si3N4) kerámia golyók sűrűsége 60%-kal kisebb, mint az acélé, ami 30-50%-kal magasabb sebességhatárokat tesz lehetővé . A hibrid csapágyak ezenkívül megakadályozzák az elektromos hornyok károsodását az elektromos motorokban (a kerámia golyók nem vezetőképesek). Változófrekvenciás hajtású (VFD) motorokhoz adjon meg hibrid mélyhornyú golyóscsapágyakat, hogy megakadályozza a csapágyáramok hullámosodását (mosólap mintázat a futópályákon). A hibrid csapágyak nélküli VFD motorokban a csapágyak meghibásodása 6-18 hónap alatt következik be; A hibrid csapágyak 5-10 évig bírják.

Ketrec (rögzítő) típusok

A ketrec elválasztja a labdákat, átvezeti őket a terhelési zónán, és megakadályozza a labda érintkezését. A mélyhornyú golyóscsapágyak 70-80%-ánál a bélyegzett acél ketrecek (szegecselt vagy pattintott) szabványosak . Gazdaságosak, erősek és akár 150°C-os hőmérsékleten is működnek. Mindazonáltal korlátozott sebességgel rendelkeznek (dn = 300 000 max), és nem ajánlottak rendkívül nagy sebességhez vagy vibrációhoz. A megmunkált sárgaréz ketreceket (kétrészes szegecselt) nagy sebességű alkalmazásokhoz (dn = 600 000 ), magas hőmérsékletekhez (300 °C) és erős vibrációs környezetekhez használják. A sárgaréz ketrecek 3-5-szörös acélketrecbe kerülnek, de 30-50%-kal magasabb sebességkorlátozást és hosszabb élettartamot biztosítanak rossz kenési körülmények között.

A poliamid (nylon) ketrecek könnyűek, kiváló nagy sebességű jellemzőkkel és csendes működéssel rendelkeznek. A poliamid ketrecek szabványosak az elektromos motorokban és háztartási készülékekben használt kis és közepes méretű (100 mm-nél kisebb furatú) csapágyakhoz . A poliamid azonban 120°C felett lebomlik, és bizonyos kenőanyagok (agresszív EP-adalékok) megtámadják. 100°C feletti hőmérséklethez vagy extrém nyomású kenőanyagokhoz sárgaréz vagy acél ketreceket kell megadni. Vákuumos alkalmazásoknál a poliamid gázt bocsát ki és törékennyé válik; acél vagy sárgaréz megadása. Orvosi és élelmiszeripari alkalmazásokban, ahol a kenőanyag-kompatibilitás kritikus, a poliamid elfogadható, ha az adott kenőanyagot tesztelték.

Rögzítés: A tengelyhez és a házhoz illeszkedik

A megfelelő tengely- és házillesztés elengedhetetlen a megfelelő csapágyműködéshez. A forgó belső gyűrűs terheléseknél (a legtöbb alkalmazásnál) a tengelynek interferenciával kell rendelkeznie (tengelytűrés k5, k6 vagy m6), hogy megakadályozza a kúszást (a tengelyen való forgást). . Egy 25 mm-es tengelynél a k6 tolerancia 2-15 mikronos interferenciát biztosít, ami a legtöbb alkalmazáshoz megfelelő. A háznak hézagillesztéssel kell rendelkeznie (H7 tűrés), hogy lehetővé tegye a tengelyirányú mozgást a hőtágulás érdekében. Forgó külső gyűrűs terheléseknél (excentrikus tengelyek, kiegyensúlyozatlan terhelések) a háznak ütköző illesztéssel (P7 vagy N7), a tengelyen pedig szabad illesztéssel (h6) kell rendelkeznie. A nem megfelelő illeszkedés korróziót (laza illeszkedést) vagy túlzott előfeszítést (szoros illeszkedést) okoz.

A mérés mikrométerekhez illeszkedik, nem tolómérőhöz. Egy 25 mm-es tengely esetén a k6 (maximum 25,015 mm, minimum 25,002 mm) és a h6 (maximum 25 000 mm, minimum 24,987 mm) közötti különbség 15-28 mikron – könnyen mérhető mikrométerrel, de a féknyereg pontosságának határán. . Beszerelés előtt ellenőrizze, hogy a tengelyen nincsenek-e bevágások, sorja vagy karcolások; minden 5 mikronnál nagyobb hiba benyomja a csapágy furatát és befolyásolja a futási pontosságot. Alumínium vagy műanyag házaknál használjon öntapadó kötést (visszatartó vegyületet) az interferenciás illesztések helyett, mert a ház az interferencia hatására deformálódhat.

Telepítési módok: mechanikus vs. termikus

Soha ne kalapáljon csapágyat a tengelyre – az ütési terhelés Brinell a versenypályákat. Használjon mechanikus préseket (kis csapágyak esetén 40 mm-es furatig) vagy hőtágulást (nagyobb csapágyak esetén). Termikus beépítéshez melegítse fel a csapágyat 80-100°C-ra (legfeljebb 120°C-ra) indukciós fűtőberendezéssel vagy olajfürdővel. . A fűtés kiterjeszti a belső gyűrűt, lehetővé téve a tengelyre való csúszást. Tengelyszereléshez melegítse fel a csapágyat, és csúsztassa rá a tengelyre, amíg be nem illeszkedik. A házba szereléshez hűtse le a csapágyat (szárazjég vagy fagyasztó -40°C-ra), hogy a külső gyűrű zsugorodik, majd ejtse be a házba. Soha ne melegítsen tömített vagy árnyékolt csapágyat 80°C fölé – a tömítések vagy a zsír megsérülhet.

Csak a felszerelt gyűrűre fejtsen ki erőt. Tengelyre történő felszereléskor csak a belső gyűrűre fejtsen ki erőt; a külső gyűrű megnyomása átviszi az erőt a golyókon, behorpadva a futópályákat . Ha házba szereli, csak a külső gyűrűre fejtsen ki erőt. Használjon rögzítőhüvelyeket vagy puha fémszerszámokat (sárgaréz vagy alumínium), hogy elkerülje a csapágyfelületek károsodását. A beszerelés után kézzel forgassa el a csapágyat; simán kell forognia, rovátkolódás (durva foltok) vagy kötés (túlzott ellenállás) nélkül. A rovátkoltság a nem megfelelő szerelésből eredő brinellinget jelzi; a kötés helytelen távolságot vagy eltolódást jelez.

Kenés utánkenési intervallumok

Utánkenhető (nyitott) mélyhornyú golyóscsapágyak esetében az utánkenési intervallumok az üzemi körülményektől függenek. Normál körülmények között (hőmérséklet 40-70°C, tiszta környezet, vízszintes tengely) 2000-4000 óránként vagy 6 havonta újra kell kenni . Súlyos körülmények esetén (hőmérséklet >80°C, magas páratartalom, szennyeződés, függőleges tengely) 500-1000 óránként vagy havonta kenje újra. Villanymotoroknál (folyamatos üzem, 40-60°C) 3000-5000 óránként (4-6 hónaponként) kenje újra. Ventilátorok és fúvók (kis terhelés, tiszta levegő) esetén 4000-8000 óránként kenje újra. Szivattyúkat (tiszta víz, 20-40°C) 2000-4000 óránként újra kell kenni.

Zsír mennyisége: 6205-ös csapágy esetén (47 mm-es külső átmérőjű, 25 mm-es belső átmérőjű) adjon hozzá 1,5-2,5 gramm zsírt az utánkenés során . A túl kevés zsír (1 g alatt) éhezést és gyors kopást okoz; túl sok (5 g felett) kavargást, túlmelegedést és zsírszivárgást okoz. Zsírozó csapágyaknál (zerk fitting) lassan pumpáljon (1 szivattyú másodpercenként), amíg tiszta zsír nem jelenik meg a tömítéseken, vagy enyhe ellenállást nem érez. Szerelvény nélküli csapágyak esetén szét kell szedni az újrakenéshez – nem praktikus; adja meg a tömített csapágyakat (2RS), és cserélje ki a csapágyat, ha a zsír lebomlik.

Hibamódok és kiváltó okok elemzése

A mélyhornyú golyóscsapágyak meghibásodása szemrevételezéssel diagnosztizálható. Versenypályák hámlása: klasszikus kifáradási hiba; az L10 élettartam túllépését vagy a terhelés túllépését jelzi . Brinelling (bemélyedések a labda pályáján): lökésszerű terhelés vagy kalapálás okozza a telepítés során. Elkenődés (hegesztés a golyók és a futópályák között): nem megfelelő kenés vagy túlzott sebesség. Hamis brinelling (sekély kopásnyomok a golyóállásoknál): rezgés álló helyzetben (szállított gépek). Elszíneződés (kék/barna gyűrűk a gyűrűkön/golyókon): túlmelegedés (>150°C), gyakran nagy sebesség, alacsony kenőanyag vagy túlzott előterhelés miatt.

Korrózió (vörös/barna rozsda): nedvesség behatolása; javítsa a tömítést vagy használjon rozsdamentes csapágyakat. Elektromos hornyolás (mosódeszka mintázat a versenypályákon fagyos megjelenéssel): elektromos áram átvezetése; hibrid csapágyakat vagy szigetelt csapágyakat használjon . A ketrec sérülése (repedt vagy törött ketrec): túlzott vibráció, a ketrec határait meghaladó sebesség vagy a kenőanyag hiánya, ami ütközési terhelést okoz. A csapágycsere előtt minden meghibásodási módnál azonosítsa a kiváltó okot; új csapágy beszerelése ugyanolyan körülmények között reprodukálja a meghibásodást. Kritikus berendezések esetén küldje el a meghibásodott csapágyakat egy laboratóriumba elemzés céljából (SEM/EDX a szennyeződés azonosításához, metallurgiai metszés a felszín alatti kifáradás miatt).