Jak wybrać odpowiednie łożysko do reduktora biegów

Do wybierz odpowiednie łożysko dla a reduktor biegów należy dopasować typ i rozmiar łożyska do konkretnych obciążeń promieniowych i osiowych, prędkości roboczych, wymaganej trwałości zmęczeniowej L10 oraz ograniczeń geometrycznych wału i oprawy, zapewniając jednocześnie kompatybilność ze środkiem smarnym i środowiskiem termicznym wewnątrz skrzyni biegów. Proces rozpoczyna się od dokładnej analizy obciążenia każdego wału – wejściowego, pośredniego i wyjściowego – ponieważ przekładnie śrubowe, czołowe lub stożkowe generują siły reakcji, które przekładają się bezpośrednio na obciążenia promieniowe i wzdłużne łożyska. Zgodnie z normą 6011 Amerykańskiego Stowarzyszenia Producentów Przekładni (AGMA) dotyczącą zamkniętych przekładni zębatych, łożyska należy dobierać tak, aby osiągnąć trwałość L10 wynoszącą co najmniej 25 000 godzin w przypadku ogólnych usług przemysłowych i do 100 000 godzin w krytycznych zastosowaniach w procesie ciągłym . Zrozumienie jak dobrać odpowiednie łożysko do reduktora to wieloetapowe zadanie inżynieryjne, które integruje obliczenia obciążenia mechanicznego, równania trwałości łożysk z normy ISO 281, analizę grubości filmu smarnego oraz praktyczne rozważania dotyczące montażu, luzów i uszczelnienia.

1. Przeanalizuj siły przekładni, aby określić obciążenia łożysk

Pierwszym krokiem przy wyborze odpowiedniego łożyska jest obliczenie promieniowych i osiowych sił reakcji w każdym położeniu łożyska, które są wytwarzane przez składowe styczne, oddzielające i wzdłużne sił zazębienia koła zębatego. W śrubowej przekładni zębatej styk zębów koła zębatego wytwarza siłę styczną przenoszącą moment obrotowy, promieniową siłę rozdzielającą, która odpycha koła zębate od siebie, oraz osiową siłę wzdłużną wzdłuż wału ze względu na kąt pochylenia linii śrubowej. Wielkość tych sił zależy od przenoszonej mocy i geometrii przekładni. W przypadku przekładni czołowej nie ma ciągu osiowego, ale koła zębate śrubowe o kącie pochylenia linii śrubowej 15 do 30 stopni wytworzyć obciążenie osiowe, które może być równe 25% do 50% siły stycznej . Wykorzystując średnicę wału, średnicę podziałową przekładni i odległości rozpiętości łożysk, te siły siatki rozkładają się na promieniowe i osiowe siły reakcji w każdym miejscu łożyska za pomocą równań równowagi statycznej. W typowej przekładni walcowej z pojedynczą redukcją, z kołem zębatym zawieszonym na wale wejściowym, łożyska wału wejściowego poddawane są zarówno dużemu obciążeniu promieniowemu od sił przekładni, jak i znacznemu obciążeniu osiowemu, które musi przenosić łożysko zdolne wytrzymać łączne obciążenie. Na wale wyjściowym obciążenia są często zdominowane przez zewnętrzny naciąg paska lub sprzęgła, co powoduje dodatkowe promieniowe obciążenie poprzeczne, które musi wytrzymać łożysko. Wynikowe obliczone obciążenia – wyrażone w niutonach lub funtach – stają się głównymi danymi wejściowymi w procesie doboru łożyska. Kiedy ty wybierz odpowiednie łożysko dla a gear reducer , te wartości obciążenia muszą uwzględniać wszelkie wstrząsy lub chwilowe przeciążenia, zazwyczaj poprzez zastosowanie współczynnika serwisowego 1,2 do 2,0 w zależności od charakterystyki napędzanej maszyny określonej w AGMA 6011.

2. Wybierz odpowiedni typ łożyska w oparciu o kierunek obciążenia i prędkość

Typ łożyska musi być dostosowany do specyficznych warunków obciążenia w każdym położeniu wału: łożyska kulkowe zwykłe nadają się do umiarkowanych obciążeń promieniowych i lekkich obciążeń osiowych, łożyska walcowe wytrzymują duże obciążenia promieniowe bez ciągu osiowego, a łożyska stożkowe lub kulkowe skośne są wymagane, gdy występują znaczne połączone obciążenia promieniowe i osiowe. W reduktorze wał wejściowy często obraca się z największą prędkością – zazwyczaj 1750 lub 3500 obr./min gdy jest napędzany silnikiem elektrycznym — dlatego łożysko musi być przystosowane do tej prędkości, bez nadmiernego wytwarzania ciepła. Łożyska kulkowe mają na ogół większą prędkość niż łożyska wałeczkowe o tym samym rozmiarze otworu. Na wale wyjściowym prędkości są niższe, ale momenty obrotowe i obciążenia promieniowe są wyższe, co sprzyja łożyskom tocznym. Poniższa tabela podsumowuje typy łożysk najczęściej stosowane w reduktorach oraz kryteria ich doboru.

3. Oblicz wymagane obciążenie dynamiczne i trwałość zmęczeniową L10

Gdy znane są obciążenia łożyska, następnym krokiem jest obliczenie wymaganej podstawowej nośności dynamicznej przy użyciu równania trwałości ISO 281, co gwarantuje, że łożysko przetrwa żądaną liczbę godzin pracy, zanim pojawią się pierwsze oznaki zmęczenia materiału pod powierzchnią. Żywotność L10, wyrażona w milionach obrotów lub godzin, jest życiem, które 90% populacji identycznych łożysk osiągnie lub przekroczy przy danym obciążeniu i prędkości. Wzór ISO 281 dla łożysk kulkowych to L10 = (C/P)³, a dla łożysk tocznych to L10 = (C/P)^(10/3), gdzie C to podstawowa nośność dynamiczna łożyska, a P to równoważne obciążenie dynamiczne łożyska. P oblicza się z obciążeń promieniowych i osiowych przy użyciu współczynników X i Y, które zależą od typu łożyska i stosunku obciążenia osiowego do promieniowego. Do wybierz odpowiednie łożysko dla a gear reducer , najpierw obliczasz wymaganą podstawową nośność dynamiczną C_req = P × (L10_req)^(1/p) gdzie p wynosi 3 dla piłki i 10/3 dla rolki. Następnie wybierz łożysko z katalogu o nośności dynamicznej C równej lub większej niż C_req. W przypadku reduktora pracującego przy 1750 obr./min i wymagającego żywotności L10 wynoszącej 25 000 godzin, L10 w milionach obrotów wynosi 1750 × 60 × 25 000 / 1 000 000 = 2625 milionów obrotów . Wymagany stosunek C/P wynosi zatem (2625)^(1/3) = w przybliżeniu 13.8 dla łożyska kulkowego. Jeżeli obliczone obciążenie zastępcze P wynosi 2000 N, wymagana nośność dynamiczna wynosi 2000 × 13,8 = 27 600 N . Wybrane łożysko musi mieć w katalogu wartość C przekraczającą tę liczbę. Według danych inżynieryjnych producentów łożysk, standardowe łożyska kulkowe poprzeczne serii 62 i 63 zazwyczaj zapewniają nośność dynamiczną od 10 000 do 100 000 N , obejmujący szeroki zakres zastosowań przemysłowych reduktorów biegów.

4. Sprawdź nośność statyczną i współczynnik bezpieczeństwa

Łożysko należy również sprawdzić pod kątem nośności statycznej, aby upewnić się, że maksymalne obciążenie szczytowe – takie jak podczas rozruchu, chwilowe zacięcie lub obciążenie udarowe – nie powoduje trwałego odkształcenia elementów tocznych lub bieżni. Podstawowe obciążenie statyczne C0 jest zdefiniowane w normie ISO 76 jako obciążenie, które wytwarza obliczone naprężenie kontaktowe wynoszące 4200 MPa do łożysk kulkowych i 4000 MPa do łożysk tocznych na najbardziej obciążonym styku elementów tocznych. Statyczny współczynnik bezpieczeństwa S0 = C0 / P0, gdzie P0 jest równoważnym statycznym obciążeniem łożyska, powinien wynosić co najmniej 2 dla płynnej pracy i 3 lub więcej dla zastosowań obciążonych udarami . W reduktorze napędzającym kruszarkę lub mocno obciążony przenośnik, szczytowy moment obrotowy podczas zacięcia może być kilkukrotnie większy od momentu nominalnego. Bez odpowiedniej nośności statycznej bieżnie łożyska mogą ulec przekształceniu w stopniu Brinella pod wpływem pojedynczego zdarzenia przeciążenia, powodując hałas i wibracje, które prowadzą do szybkiego zniszczenia zmęczeniowego. Kiedy ty wybierz odpowiednie łożysko dla a gear reducer kontrola statyczna jest tak samo ważna jak obliczenie zmęczenia, szczególnie w przypadku łożysk wału wyjściowego, które podlegają wysokim momentom obrotowym i potencjalnym przeciążeniom.

5. Rozważ smarowanie, uszczelnianie i rozszerzalność cieplną

Dobór łożyska musi uwzględniać metodę smarowania wewnątrz reduktora – niezależnie od tego, czy jest ono smarowane rozbryzgowo olejem przekładniowym, czy też wypełnione smarem w uszczelnionej komorze – i musi zapewniać, że indeks prędkości łożyska jest odpowiedni do lepkości smaru w temperaturze roboczej. W skrzyni biegów smarowanej rozpryskowo olejem przekładniowym jest zazwyczaj olej mineralny ISO VG 150 do VG 460 z dodatkami odpornymi na ekstremalne ciśnienia. Prędkość graniczna łożyska podana w katalogu smarowania olejem i smarem stałym musi zostać obniżona, jeśli rzeczywista lepkość oleju jest wyższa niż lepkość odniesienia. Temperatura robocza wewnątrz reduktora może osiągnąć 80°C do 100°C (176°F do 212°F) , co zmniejsza lepkość oleju i grubość filmu smarnego. Współczynnik kappa – stosunek rzeczywistej lepkości smaru do minimalnej lepkości wymaganej do odpowiedniego utworzenia filmu – powinien wynosić co najmniej 2 do 4 dla niezawodnego działania. Jeśli obliczona kappa jest niższa od 1, istnieją graniczne warunki smarowania i trwałość łożyska należy zmniejszyć przy użyciu współczynnika a23 z ISO 281, który może zmniejszyć obliczoną trwałość L10 o 50% lub więcej. Uszczelnienia łożysk, niezależnie od tego, czy są to zintegrowane uszczelki gumowe, czy zewnętrzne uszczelnienia labiryntowe, należy dobrać tak, aby zatrzymywały olej przekładniowy wewnątrz obudowy i wykluczały zanieczyszczenia. Łożysko ze zintegrowanymi uszczelnieniami stykowymi nadaje się do montażu na wale wejściowym skrzyni biegów w miejscu, w którym wał przechodzi przez obudowę, zapobiegając wyciekom oleju w tym krytycznym miejscu styku.

6. Określ luz wewnętrzny łożyska i sposób montażu

Wewnętrzny luz promieniowy łożyska należy dobrać na podstawie pasowania pierścienia wewnętrznego na wale i pierścienia zewnętrznego w oprawie, różnicy temperatur pomiędzy pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym podczas pracy oraz konieczności uwzględnienia osiowej rozszerzalności cieplnej wału. W reduktorze wał zwykle nagrzewa się bardziej niż obudowa, ponieważ ciepło jest przewodzone z kół zębatych wzdłuż wału. Różnica temperatur wynosząca 10°C do 20°C pomiędzy pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym zmniejsza luz wewnętrzny o kilka mikronów. Jeśli luz początkowy jest zbyt mały, łożysko zostanie obciążone wstępnie i przegrzeje się. Standardowe klasy luzu to C2 (mniejszy niż normalnie), CN (normalny), C3 (większy niż normalny) i C4. W przypadku reduktorów biegów powszechnie określa się luz C3, ponieważ uwzględnia on pasowanie wtłaczane pierścienia wewnętrznego na wale i rozszerzalność cieplną. Należy również wziąć pod uwagę sposób montażu: jedno łożysko na każdym wale powinno być łożyskiem ustalającym, które ustala wał osiowo, podczas gdy drugie powinno być łożyskiem swobodnym, które umożliwia swobodne rozszerzanie i kurczenie się wału. Jako łożysko swobodne może służyć łożysko kulkowe zwykłe z rowkiem w pierścieniu osadczym osadczym lub łożysko walcowe z rozłącznym pierścieniem wewnętrznym. Łożyska stożkowe zamontowane w układzie przeciwstawnym w naturalny sposób zapewniają położenie promieniowe i osiowe z regulowanym luzem lub napięciem wstępnym, co jest korzystne dla dokładności zazębienia przekładni, ale wymaga starannego ustawienia luzu końcowego podczas montażu.

Często zadawane pytania dotyczące doboru łożysk reduktora biegów

Jak obliczyć równoważne obciążenie dynamiczne dla połączonego łożyska promieniowego i osiowego?

Równoważne obciążenie dynamiczne P oblicza się stosując P = XFr YFa, gdzie Fr to obciążenie promieniowe, Fa to obciążenie osiowe, a X i Y to współczynniki podane w katalogu producenta łożyska dla każdego typu łożyska. W przypadku łożyska kulkowego zwykłego wartości X i Y zależą od stosunku Fa/Fr i klasy luzu promieniowego. Kiedy Fa/Fr przekracza próg zwany e, obciążenie osiowe staje się znaczące i Y wzrasta. Aby uzyskać dokładne wyniki, zawsze używaj określonych wartości X i Y dla wybranego łożyska z jego arkusza danych wybierz odpowiednie łożysko dla a gear reducer .

Jaka jest różnica między luzem C3 a luzem standardowym i dlaczego C3 jest powszechny w skrzyniach biegów?

Luz C3 zapewnia większy luz promieniowy niż normalny luz CN. Jest on przeznaczony do łożysk reduktorów biegów, ponieważ pierścień wewnętrzny zamontowany na wale z pasowaniem wciskowym rozszerza się i zmniejsza luz. Dodatkowo pierścień wewnętrzny nagrzewa się bardziej niż pierścień zewnętrzny ze względu na przewodzenie ciepła z kół zębatych, co jeszcze bardziej zmniejsza luz. Luz C3 kompensuje te zmniejszenia i zapobiega pracy łożyska pod nadmiernym napięciem wstępnym, co mogłoby zwiększyć tarcie i skrócić żywotność.

Czy mogę używać uszczelnionych łożysk w skrzyni biegów smarowanej w kąpieli olejowej?

Łożyska uszczelnione ze zintegrowanymi uszczelkami gumowymi zasadniczo nie są zalecane do smarowania w kąpieli olejowej, ponieważ uszczelnienia zapobiegają przedostawaniu się oleju przekładniowego i smarowaniu łożyska. Zamiast tego stosuje się łożyska otwarte lub łożyska osłonięte, umożliwiające przepływ oleju rozbryzgowego przez łożysko. Jednakże uszczelnione łożyska są odpowiednie dla przedłużenia wału wejściowego w miejscu, w którym wał wychodzi z obudowy, aby zapobiec wyciekom oleju wzdłuż wału. W tym miejscu uszczelnione łożysko jest nasmarowane na cały okres eksploatacji i odizolowane od wewnętrznego oleju.

Opanowanie jak dobrać odpowiednie łożysko do reduktora to systematyczny proces, który łączy analizę obciążenia, obliczenia trwałości i praktyczne rozważania dotyczące smarowania, luzów i montażu. Postępując zgodnie z etapami obliczania sił przekładni, wybierając właściwy typ łożyska, dobierając łożysko pod kątem wymaganej trwałości L10, sprawdzając nośność statyczną i potwierdzając warunki smarowania, inżynier zapewnia, że ​​reduktor będzie działał niezawodnie i cicho przez zamierzony okres użytkowania, bez przedwczesnej awarii łożyska.