Как рассчитать грузоподъемность упорных цилиндрических роликоподшипников?

При тяжелом механическом проектировании и обслуживании промышленного оборудования точный расчет грузоподъемности Упорные цилиндрические роликовые подшипники является основой обеспечения надежности системы. Эти подшипники известны своей исключительной способностью выдерживать осевую нагрузку и высокой жесткостью, что делает их широко используемыми в нефтяных буровых платформах, тяжелых экструдерах и промышленных редукторах. Чтобы максимально увеличить срок службы подшипников и избежать катастрофического отказа оборудования, инженеры должны освоить точные методы расчета как номинальной динамической, так и статической нагрузки.

1. Основы допустимой осевой нагрузки и геометрии подшипника.

Чтобы понять грузоподъемность упорных цилиндрических роликоподшипников, необходимо сначала отличить их конструкционные отличия от шарикоподшипников. Цилиндрические ролики обеспечивают Линейный контакт а не Точка контакта встречается в шарикоподшипниках. Эта геометрическая характеристика позволяет упорным цилиндрическим роликоподшипникам выдерживать огромные осевые нагрузки в пределах очень небольшого пространства. Однако это также требует более высокой точности в отношении контроля вибрации и выравнивания.

1.1 Значение линейного контактного напряжения

В процессе расчета линейный контакт означает, что давление распределяется по всей длине ролика. Согласно теории контактных напряжений Герца, при расчете грузоподъемности необходимо учитывать эффективную длину роликов. Если подшипник установлен неправильно, что приведет к его наклону, нагрузка будет концентрироваться на краях роликов, создавая «краевое напряжение». Это может снизить теоретическую грузоподъемность более чем на 50 процентов. Таким образом, при частом поиске «Несоосность подшипников» остается важным ключевым словом с длинным хвостом, связанным с расчетом нагрузки.

1.2 Базовая динамическая и статическая нагрузки

• Базовая динамическая нагрузка (Ca): Это относится к постоянной осевой нагрузке, которую подшипник может выдерживать при вращении, чтобы достичь номинального срока службы в один миллион оборотов. Это ключевой показатель для оценки эксплуатационного ресурса оборудования.
• Базовая статическая нагрузка (C0a): Это относится к предельной нагрузке, при которой в центральной точке контакта возникает необратимая деформация, когда подшипник неподвижен или вращается с очень низкой скоростью. От него зависит безопасность подшипника при ударных нагрузках или в момент запуска. Понимание разницы между этими двумя значениями является первым шагом в выборе подшипника.

2. Расчет базовой динамической нагрузки (Ca) с использованием ИСО 281.

Расчет номинальной динамической нагрузки является основой для прогнозирования усталостного ресурса подшипников. Для упорных цилиндрических роликоподшипников всемирно признанным стандартом является ISO 281 . Эта формула учитывает не только физические размеры, но также влияние технологии материалов и точности обработки на грузоподъемность.

2.1 Стандартная формула ISO 281

Для однорядных упорных цилиндрических роликоподшипников базовая динамическая осевая нагрузка Ca (измеряется в Ньютонах) рассчитывается с использованием следующих переменных:

Ca = fc * (Lw * cos альфа)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27

2.2 Определения переменных и их влияние

• fc (геометрический коэффициент): Коэффициент, зависящий от конкретной геометрии, класса допуска и качества материала подшипника. Высококачественная подшипниковая сталь (например, GCr15) обычно имеет более высокое значение fc.
• Lw (эффективная длина ролика): Эффективная длина ролика. Увеличение длины роликов напрямую повышает грузоподъемность, но слишком длинные ролики создают значительное трение скольжения при вращении; таким образом, дизайнеры должны сбалансировать соотношение сторон.
• Z (Количество роликов): Чем больше роликов, тем меньшую силу несет каждый отдельный ролик, что увеличивает общий рейтинг.
• Dw (диаметр ролика): Диаметр ролика оказывает экспоненциальное влияние на грузоподъемность и является наиболее чувствительной переменной в конструкции.

2.3 Расчет номинального срока службы (L10)

После получения Ca инженерам необходимо рассчитать Рейтинг жизни (L10) . Для упорных роликоподшипников формула расчета следующая:

L10 = (Ка/Па)^10/3

Показатель степени 10/3 (приблизительно 3,33) отражает тот факт, что роликоподшипники более долговечны до усталостного разрушения по сравнению с шарикоподшипниками (в которых используется показатель степени 3). Демонстрация этого точного прогноза на корпоративном веб-сайте значительно повышает доверие клиентов к продукту.

3. Статическая грузоподъемность (C0a) и коэффициенты безопасности.

Во многих случаях подшипники не всегда находятся в высокоскоростном рабочем состоянии. Например, при открытии тяжелой арматуры или в момент подъема груза краном подшипник в неподвижном состоянии подвергается огромному давлению. В таких случаях мы должны полагаться на ИСО 76 стандарт для расчета статической грузоподъемности.

3.1 Предотвращение остаточной деформации (бринеллинг)

Статическая грузоподъемность определяется как нагрузка, вызывающая общую остаточную деформацию в центре контакта наиболее нагруженного ролика и дорожки качения, не превышающую 0.0001 диаметра ролика. Если это значение будет превышено, подшипник будет создавать сильную вибрацию и шум при последующем вращении. В промышленных исследованиях это обычно называют «эффектом Бринеллинга».

3.2 Статическая формула расчета

Общая формула для номинальной статической осевой нагрузки C0a выражается как:

C0a = 220*Z*Lw*Dw*siн альфа

Константа 220 представляет собой уровень производительности стандартной закаленной подшипниковой стали при определенных уровнях контактного напряжения.

• Фактор безопасности (S0): В практическом машиностроении вводят статический коэффициент запаса S0 = C0a/P0a. Для оборудования с ударными нагрузками рекомендуется S0 3 или выше; для прецизионного оборудования S0 должно быть еще выше, чтобы пластическая деформация не влияла на точность.

4. Операционное сравнение: коэффициенты корректировки нагрузки

Реальные условия труда гораздо сложнее, чем лабораторные условия. Смазка, температура и точность установки действуют как «поправочные факторы», которые напрямую влияют на эффективную несущую способность подшипника.

5. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Могут ли упорные цилиндрические роликоподшипники выдерживать радиальные нагрузки?

Нет. Эти подшипники рассчитаны строго на осевые нагрузки. Поскольку ролики расположены перпендикулярно оси вала, радиальные силы вызывают сильное трение с сепаратором или даже могут привести к разрушению узла. Если присутствуют радиальные силы, используйте в сочетании с игольчатыми роликоподшипниками.

В2: Почему показатель срока службы L10 отличается от показателя срока службы шарикоподшипников?

Это связано с разницей в механике контакта. В шарикоподшипниках используется точечный контакт, что приводит к более высокой концентрации напряжений и показателю степени 3. В цилиндрических роликоподшипниках используется линейный контакт, который распределяет напряжение более равномерно, таким образом, используя превосходный показатель степени 10/3.

В3: Как вязкость смазки влияет на эффективную нагрузку?

Толщина смазочной масляной пленки определяет, будут ли сталкиваться вершины шероховатостей контактных поверхностей. Даже если теоретическая номинальная нагрузка высока, если вязкость масла слишком низкая, фактический срок службы может составлять менее 10 процентов от расчетного значения.

6. Ссылки и технические стандарты

1. ИСО 281:2007 : Подшипники качения. Номинальные динамические нагрузки и номинальный срок службы.
2. ИСО 76:2006 : Подшипники качения. Статическая нагрузка.
3. Стандарт ANSI/ABMA 11 : Номинальные нагрузки и усталостная долговечность роликовых подшипников.
4. Харрис Т.А. и Коцалас М.Н. : Анализ подшипников качения, том 1 и 2 , ЦРК Пресс. (Стандартный учебник по анализу подшипников).