Kolika je nosivost čeličnog kliznog ležaja s prirubnicom?

Pitanje zvuči jednostavno, "Koliko drži?" Ali za aČelični klizni ležaj s prirubnicom,postoji nekoliko inženjerskih slojeva odgovora. To nije broj na komadu papira. Nosivost ovdje nije fiksni dio. Dolazi od oblika, materijala, ulja ili masti, topline, načina na koji se koristi i načina na koji smjer sile utječe na položaj ležaja.

U ovom radu izlaže se stvarni odlučujući faktor nosivosti čeličnih kliznih ležajeva s prirubnicom. Pokazuje kako inženjeri računaju. To pokazuje odakle dolaze granice. Također objašnjava zašto dva ležaja iste veličine mogu nositi vrlo različita opterećenja ovisno o tome kako ih koristite.

Definiranje komponente: geometrija i funkcija

Klizni ležaj podupire rotirajuću ili klackajuću osovinu kliznim kontaktom između osovine i unutarnjeg otvora ležaja. Tip s prirubnicom dodaje kružni ovratnik na jednom kraju tijela cilindra. Ta prirubnica ima posebno mehaničko svojstvo. Sprječava bočno pomicanje osovine. Lice prirubnice prima potisak duž osovine. otvor cilindra potisak preko osovine.

Ono što klizne ležajeve s prirubnicom razlikuje od ostalih ležajeva je njihova struktura. Ima čeličnu stražnju ljusku, obično čelik s niskim udjelom ugljika, koji daje stabilnost čvrstoći i obliku. Ova čelična podloga obložena je s jednim ili više slojeva materijala za ležaj. materijal ležaja napravljen je za habanje i promjenu oblika pod opterećenjem. Čelični nasloni nose strukturna opterećenja. Podstava radi trljanje i klizanje. Ova bimetalna struktura je razlog zašto nosivost nije jednostavna. Konačna granica ovisi o tome koji sloj prvi pokvari. Različiti slojevi imaju različite vrste kvarova.

Sama prirubnica dodaje drugi put opterećenja. U uobičajenoj čahuri cilindra bez prirubnice, bočno kretanje mora se zaustaviti na druge načine. Koristite korak osovine, ćelijski prsten ili jednu potisnu brtvu. Dizajn s prirubnicom integrira ove poslove u jedan dio. Ali nosivost prirubnice je neodvojiva od dijela cilindra. Oni dijele materijale. Oni dijele toplinu. Pod hibridnim opterećenjem, oni rade zajedno na tako jednostavan način dodajući nehvatanje.

Kapacitet radijalnog opterećenja: granice tlaka, brzine i PV

Radijalno opterećenje je sila koja gura osovinu osovine bočno. Pritišće svoju osovinu na stijenku rupe. Ovo je glavni tip opterećenja koji koristi većina kliznih ležajeva. Radijalna nosivost određena je umnoškom projektirane površine ležaja i dopuštenog pritiska ležaja.

Formula je P=F podijeljeno s d puta L.

P je nosivi tlak. F je radijalno opterećenje. d je promjer provrta. L je duljina ležaja.

Jednadžba izgleda dovoljno jednostavno. Ali P_max, maksimalni pritisak prije ozljede, nije fiksni broj. Razlikuje se ovisno o materijalu košuljice, brzini, toplini i podmazivanju.

Materijal obloge određuje osnovnu liniju

Ležajevi čeličnih čahura rijetko su u upotrebi samo čelični. Uobičajeni linijski sustavi i njihova tipična mobilnost i statička ograničenja izvedeni su iz standardnih ispitnih protokola, uključujući:

Rasponi brojeva potječu iz standardnih laboratorijskih testova i zapisa o kvarovima na terenu timova inženjera za podmazivanje. To je cijela poanta. Ležaj iste veličine može izdržati bilo koji pritisak od 14 do 38 MPa. Ovisi samo o tome što je zalijepljeno na unutarnju površinu čelične pozadine. Najčešći razlog ranog kvara je odabir samih ležajeva prema njihovoj veličini i zanemarivanje specifikacije obloge.

Interakcija PV ograničenja

Nosivi tlak ne postoji odvojeno od površinske brzine. Glavno projektno ograničenje za klizne ležajeve je PV vrijednost - umnožak tlaka (P, MPa) i brzine klizanja (V, m/s):

PV=P × V

Svaki materijal obloge ima maksimalnu kontinuiranu fotonaponsku ocjenu iznad koje temperatura sučelja raste brže nego što se toplina može prenijeti kroz čelično kućište. Kod fotonapona dolazi do pucanja mazivog filma (podmazivanje uljem) ili polimerne podloge omekšava i ekstrudira (suha vožnja). ISO 3547-9: 2011 Tipična kontinuirana PV ograničenja i neovisni podaci ispitivanja uključuju:

• Olovna bronca,-podmazana uljem:PV Manji od ili jednak 1,8–2,2 MPa·m/s
• Kositrena bronca,-podmazano uljem:PV Manji ili jednak 1,5–1,9 MPa·m/s
• Trimetal-aluminij kositra,-podmazan uljem:PV Manje ili jednako 2,2–2,8 MPa·m/s
• PTFE-kompozitna tkanina, rad na suho:PV Manji od ili jednak 0,35–0,55 MPa·m/s
• PTFE-brončani prah, suh ili rubno podmazan:PV Manje ili jednako 1,0–1,6 MPa·m/s

To zapravo znači udvostručenje brzine vratila za oko polovicu dopuštenog radijalnog opterećenja. Ležaj nazivnog 500N pri 100 o/min može sigurno nositi 2500N samo pri 200 o/min. Mnogi kvarovi uzrokovani "preopterećenjem" zapravo su prekoračenja PV-a izazvana brzinom-u kojima je operater povećao propusnost stroja bez promjene primijenjene sile (Hamrock, Schmid & Jacobson, The Machine Components Principle, 3rd ed.., CRC Press, 2019.). .

Smanjenje temperature

Dopušteni tlak opada s povećanjem radne temperature. Za bimetalne brončane čahure, dinamičko opterećenje smanjuje se za oko 8% do 12% za svakih 20 stupnjeva C. To je zbog razrjeđivanja ulja, bržeg površinskog otvrdnjavanja i nesklada između toplinskog širenja čelika i bronce. Dugotrajne-temperature iznad 150-180 Celzijevih stupnjeva mogu uzrokovati pomicanje nekih jastuka na tlo. To stvara meke točke gdje se skupljanje opterećenja i trošenje ubrzavaju. Polimerom{12}}obloženi ležajevi pokazuju veću osjetljivost na toplinu. Kompoziti na bazi PTFE-a gube oko 40% do 50% svoje čvrstoće između sobne temperature i 120 stupnjeva.

Aksijalna (potisna) nosivost: Što prirubnica zapravo nosi

Prirubnica na čeličnom kliznom ležaju s prirubnicom postoji posebno dizajnirana za otpor silama paralelnim s osi osovine. Da bismo razumjeli njegov kapacitet, potrebno je prepoznati tri temeljne razlike između površine prirubnice i cilindričnih rupa.

Prvo, prirubnica ima ravnu prstenastu kontaktnu površinu, a ne cilindričnu koja se obavija oko nje. Nominalni potisak se raspoređuje u prstenastom području:

P_aksijalno=F_aksijalno / [(π/4) × (D_o² – D_i²)]

gdje je D_o vanjski kontaktni promjer prirubnice, a D_i unutarnji kontaktni promjer (obično OD ramena osovine).

Drugo, prirubnica se razlikuje od otvora cilindra. U otvoru cilindra, vrtnja proizvodi stabilan uljni film koji raspršuje mazivo i ujednačava lokalni pritisak. Prirubnica klizi ili se okreće u svakoj točki. Uljni klin se neće formirati osim ako površina prirubnice nije posebnog oblika. Ovo je rijetko kod standardnih čahura. Većina prirubnica radi pod tankim ili mješovitim slojevima ulja, čak i ako otvor cilindra ima puni uljni film. Stoga je za isti materijal košuljice dopušteni tlak prirubnice obično 30% 50% niži od tlaka rupe.

Treće, debljina prirubnice je ograničena. Tipične prirubnice čahure s prirubnicom su 0,5-1,0 puta deblje od debljine stijenke cilindra. Pod velikim bočnim opterećenjem, prirubnica se savija u oblik stošca. Ovo gura teret na unutarnji ili vanjski rub prirubnice. Zatim koncentrirajte silu na mali dio područja prirubnice. Lokalno je pritisak znatno viši od prosjeka.

Prema standardnom omjeru, tipični bočni kapacitet nosivosti kao postotak odgovarajućeg radijalnog kapaciteta je sljedeći:

Nestandardne geometrije prirubnice (tanji, manji OD ili preveliki OD sa smanjenom krutošću) značajno će odstupati od ovih postotaka.

Kombinirano opterećenje: kada radijalne i potisne sile međusobno djeluju

Pravi strojevi rijetko primjenjuju samo radijalno ili samo aksijalno opterećenje. Mjenjač, ​​igla konektora, osovina pumpe i nosači hidrauličkog cilindra često proizvode miješana opterećenja. Ove dvije vrste opterećenja ne zbrajaju se samo. Dijele stražnju stranu čelika i bore se za isti prostor u metalu.

radijalno opterećenje gura osovinu do ruba rupe, a kada aksijalno opterećenje gura na lice prirubnice, put sile prolazi kroz korijen prirubnice. Ovo je kut prirubnice za okretanje cilindra. Računalni modeli pokazuju da je naprezanje u kutu korijena prirubnice 1,3 do 1,6 puta veće od jednostavnog zbroja pod oba opterećenja.

Većina proizvođača smanjila je hibridna opterećenja. Neke smjernice preporučuju da se dopušteno opterećenje smanji za 15 do 25 posto kada bočni i radijalni omjer prelazi 0,3. Jedan je stručnjak predložio formulu:

(F_r podijeljeno s R_r) jednako je 1,5 puta, plus (F_a podijeljeno s R_a) jednako je 1,5 puta

F_r i F_a su stvarne sile. R_r i R_a su pojedinačne ocjene. Eksponent iznad 1 objašnjava dodatno naprezanje u kutu korijena prirubnice.

Statički naspram dinamičkog kapaciteta

Katalozi ležajeva obično navode statičke i dinamičke vrijednosti. Ovi su vrlo različiti. Njihovo miješanje može dovesti do pogrešaka u veličini.

Statička nosivost je maksimalno opterećenje koje ležaj može podnijeti kada nije u pokretu. Ne može se saviti preko granice postojanosti. Statički broj je 1.5 -2.5 puta dinamička vrijednost metalnih-čahura. Nema topline trenja, nema nakupljanja i habanja, nema pucanja uljnog filma.

Dinamička nosivost odnosi se na opterećenje u određenom vremenu kretanja, u određenom vijeku trajanja. Za tvorničke strojeve to je obično 10 000 sati. Dinamička ocjena mora uključivati ​​nakupljanje trošenja, zamor košuljice i stabilne toplinske uvjete.

Za dijelove koji se samo povremeno pomiču, kao što su klinovi šarki na farmi koji se njišu nekoliko puta dnevno, možete koristiti statičku ocjenu za vršna opterećenja. Ukupna klizna udaljenost ostaje mala. Dinamička ocjena je jedini broj koji je bitan za komponente koje se okreću, kao što su kotači transportera, osovine ventilatora i ležajevi pumpe. U praksi je jedna od najčešćih pogrešaka koristiti statičke brojeve za određivanje dimenzija ležaja.

Režim podmazivanja: Skriveni multiplikator

Razgovori o nosivosti su nepotpuni bez pokrivanja podmazivanja. Isti ležaj može imati do 10 puta različita sigurnosna opterećenja, ovisno o tome radi li u punom ulju, miješa ulje ili se suši.

Potpuno podmazivanje uljem. Kretanje stvara dovoljno pritiska tekućine da potpuno odvoji površinu. U ovom stanju, nosivost je uglavnom ograničena točkom pare ulja i čvrstoćom ljuske. Materijal obloge nije bitan jer nikada ne dodiruje osovinu. Trebate četiri stvari. Površinska brzina iznad 0,1-0,3 m/s, dovoljna opskrba uljem, odgovarajuća veličina razmaka i dobro poravnanje. Kada su sva četiri ležaja zadovoljena, dobar klizni ležaj uvijek može raditi blizu granice razvlačenja stražnjeg dijela čelika.

Mješovito podmazivanje. Ovo je srednje stanje. Iako se većina tereta još uvijek kontrolira tekućinama, površine se mogu dotaknuti posvuda. Ovako rade ležajevi s čahurama u većini tvornica. To se događa prilikom pokretanja ciklusa zaustavljanja, promjene brzine ili niske potrošnje goriva. Nosivost ovdje ovisi o glatkoći površine, tvrdoći košuljice i čvrstim mazivima svrdla.

Suho ili granično podmazivanje. Uljni film je bio tanak. Gotovo sve opterećenje prolazi kroz oblogu izravno s metala na metal. PV ograničenje je ovdje obavezno. Kapacitet je određen čvrstoćom, stopom trošenja i toplinskom stabilnošću obloge.

Pravi rezultati. Klizni ležajevi s prirubnicom koji mogu izdržati 8000 Newtona u dobro-podmazanim valjcima mogu otkazati pri 2000 Newtona u malo{6}}masnim,-sporo pokretnim spojevima. Isti dijelovi, iste dimenzije, pet puta drugačije ovisno o samom stanju podmazivanja.

Načini kvarova: Što se događa kada se prekorače ograničenja

Razumijevanje zašto postoje ograničenja znači učenje fizike kvara. Tipovi kvarova razlikuju se ovisno o podstavi i upotrebi.

Umor oguljen između dvije metalne obloge. U ponovljenim ciklusima sitne pukotine počinju ispod površine vršnog smičnog naprezanja. Pukotine mogu nastati i uništiti čahuru. Nakon aktiviranja, piling se ubrzava. Ove su rupe probile uljni film, stvarajući nove točke stresa. To je uobičajeno u ležajevima motora automobila.

Gubitak dimenzija zbog trošenja. Istrošeni abrazivi čine rupe veće. Ovo će skrenuti pogonsko vratilo. Ovo komprimira opterećenje na manje područje, povećavajući lokalni pritisak. Ovo je ciklus koji se pogoršava. Sve iznad određene stope trošenja znači da se previše približavate PV granici.

Puzne struje ili hladne struje u plastici. Meki materijali se postupno istiskuju pod visokom temperaturom i stabilnim opterećenjem. Ovisi o vremenu, a ne o ciklusu. 80 posto kratkotrajnih-ocijenjenih ležajeva može trajati 100 sati, ali pokvariti nakon 1000 sati. Zbog toga plastične-čahure nisu prikladne za dugotrajno stajanje.

Vrućina je bila nekontrolirana. Ako toplina trenja premašuje brzinu koju ljuska može izdržati, temperatura će porasti. To razrjeđuje ulje ili omekšava plastiku. To povećava trenje i stvara više topline. Ovaj ciklus može gurnuti površinu preko stotina stupnjeva u minutama. Ležajevi se mogu zaključati, zavariti na osovinu ili odvojiti. Zato postoje ograničenja PV-a i zato je potrebna margina sigurnosti.

Specifični- kvarovi prirubnice. Korijen dijelova s ​​prirubnicom će puknuti pod kombiniranim opterećenjem. Pritisak se može primijeniti na površinu prirubnice zbog lošeg maziva. Ako je prirubnica premalena da izdrži opterećenje, može zauvijek ostati stožasti oblik. Sve se to može zaustaviti podešavanjem ležaja na ispravnu veličinu pod mješovitim opterećenjem.

Standardi i metode ispitivanja: odakle podaci potječu

Brojke-nosivosti u ovom radu izvedene su iz međunarodnih standarda i profesionalnih metoda društvenog testiranja razvijanih desetljećima. Glavni referentni materijal za specifikacijske klizne ležajeve s prirubnicom:

ISO 3547 (dijelovi 1-11): Čaure omotane kliznim ležajevima, dimenzije, tolerancije, oznake materijala, smjernice za opterećenje/brzinu, uključujući konfiguracije s prirubnicama.

ASTM B438/B438M: Specifikacija metalnih kliznih ležajeva (uljem-impregnirana sinterirana bronca/željezo; primjenjivo za usporedbu).

SAE J881: Uobičajene dimenzije ležajeva koje se naširoko koriste u automobilskoj i terenskoj-opremi u Sjevernoj Americi.

ISO 3547-10:2016: Metoda ispitivanja za brtvenu čahuru pod određenim uvjetima brzine opterećenja.

DIN ISO 3547 (koristi se u Njemačkoj): često uključuje dopunske smjernice o pristajanju kućišta i tolerancijama kompresije koje nisu sadržane u izvornom ISO-u.

Ako je u katalogu proizvođača navedena "oglasna nosivost", ali se ne spominje niti jedan od kriterija niti se navode ekvivalentni detalji o uvjetima ispitivanja (brzina, vrsta i viskoznost maziva, temperatura, radni ciklus, kriteriji prihvatljivosti), ta se brojka smatra samo indikativnom i nije prikladna za inženjerske izračune bez neovisne provjere.

Praktični okvir odabira

Za inženjere koji odaberu čelične klizne ležajeve s prirubnicom, plan korak-po-korak može izbjeći najčešće pogreške.

Prvo, shvatite vektor opterećenja. Izmjerite ili pronađite vršnu radijalnu silu, vršnu aksijalnu silu i kada se pojavljuju. Dostižu li vrhunac u isto vrijeme? Ako se teret okreće u odnosu na školjku, obratite pozornost na raspon kuta. Trošenje produžetka djelomičnim lučnim opterećenjem razlikuje se od punog opterećenja prstena.

Zatim, budite svjesni raspona brzine. Zabilježite maksimalnu, minimalnu i prosječnu brzinu rotacije ili njihanja. Ako je važno, uključite učestalost-zaustavljanja pokretanja. Izračunajte raspon brzine V u metrima u sekundi.

Treće, odaberite početnu veličinu. Pronađite najmanju veličinu rupe prema osovini i najmanju duljinu rupe prema ograničenjima prostora. Provjerite omjer L/D. Vrijednost ispod 0,5 uzrokuje problem rubnog opterećenja. Vrijednost iznad 1,5 uzrokuje probleme s neusklađenošću. Opća tvornička uporaba općenito je između 0,8 i 1,2.

Četvrto, izračunajte P i PV. Nosivi tlak i fotonaponska vrijednost pri maksimalnom opterećenju i maksimalnoj brzini dobiveni su ovim formulama. Usporedite ga s ocjenom i faktorom sigurnosti ocjena materijala košuljice. Koristite 1.5-2.0 za dobro poznate svrhe. Koristite 2,5-4,0 kada su opterećenje ili brzina vrlo neizvjesni.

Peto, provjerite hibridno opterećenje. Ako postoje i radijalne i aksijalne sile, koristi se formula miješanja. Provjerite da opterećenje, pojedinačno ili kombinirano, ne prelazi ograničenje smanjenja.

Šesto, provjerite kalorije. Provjerite raspon radne temperature. Ako su ležajevi obloženi metalom ocijenjeni iznad 80 stupnjeva ili su ležajevi obloženi plastikom ocijenjeni ispod 60 stupnjeva C.

Sedmo, identificirajte lubrikant. Osigurajte da je opskrba gorivom u skladu s režimom. posebne samo-podmazivačke obloge potrebne za suhi rad. Standardni bimetalni brončani ležajevi mogu se brzo pričvrstiti bez vanjskog podmazivanja.

Osmo, provjerite koordinaciju i montažu. Tlačna nepropusnost vanjskog promjera čelične-čahure obično će biti 0,03% -0,08% nominalnog vanjskog promjera. Ovisi o materijalu kuće i debljini zidova. Pretjerano brtvljenje će stisnuti čahuru, čineći rupu manjom. Premalo brtvljenje može uzrokovati okretanje čahure u kućištu, uzrokujući trošenje i eventualno labavost.

Zaključak

Kapacitet nosivosti čeličnog kliznog ležaja s prirubnicom nije broj. Ona varira ovisno o izboru materijala obloge, radnoj brzini, temperaturi, stanju podmazivanja i smjeru opterećenja. Ignoriranje bilo kojeg od njih može učiniti vašu pretpostavku deseterostruko pogrešnom. Moglo bi biti previsoko i opasno, ili prenisko i rasipno.

Ispravan način odabira ležajeva nije recitiranje numeričkih tablica. Ključno je znati koji su čimbenici najvažniji za vašu upotrebu. Zatim upotrijebite ispravne formule dizajna i stvarne sigurnosne granice. Zatim provjerite svoja nagađanja prema poznatim standardima, a ne samo prema tvrdnjama proizvođača. Kada slijedite ove korake, čelični klizni ležajevi s prirubnicom osigurat će pouzdan i stabilan vijek trajanja za sve tvorničke strojeve. Od sporih zglobnih klinova koji mogu držati stotine newtona do brzih kompresorskih čahura koje mogu podržavati tisuće newtona pri punoj brzini. Kapaciteta je uvijek bilo. Pitanje je uvijek bilo je li vaša analiza dovoljno duboka i dovoljno točna.

Reference

• Khonsari, MM i Booser, ER (2017).Primijenjena tribologija: Dizajn ležaja i podmazivanje, 2. izd. Cambridge University Press.
• Međunarodna organizacija za standardizaciju. (2018).ISO 3547-1:2018 - Klizni ležajevi - omotane čahure - Dio 1: Dimenzije.Ženeva: ISO.
• Međunarodna organizacija za standardizaciju. (2011).ISO 3547-9:2011 - Klizni ležajevi - omotane čahure - Dio 9: Polimerom omotane čahure.Ženeva: ISO.
• Američko društvo za ispitivanje i materijale. (2020).ASTM B438/B438M-20 - Standardna specifikacija za metalne klizne ležajeve.West Conshohocken: ASTM International.
• Engel, PA (2002).Projektiranje ležajeva u strojevima: inženjerska tribologija i podmazivanje.New York: Marcel Dekker.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR i Jacobson, BO (2019).Osnove strojnih elemenata, 3. izd. Boca Raton: CRC Press.
• Stachowiak, GW i Batchelor, AW (2014).Inženjerska tribologija, 4. izd. Boston: Butterworth-Heinemann.
• andardizacija. (2016).ISO 3547-10:2016 - Metode ispitivanja za omotane obične grmove.Ženeva: ISO.