Расчет подшипников качения на заданный ресурс
Исходные данные: F r1 , F r2 - радиальная нагрузка (радиальная реакция) каждой опоры двухопорного вала, Н: F a -внешняя осевая сила, действующая на вал, Н; n- частота вращения кольца (как правило, частота вращения вала), об/мин; d - диаметр посадочной поверхности вала, который берут из компоновочной схемы, мм; L" sa , L" sah - требуемый ресурс при необходимой вероятности безотказной работы подшипника соответственно в млн. об. и ли в ч; режим нагружения; условия эксплуатации подшипникового узла (возможная перегрузка, рабочая температура и др.).
Условия работы подшипников весьма разнообразны и могут различаться по величине кратковременных перегрузок, рабочей температуре, вращению внутреннего или наружного кольца и др. Влияние этих факторов на работоспособность подшипников учитывают введением в расчет эквивалентной динамической нагрузки (19) - (22) дополнительных коэффициентов.
Подбор подшипников качения выполняют в такой последовательности.
1. Предварительно назначают тип и схему установки подшипников.
2. Для назначенного подшипника из каталога выписывают следующие данные:
Для шариковых радиальных и радиально-упорных с углом контакта а<18° значения базовых динамической С r и статической С оr радиальных грузоподъемностей;
Для шариковых радиально-упорных углом контакта а≥18° значение С r , а из табл. 64 значения коэффициентов X радиальной, Y осевой нагрузок, коэффициента осевого нагружения:
Для конических роликовых значений С r , Y и е, а также принимают X=0,4 (табл. 66).
3. Из условия равновесия вала и условия ограничения минимального уровня осевых нагрузок на радиально-упорные подшипники определяют осевые силы F a1 , F a2 .
4. Для подшипников шариковых радиальных, а также шариковых радиально-упорных с углом контакта а<18° по табл. 64 в соответствии с имеющейся информацией находят значения X, Y и е в зависимости от
f 0 F a /C or или F a /(izD w 2).
5. Сравнивают отношение F a /(VF r ) с коэффициентом е и окончательно принимают значения коэффициентов X и Y: при F a /(VF r )≤e принимают X = 1 и Y=0, при F a /(VF r )>e для подшипников шариковых радиальных и радиально-упорных окончательно принимают записанные ранее (в п.1 и 4) значения коэффициентов X и Y.
Здесь V - коэффициент вращения кольца: V = 1 при вращении внутреннего кольца подшипника относительно направления радиальной нагрузки и V= 1, 2 при вращении наружного кольца.
Для двухрядных конических роликовых подшипников значения X, Y и е – по табл. 66.
6. Вычисляют эквивалентную динамическую нагрузку:
Радиальную для шариковых радиальных и шариковых или роликовых радиально-упорных
Р r =(VXF r +YF a )K Б K T ;(27)
- радиальную для роликовых радиальных подшипников:
P r
=F r V К Б К Т ;(28)- осевую для шариковых и роликовых упорных подшипников:
P а =FаК Б К Т (29)
- осевую для шариковых и роликовых упорно-радиальных подшипников
P a =(XF r +YF a )K Б K T . (30)
Значение коэффициента К Б безопасности принимают по табл. 69, а температурного коэффициента К Т - в зависимости от рабочей температуры t раб подшипника:
t раб , °С |
≤100 |
||||||
1,05 |
1,10 |
1,15 |
1,25 |
1,35 |
Характер нагрузки |
Область применения |
|
Маломощные кинематические редукторы и приводы. Механизмы ручных кранов, блоков. Тали, кошки, ручные лебедки. Приводы управления |
||
Легкие толчки; кратковременные перегрузки до 125% номинальной нагрузки |
1,0-1,2 |
Прецизионные зубчатые передачи. Металлорежущие станки (кроме строгальных , долбежных и шлифовальных). Гироскопы. Механизмы подъема кранов. Электротали и монорельсовые тележки. Лебедки с механическим приводом. Электродвигатели малой и средней мощности. Легкие вентиляторы и воздуходувки |
Умеренные толчки; вибрационная нагрузка; кратковременные перегрузки до 150% номинальной нагрузки |
1,3-1,5 |
Зубчатые передачи. Редукторы всех типов. Механизмы передвижения крановых тележек и поворота кранов. Буксы рельсового подвижного состава. Механизмы поворота кранов |
То же, в условиях повышенной надежности |
1,5-1,8 |
Механизмы изменения вылета стрелы кранов. Шпиндели шлифовальных станков. Электрошпиндели . |
Нагрузки со значительными толчками и вибрациями; кратковременные перегрузки до 200% номинальной нагрузки |
1,8-2,5 |
Зубчатые передачи. Дробилки и копры. Кривошипно-шатунные механизмы. Валки и адъюстаж прокатных станов. Мощные вентиляторы и эксгаустеры |
Нагрузка с сильными ударами; кратковременные перегрузки до 300% номинальной нагрузки |
2,5-3,0 |
Тяжелые ковочные машины. Лесопильные рамы. Рабочие роликовые конвейеры крупносортных станов, блюмингов и слябингов. Холодильное оборудование |
Для работы при повышенных температурах применяют подшипники со специальной стабилизирующей термообработкой изготовленные из теплостойких сталей. Для подшипников, работающих при переменных режимах нагружения, задаваемых циклограммой нагрузок и соответствующими этим нагрузкам частотами вращения (рис. 27), вычисляют эквивалентную динамическую нагрузку при переменном режиме нагружения
где Р i и L i - постоянная эквивалентная нагрузка (радиальная или осевая) на i-м режиме и продолжительность ее действия в млн. об . Если L i задана в ч-L hi , то ее пересчитывают на млн. об. с учетом частоты вращения n i , об/мин:
Если нагрузка на подшипник изменяется по линейному закону от Р min до Р max , то эквивалентная динамическая нагрузка
Рис. 27.Аппроксимация нагрузок и частот вращения
Известно, что режимы работы машин с переменной нагрузкой сведены к шести типовым режимам нагружения (см. ГОСТ 21354-87. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность): 0 - постоянному; I -тяжелому; II - среднему равновероятному; III- среднему нормальному; IV - легкому; V - особо легкому.
Для подшипников опор валов зубчатых передач, работающих при типовых режимах нагружения, расчеты удобно вести с помощью коэффициента эквивалентности К E :
Режим работы |
||||||
0,63 |
0,56 |
При этом по известным максимальным, длительно действующим силам F r1max , F r2 max , F Amax (соответствующим максимальному из длительно действующих вращающему моменту) находят эквивалентные нагрузки :
по которым в соответствии с п.п . 2-6 ведут расчет подшипников, как при постоянной нагрузке.
7. Определяют скорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурс подшипника, ч :
(31)
где С - базовая динамическая грузоподъемность подшипника (радиальная С r или осевая С а ), Н; Р - эквивалентная динамическая нагрузка (радиальная Р r или осевая, а при переменном режиме нагружения или Р Еа ), Н; k - показатель степени: k для шариковых и k = 10/3 для роликовых подшипников; n - частота вращения кольца, об/мин; а 1 - коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от необходимой надежности (табл. 68); а 23 - коэффициент, характеризующий совместное влияние на ресурс особых свойств подшипника и условий его эксплуатации (табл. 70).
Базовый расчетный ресурс подтверждают результатами испытаний подшипника на специальных машинах и в определенных условиях, характеризуемых наличием гидродинамической пленки масла между контактирующими поверхностями колец и отсутствием повышенных перекосов колец подшипника. В реальных условиях эксплуатации возможны отклонения от этих условий, что приближенно и o ценивают коэффициентом а 23 .
При выборе коэффициента а 23 различают следующие условия применения подшипника:
1 - обычные (материал обычной плавкой, наличие перекосов колец, отсутствие надежной гидродинамической пленки масла, наличие в нем инородных частиц);
2 - характеризующиеся наличием упругой гидродинамической пленки масла в контакте колец и тел качения (параметр Δ≥2,5); отсутствие повышенных перекосов в узле; сталь обычного изготовления;
3 - то же, что в п.2, но кольца и тела качения изготовлены из стали электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
Подшипники |
Значения коэффициента а 23 для условий применения |
||
Шариковые (кроме сферических) |
0,7 ... 0,8 |
1,2 ... 1,4 |
|
Роликовые с цилиндрическими роликами, шариковые сферические двухрядные |
0,5 ... 0,6 |
1,0... 1,2 |
|
Роликовые конические |
0,6 ... 0,7 |
1,1 ... 1,3 |
|
Роликовые сферические двухрядные |
0,3 ... 0,4 |
0,8 ... 1,0 |
Машины, оборудование и условия их эксплуатации |
Ресурс, ч |
Приборы и аппараты, используемые периодически (демонстрационная аппаратура, бытовая техника, приборы) |
300 ... 3000 |
Механизмы, используемые в течение коротких периодов времени (сельскохозяйственные машины, подъемные краны в сборочных цехах, легкие конвейеры, строительные машины и механизмы, электрический ручной инструмент) |
3000 ...8000 |
Ответственные механизмы, работающие с перерывами (вспомогательные механизмы на силовых станциях, конвейеры для поточного производства, лифты, нечасто используемые металлообрабатывающие станки) |
8000 ... 12000 |
Машины для односменной работы с неполной нагрузкой (стационарные электродвигатели, редукторы общепромышленного назначения) |
10000 ... 25000 |
Машины, работающие с полной нагрузкой в одну смену (машины общего машиностроения, подъемные краны, вентиляторы, распределительные валы, конвейеры, полиграфическое оборудование) |
25000 |
Машины для круглосуточного использования (компрессоры, шахтные подъемники, стационарные электромашины, судовые приводы, текстильное оборудование) |
≥40000 |
Непрерывно работающие машины с высокой нагрузкой (оборудование бумагоделательных фабрик, энергетические установки, шахтные насосы, оборудование торговых морских судов, карусельные печи) |
100000 |
Здесь Δ - параметр режима смазки - характеризует гидродинамический режим смазки подшипника (относительную толщину смазочной пленки).
Формулы расчета ресурса справедливы при частотах вращения свыше 10об/мин до предельных по каталогу, а также если P r (или P a ), а при переменных нагрузках Р rmax (или P amax ) не превышают 0,5С r (или 0,5Ca).
8. Оценивают пригодность намеченного размера подшипника. Подшипник пригоден, если расчетный ресурс больше или равен требуемому :
L sah ≥L sah ′.
В некоторых случаях в одной опоре устанавливают два одинаковых радиальных или радиально-упорных однорядных подшипника, образующих один подшипниковый узел. При этом пару подшипников рассматривают как один двухрядный подшипник. При определении ресурса по формуле п. 7 вместо Сr подставляют базовую динамическую радиальную грузоподъемность С rсум комплекта из двух подшипников: для шарикоподшипников С rсум =1,625 Сr , для роликоподшипников С rсум =1,714Сr. Базовая статическая радиальная грузоподъемность такого комплекта равна удвоенной номинальной грузоподъемности одного однорядного подшипника C 0rcум =2С 0r .
При определении эквивалентной нагрузки Рr значения коэффициентов X и Y принимают как для двухрядных подшипников: для шарикоподшипников по табл. 64; для роликоподшипников - по табл. 66.
Пример 1. Подобрать подшипники качения для опор выходного вала цилиндрического зубчатого редуктора (рис. 28). Частота вращения вала n=120об/мин. Требуемый ресурс при вероятности безотказной работы 90%: L 10ah ′=25000ч. Диаметр посадочных поверхностей вала d=60мм. Максимальные, длительно действующие силы: F r1max =6400Н, F r2mах =6400Н, F Amax =2900H. Режим нагружения - II(средний равновероятный). Возможны кратковременные перегрузки до 150% номинальной нагрузки. Условия применения подшипников - обычные. Ожидаемая температура работы t p аб =50°С.
Решение. 1. Для переменного типового режима нагружения II коэффициент эквивалентности К E =0,63 (см. п.6).
Вычисляем эквивалентные нагрузки, приводя переменный режим нагружения к эквивалентному постоянному:
F r1 =K E F r1 max =0,63·6400=4032Н;
Рис. 28. Расчетная схема к примеру 1
F r2 =K E F r2max =0,63 ·6400=4032 Н ;
F A =K E F Amax =0,63 ·2900=1827 Н .
2. Предварительно назначаем шариковые радиальные подшипники легкой ce рии 212. Схема установки подшипников: 2а (см. рис. 24) - обе опоры фиксирующие; каждая фиксирует вал в одном направлении.
3. Для принятых подшипников по каталогу находим: С r =52000Н, С оr =31000H, d=60мм, D=110мм, D w =15,88мм.
4. Для радиальных шарикоподшипников из условия равновесия вала следует F a1 =F A =1827Н, F a2 =0. Дальнейший расчет выполняем для более нагруженного подшипника опоры 1.
5. По табл. 58 для отношений D w cosа /Dpw =15,88cos0°/85=0,19 находим значение f 0 =14,2; здесь Dpw =0,5(d+D )=0,5(60+110)=85мм. Далее по табл. 64 определяем значение коэффициента е для отношения f 0 F a1 /С оr =14,2×1827/31000=0,837:е=0,27.
6. Отношение F a /F r =1827/4032=0,45, что больше е=0,27. По табл. 64 для отношения f 0 F a1 /C or =0,837 принимаем Х=0,56, Y=1,64.
7. Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка по формуле (27) при V=1 (вращение внутреннего кольца); К Б =1,4 (см. табл. 69); К Т =1(t раб <100°С)
Рr =(1·0,56·4032+1,64·1827)1,4·1=7356Н.
8. Расчетный скорректированный ресурс подшипника по формуле (31) при а 1 =1 (вероятность безотказной работы 90%, табл. 68), а 23 =0,7 (обычные условия применения, табл. 70), k=3 (шариковый подшипник)
9. Так как расчетный ресурс больше требуемого: L 10ah >L 10ah ′(34344>25000), то предварительно назначенный подшипник 212 пригоден. При требуемом ресурсе надежность выше 90%.
Пример 2. Подобрать подшипники для опор вала редуктора привода цепного конвейера (рис. 29). Частота вращения вала n=200об/мин. Требуемый ресурс при вероятности безотказной работы 90%:
L 10ah ′=20000ч. Диаметр посадочных поверхностей вала d=45мм. Максимальные, длительно действующие силы: F r1max =9820Н, F r2max =8040Н, F Amax =3210Н. Режим нагружения - III (средний нормальный). Возможны кратковременные перегрузки до 150% номинальной нагрузки. Условия применения подшипников обычные. Ожидаемая температура работы t раб =45°С.
Решение. 1. Для переменного типового режима нагружения III коэффициент эквивалентности К E =0,56 (см. п.6).
эквивалентному постоянному:
2. Предварительно назначаем конические роликовые подшипники легкой серии - 7209А. Схема установки подшипников: 2а (см. рис. 24) - обе опоры фиксирующие: каждая фиксирует вал в одном направлении.
R =62700Н, е=0,4, Y=1,5.
4. Минимально необходимые для нормальной работы радиально-упорных подшипников осевые силы:
Рис.29. Расчетная схема к примеру 2
Примем F a1 –F a1min =1826Н; тогда из условия равновесия вала следует: F a2 =F a1 +F A =1826+1798=3624Н, что больше - F a2min =1495Н, следовательно, осевые реакции опор найдены правильно.
5. Отношение F a1 /F r1 =1826/5499=0,33, что меньше е=0,4. Тогда для опоры 1: Х=1, У=0.
Отношение F a2 /F r2 =3624/4502=0,805, что больше е=0,4. Тогда для опоры 2: X=0,4, У=1,5.
6. Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка для подшипников при V=1; К Б =1,4 (см. табл. 69) и К Т =1 (t раб <100°С) в опорах 1 и 2.
7. Для подшипника более нагруженной опоры 2 вычисляем по формуле (31) расчетный скорректированный ресурс при а 1 =1 (вероятность безотказной работы 90%, табл. 68), a 23 =0,6 (обычные условия применения, табл. 70) и k=10/3 (роликовый подшипник)
8. Так как расчетный ресурс больше требуемого: L 10ah >L 10ah ′(21622>20000), то предварительно назначенный подшипник 7209А пригоден. При требуемом ресурсе надежность несколько выше 90%.
Пример 3. Подобрать подшипники для опор вала червяка (рис. 30). Частота вращения вала 920об/мин. Требуемый ресурс при вероятности безотказной работы 90%:
L 10ah ′=2000ч. Диаметр посадочных поверхностей вала d=30мм. Максимальные, длительно действующие силы: F r1 max =1000Н, F r2 max =1200Н, F Amax =2200Н.
Рис. 30. Расчетная схема к примеру 3
Режим нагружения - 0 (постоянный). Возможны кратковременные перегрузки до 150% номинальной нагрузки. Условия применения подшипников - обычные. Ожидаемая температура работы t раб =65°С.
Решение. 1. Для типового режима нагружения 0 коэффициент эквивалентности K E =1,0.
Вычисляем эквивалентные нагрузки:
2. Предварительно назначаем шариковые радиально-упорные подшипники легкой серии - 36206, угол контакта α=12°. Схема установки подшипников: 2а (см. рис. 24) – обе опоры фиксирующие; каждая фиксирует вал в одном направлении.
3. Для принятых подшипников из каталога находим: С r =22000Н, С or =12000Н, d=30мм, D=62мм, D w =9,53мм.
4. Минимально необходимые для нормальной работы радиально-упорных подшипников осевые силы в соответствии с формулами (24), (25):
для опоры 1
Находим осевые силы, нагружающие подшипники.
Примем F a1 =F a1min =347Н, тогда условия равновесия вала следует: F a2 =F a1 +F A =347+2200=2547Н, что больше F a2min =431Н, следовательно, осевые реакции опор найдены правильно.
5. Дальнейший расчет выполняем более нагруженной опоры 2. По табл. для отношения D w cos α/D pw =9,53×cos12°/46=0,2 находим значение f 0 =14 , здесь D pw =0,5(d+D )=0,5(30+62)=46. Далее по табл. 64 определяем значение коэффициента е для отношений f 0 iF a2 /С or =14·1·2547/12000=2,97:е=0,49 (определено линейным интерполировав для промежуточных значений "относительной осевой нагрузки" и угла контакта). Отношение F a2 /F r2 =2547/1200=2,12, что больше е=0,49. Тогда для опоры (табл. 64): Х=0,45; Y=1,11 (определённым линейным интерполированием для значений "относительной осевой нагрузки" 2,1 и угла контакта 12°).
6. Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка по формуле (27) при V=1, К Б =1,3 (см. табл. 69) и К Т =1 (t раб <100°С)
7. Расчетный скорректированный ресурс, при а 1 =1 (вероятность безотказной работы 90%, табл. 68), а 23 =0,7 (обычные условия применения, табл. 70) и k=3 (шариковый подшипник)
8. Так как расчетный ресурс больше требуемого: L 10ah > L10ah′ (2317>2000), то предварительно назначенный подшипник 36206 пригоден. При требуемом ресурсе надежность несколько выше 90%.
Пример 4. Вычислить скорректированный расчетный ресурс роликовых конических подшипников 1027308А фиксирующей опоры вала червяка (рис. 31). Частота вращения вала n=970об/мин. Вероятность безотказной работы 95%. Максимальные, длительно действующие силы: F rmax =3500Н, F Amax =5400Н. Режим нагружения - I(тяжелый). Возможны кратковременные перегрузки до 150% номинальной нагрузки. Условия применения подшипников - обычные. Ожидаемая температура работы t раб =85°С.
Решение. 1. Для переменного типового режима нагружения I коэффициент эквивалентности K E =0,8 (см. п.6).
Вычисляем эквивалентные нагрузки, приводя переменный режим нагружения к эквивалентному постоянному:
2. Для роликоподшипника конического с большим углом конусности - условное обозначение 1027308A- по каталогу С r =69300Н, е=0,83.
3. Подшипниковый узел фиксирующей опоры червяка образуют два одинаковых роликовых радиально-упорных конических подшипника, которые рассматривают как один двухрядный подшипник, нагруженный силами F r и F a =F A . Для комплекта из двух роликоподшипников имеем С r сум =1,714С r =1,714·69300=118780Н.
4. Отношение F a /F r =4320/2800=1,543, что больше е=0,83. Определим значение угла контакта α (табл. 66):
α=arctg (e/1,5)=arctg (0,83/1,5)=28,96°.
Тогда для двухрядного роликового радиально-упорного подшипника:
Х=0,67;
Y=0,67ctgα=0,67ctg28,96º=1,21.
5. Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка по формуле (27) при V=1; К Б =1,4; К Т =1
6. Расчетный скорректированный ресурс а 1 =0,62 (вероятность безотказной работы 95%, табл. 68), а 23 =0,6 (табл. 70) и k=10/3 (роликовый подшипник)
Рис. 31. Расчетная схема к примеру 4
Расчет подшипников на долговечность производится исходя из динамической грузоподъемности.
Динамической грузоподъемностью радиальных и радиально-упорных подшипников называется постоянная радиальная нагрузка, которую подшипник с неподвижным наружным кольцом может выдержать в течении расчетного срока службы, исчисляемого в 1млн. оборотов внутреннего кольца.
Динамической грузоподъемностью упорных и упорно-радиальных подшипников называется постоянная центральная осевая нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение расчетного срока службы, исчисляемого в 1 млн. оборотов одного из колец подшипников.
Под расчетным сроком службы понимают срок службы партии подшипников, в которых не менее 90% одинаковых подшипников, при одной и той же нагрузке в частоте вращения должны отработать без появления на рабочих поверхностях раковин и отслаивания.
Зависимость между номинальной долговечностью (расчетным сроком службы), динамической грузоподъемностью и действующей на подшипник нагрузкой определяется формулой:
где С - динамическая грузоподъемность по каталогу, Н;
р - показатель степени (для шарикоподшипников р=3 , для роликоподшипниковр=10/3 ).
Номинальная долговечность в часах:
Эквивалентная нагрузка для радиальных шарикоподшипников в радиально-упорных шарико- и роликоподшипников:
для роликоподшипников:
для упорных подшипников:
где V - коэффициент вращения;
при вращении внутреннего кольца V =1 , при вращении наружного V = 1,2; F
F a – осевая;
К б – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки на подшипник (табл. 4);
К t – температурный коэффициент, учитывающий рабочую температуру нагрева подшипника, если она превышает 100°С (табл. 5);
X, У - коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (табл. 6).
Коэффициенты безопасности
Таблица 4
Температурный коэффициент
Таблица 5
К t |
Рабочая температура подшипника, С˚ |
К t |
|
Значение коэффициентов радиальной X и осевой y нагрузок для однорядных подшипников
Таблица 6
Тип подшипника |
Угол контакта, α˚ |
|
|
е |
|||
X |
Y |
X |
Y |
||||
Шариковые радиальные | |||||||
Роликовые конические | |||||||
Шариковые упорно-радиальные | |||||||
Роликовые упорно-радиальные | |||||||
Шариковые радиально-упорные | |||||||
Шариковые радиально-упорные | |||||||
Грузоподъемности. Частные случаи определения эквивалентной
Подбор подшипников качения по статической и динамической
Основными критериями работоспособности подшипников качения являются долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям. Расчет на долговечность выполняют для подшипников, вращающихся с угловой скоростью ω≥0,105 рад/с. Невращающиеся или медленно вращающиеся подшипники (с угловой скоростью ω<0,105) рассчитывают на статическую грузоподъемность.
Проверка и подбор подшипников по статической грузоподъемности.
Если подшипник воспринимает нагрузку находясь в неподвижном состоянии или вращаясь с частотой менее 1 об/мин, то подшипник выбирают по статической грузоподъемности, поскольку при указанном режиме работы исключается усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел и дорожек качения.
Условие проверки:
Р о < С о,
где Р о - эквивалентная статическая нагрузка;
С о - статическая грузоподъемность (по каталогу на подшипники).
Под статической грузоподъемностью понимают такую статическую нагрузку, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения.
Р о = X 0 ∙F r + Y 0 ∙F a ,
где Х о и Y o - коэффициенты радиальной и осевой статических нагрузок
(по каталогу).
Выбор подшипников по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения.
Динамическая грузоподъемность и долговечность (ресурс) подшипника
связаны эмпирической зависимостью
где L-ресурс в млн. оборотах;
С - паспортная динамическая грузоподъемность подшипника - это такая постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение одного млн. оборотов без появления признаков усталости не менее чем у 90% из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям. Значения С приведены в каталогах;
р - показатель степени кривой усталости (р=3 - для шариковых подшипников, р=10/3 - для роликовых.
Р - эквивалентная (расчетная) динамическая нагрузка на подшипник. Для перехода от количества млн. оборотов в ресурс в часах запишем:
L h = 10 6 ∙L/(60∙n), ч.
Для радиальных шариковых и радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников эквивалентную нагрузку определяют по формуле:
Р = (X∙V∙F r + Y∙F a)∙K b ∙K T ,
где F r и F a - радиальная и осевая нагрузки на подшипник;
V- коэффициент вращения кольца (V =1 при вращении внутреннего кольца, V =1,2 - при вращении наружного кольца);
К б - коэффициент безопасности, учитывающий характер внешних нагрузок;
К т - температурный коэффициент;
X и Y - коэффициенты соответственно радиальной и осевой нагрузок.
Для подшипников с цилиндрическими роликами формула для определения эквивалентной динамической нагрузки имеет вид:
Р = F r ∙V∙K b ∙K T .
Значения коэффициентов X и Yберут в зависимости от значения отношения F a / V∙F r . Осевая сила не оказывает влияния на величину эквивалентной нагрузки до тех пор, пока величина отношения не превысит определенного значения коэф-фициента влияния осевого нагружения e . Поэтому при F a /V∙F r ≤ e расчет ведут на действие только радиальной нагрузки, т.е. X=l, Y=0 . Если F a /V∙F r >e, то X и Y берут в справочниках для конкретного подшипника. Нужно отметить, что коэффициент е для роликовых конических и шариковых радиально-упорных подшипников с углами контакта α>18° постоянен для конкретного подшипника независимо от нагрузки, а для шариковых однорядных подшипников с углом контакта 18° и меньше выбирается в зависимости от соотношения F x /C 0 . Здесь С о - статическая грузоподъемность подшипника.
В радиально упорном подшипнике от действия радиальной силы возникает дополнительная осевая нагрузка S. Ее значение для шариковых радиально-упорных подшипников определяется S=e∙F r , а для конических роликоподшипников - S=0,83∙e∙F r . Выше отметили, что радиально-упорные подшипники устанавливают попарно. Существует несколько схем установки. Рассмотрим наиболее часто встречающуюся схему - установку подшипников с осевой фиксацией «враспор».
Рисунок 68
Торцы внутренних колец подшипников упираются в буртики вала, аторцы наружных колец - на элементы корпуса агрегата. Обозначим полные осевые нагрузки на подшипники через F a 1 и F a 2 . Эти силы с одной стороны не могут быть меньше осевых составляющих от радиальных сил, т.е.
F al ≥S 1 , F a 2 ≥S a 2
В то же время они должны быть не менее суммарных внешних осевых нагрузок на подшипники:
F a1 ≥F x + S 2 , F a2 ≥S 1 -F x .
Очевидно то, что большее значение из двух удовлетворяет оба неравенства.
Расчет подшипников качения на долговечность проводят в следующей последовательности:
Определяют радиальные опорные реакции для каждой опоры;
Выбирают схему расположения и тип подшипника исходя из условий работы, действующих нагрузок;
По посадочному диаметру вала выбирают конкретный подшипник по каталогу и выписывают d, D, С, С о, X, Y, е;
Определяют эквивалентную динамическую нагрузку на подшипники:
Р = (X∙V∙F r + Y∙F a)∙K b ∙K T ;
Определяют расчетную долговечность наиболее нагруженного подшипника:
L h = (С/Р) р ∙10 6 /(60∙n), час.
и сравнивают с требуемой долговечностью. Если L h < L h треб то можно:
а) сменить подшипник на более тяжелую серию;
б) сменить тип подшипника на более грузоподъемный;
в) увеличить диаметр вала;
г) предусмотреть меньший срок службы и замену подшипника.
Проверка и подбор подшипников по статической грузоподъемности.
Динамической нагрузки на подшипники
Грузоподъемности. Частные случаи определения эквивалентной
Подбор подшипников качения по статической и динамической
Вопрос 18
Основными критериями работоспособности подшипников качения являются долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям. Расчет на долговечность выполняют для подшипников, вращающихся с угловой скоростью ω≥0,105 рад/с. Невращающиеся или медленно вращающиеся подшипники (с угловой скоростью ω<0,105) рассчитывают на статическую грузоподъемность.
Если подшипник воспринимает нагрузку находясь в неподвижном состоянии или вращаясь с частотой менее 1 об/мин, то подшипник выбирают по статической грузоподъемности, поскольку при указанном режиме работы исключается усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел и дорожек качения.
Условие проверки:
Р о < С о,
где Р о - эквивалентная статическая нагрузка;
С о - статическая грузоподъемность (по каталогу на подшипники).
Под статической грузоподъемностью понимают такую статическую нагрузку, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения.
Р о = X 0 ∙F r + Y 0 ∙F a ,
где Х о и Y o - коэффициенты радиальной и осевой статических нагрузок
(по каталогу).
Динамическая грузоподъемность и долговечность (ресурс) подшипника
связаны эмпирической зависимостью
где L-ресурс в млн. оборотах;
С - паспортная динамическая грузоподъемность подшипника - это такая постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение одного млн. оборотов без появления признаков усталости не менее чем у 90% из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям. Значения С приведены в каталогах;
р - показатель степени кривой усталости (р=3 - для шариковых подшипников, р=10/3 - для роликовых.
Р - эквивалентная (расчетная) динамическая нагрузка на подшипник. Для перехода от количества млн. оборотов в ресурс в часах запишем:
L h = 10 6 ∙L/(60∙n), ч.
Для радиальных шариковых и радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников эквивалентную нагрузку определяют по формуле:
Р = (X∙V∙F r + Y∙F a)∙K b ∙K T ,
где F r и F a - радиальная и осевая нагрузки на подшипник;
V- коэффициент вращения кольца (V =1 при вращении внутреннего кольца, V =1,2 - при вращении наружного кольца);
К б - коэффициент безопасности, учитывающий характер внешних нагрузок;
К т - температурный коэффициент;
X и Y - коэффициенты соответственно радиальной и осевой нагрузок.
Для подшипников с цилиндрическими роликами формула для
определения эквивалентной динамической нагрузки имеет вид:
Р = F r ∙V∙K b ∙K T .
Значения коэффициентов X и Yберут в зависимости от значения отношения F a / V∙F r . Осевая сила не оказывает влияния на величину эквивалентной нагрузки до тех пор, пока величина отношения не превысит определенного значения коэф-фициента влияния осевого нагружения e . Поэтому при F a /V∙F r ≤ e расчет ведут на действие только радиальной нагрузки, т.е. X=l, Y=0 . Если F a /V∙F r >e, то X и Y берут в справочниках для конкретного подшипника. Нужно отметить, что коэффициент е для роликовых конических и шариковых радиально-упорных подшипников с углами контакта α>18° постоянен для конкретного подшипника независимо от нагрузки, а для шариковых однорядных подшипников с углом контакта 18° и меньше выбирается в зависимости от соотношения F x /C 0 . Здесь С о - статическая грузоподъемность подшипника.
В радиально упорном подшипнике от действия радиальной силы возникает дополнительная осевая нагрузка S. Ее значение для шариковых радиально-упорных подшипников определяется S=e∙F r , а для конических роликоподшипников - S=0,83∙e∙F r . Выше отметили, что радиально-упорные подшипники устанавливают попарно. Существует несколько схем установки. Рассмотрим наиболее часто встречающуюся схему - установку подшипников с осевой фиксацией «враспор».
Торцы внутренних колец подшипников упираются в буртики вала, аторцы наружных колец - на элементы корпуса агрегата. Обозначим полные осевые нагрузки на подшипники через F a 1 и F a 2 . Эти силы с одной стороны не могут быть меньше осевых составляющих от радиальных сил, т.е.
F al ≥S 1 , F a 2 ≥S a 2
В то же время они должны быть не менее суммарных внешних осевых нагрузок на подшипники:
F a1 ≥F x + S 2 , F a2 ≥S 1 -F x .
Очевидно то, что большее значение из двух удовлетворяет оба неравенства.
Расчет подшипников качения на долговечность проводят в следующей последовательности:
Определяют радиальные опорные реакции для каждой опоры;
Выбирают схему расположения и тип подшипника исходя из условий работы, действующих нагрузок;
По посадочному диаметру вала выбирают конкретный подшипник по каталогу и выписывают d, D, С, С о, X, Y, е;
Определяют эквивалентную динамическую нагрузку на подшипники:
Р = (X∙V∙F r + Y∙F a)∙K b ∙K T ;
Определяют расчетную долговечность наиболее нагруженного подшипника:
L h = (С/Р) р ∙10 6 /(60∙n), час.
и сравнивают с требуемой долговечностью. Если L h < L h треб то можно:
а) сменить подшипник на более тяжелую серию;
б) сменить тип подшипника на более грузоподъемный;
в) увеличить диаметр вала;
г) предусмотреть меньший срок службы и замену подшипника.