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Guida sui carichi sui cuscinetti
Il carico del cuscinetto è strettamente correlato alla durata e alle prestazioni operative del cuscinetto. Comprendere i carichi sui cuscinetti è fondamentale quando si progettano nuove applicazioni, si adattano quelle esistenti e soprattutto quando si analizzano le cause di cedimento e cedimento dei cuscinetti. Se si sceglie un cuscinetto con una capacità di carico insufficiente si possono verificare usura prematura, surriscaldamento e conseguenze catastrofiche.
In poche parole, il carico sul cuscinetto è la quantità di forza o pressione esercitata sul cuscinetto. Il carico sul cuscinetto è definito come la forza trasmessa da un anello del cuscinetto a un altro attraverso alcuni o tutti gli elementi volventi. I carichi applicati vengono generalmente trasferiti all'albero, quindi all'anello interno del cuscinetto e infine all'anello esterno del cuscinetto. L'entità e la direzione dei carichi sui cuscinetti dipendono da una varietà di fattori, tra cui il peso della macchina, la velocità operativa, l'accelerazione, la decelerazione, gli urti, le vibrazioni, la temperatura e lubrificazione. Anche un allineamento, un'installazione o una manutenzione non corretti possono influire sui carichi sui cuscinetti. I carichi sui cuscinetti supportano molte combinazioni diverse, ma la maggior parte dei tipi di carichi applicati può essere ridotta ai seguenti quattro tipi principali:
Carico radiale
Carico sull'asse
Precaricato
Carico centrifugo
Questo articolo discuterà di questi quattro tipi di carichi applicati, di come influiscono sulla durata dei cuscinetti e della selezione di quale cuscinetto può supportare al meglio il carico applicato appropriato.
Carico radiale del cuscinetto
Il carico radiale del cuscinetto è la forza che agisce sull'anello esterno del cuscinetto perpendicolarmente all'asse dell'albero. Esempi tipici di carichi radiali sui cuscinetti sono il peso di gruppi di alberi orizzontali, ingranaggi, pulegge o utensili da taglio. Durante il funzionamento, il gruppo albero spinge radialmente l'anello interno del cuscinetto e trasmette il carico all'anello esterno del cuscinetto attraverso gli elementi volventi. I carichi radiali generalmente non trasmettono le forze agli elementi volventi in modo uguale ed uniforme. Ecco perché quando guardi un carico, vedi una distribuzione della forza a forma di curva a campana. L'elemento volvente direttamente sottoposto al carico applicato è quello che sopporta le forze maggiori. Ciascun elemento volvente successivo trasferisce quindi carichi sempre più piccoli da una direzione all'altra. Per calcolare la capacità di carico radiale di un cuscinetto è necessario determinare il peso sostenuto e le forze che agiscono su di esso. Per distribuire il carico tra i cuscinetti, assicurarsi che i carichi calcolati rientrino nella capacità di carico massima del cuscinetto selezionato secondo le specifiche del produttore. Se l'applicazione impone carichi radiali sui cuscinetti, i cuscinetti radiali a sfere o i cuscinetti a contatto angolare sarebbero una buona opzione.
Carico assiale del cuscinetto
Il carico assiale del cuscinetto è una forza parallela all'asse dell'albero, che agisce sull'anello interno o esterno del cuscinetto, talvolta chiamato carico assiale. In genere troverai carichi assiali direttamente allineati con l'albero, proprio come una punta da trapano. I carichi assiali sono causati da spinta o tensione e possono essere unidirezionali o bidirezionali. Altre volte, i carichi assiali possono essere carichi di reazione sfalsati rispetto all'asse dell'albero, come nel caso degli ingranaggi conici. I carichi assiali trasferiscono le forze agli elementi volventi in modo uguale e uniforme, determinando una distribuzione equilibrata del carico. In genere vedrai la forza su ciascuna palla distribuita uniformemente. Poiché la sfera entra in contatto con la pista ad angolo, la forza risultante si irradierà verso l'esterno e in linea con l'asse del cuscinetto. Se la vostra applicazione impone carichi assiali sul cuscinetto, un cuscinetto a contatto angolare con un angolo di contatto più elevato (circa 25°) sarebbe una buona opzione. Tuttavia, con carichi assiali sfalsati, vengono esercitati momenti di forza sull'anello interno, con conseguente distribuzione non uniforme del carico sugli elementi volventi del cuscinetto. Per calcolare la capacità di carico assiale, considerare le dimensioni, il materiale e la geometria del cuscinetto, nonché la direzione e l'entità del carico. I produttori valutano i cuscinetti in base a formule e test standardizzati. Le applicazioni con carichi assiali elevati includono pompe, trasmissioni automobilistiche e compressori.
Precarico del cuscinetto
Il precarico del cuscinetto è un tipo speciale di carico assiale del cuscinetto (o carico di spinta). Il precarico del cuscinetto è il carico predeterminato applicato al cuscinetto e deve essere separato dal carico applicato. L'aggiunta del precarico dei cuscinetti crea una sinergia ottimale tra gli elementi volventi e le piste dei cuscinetti. Il ruolo della forza di precarico del cuscinetto:
Evitare uno scivolamento eccessivo
Aumenta la rigidità, riduce le vibrazioni e l'attrito radente
Elevata precisione operativa – anche in condizioni di carico variabili
Aumentare la capacità di carico
In generale, se si sta progettando un'applicazione ad alta velocità, prendere in considerazione l'utilizzo di un precarico leggero sui cuscinetti a contatto angolare. Aubearing consiglia i nostri cuscinetti a contatto angolare SM o i cuscinetti a contatto angolare KH. D'altro canto, se si sta progettando un'applicazione che richiede rigidità e precisione rigorose, è possibile prendere in considerazione l'applicazione di un precarico medio o pesante al cuscinetto a contatto angolare. Aubearing consiglia la nostra serie di cuscinetti a contatto angolare S.
Carico centrifugo del cuscinetto
I carichi centrifughi sui cuscinetti derivano dalla velocità di rotazione (RPM) dell'applicazione, in particolare applicazioni ad alta velocità come turbine e centrifughe. Le applicazioni ad alta velocità creano forti carichi centrifughi, che sono uno dei fattori che influenzano la capacità dell'applicazione di raggiungere la velocità massima. Quando gli elementi volventi dell'anello interno ruotano, vogliono muoversi tangenzialmente lungo un percorso rettilineo, ma l'anello esterno deve costringerli a seguire l'arco del cuscinetto. Questa interazione crea carichi radiali centrifughi. La forza centrifuga è la forza che un oggetto che si muove lungo un percorso curvo percepisce verso l'esterno lontano dal centro di rotazione. Durante la rotazione del cuscinetto, l’interazione tra gli elementi volventi e l’anello esterno genera carichi radiali centrifughi, come segue:
L'anello interno fa ruotare gli elementi volventi
Un elemento rotolante che segue il movimento desidera continuare a muoversi rettilineo lungo un percorso tangente all'arco di rotazione
L'anello esterno deve costringere gli elementi volventi a continuare a muoversi lungo l'arco del cuscinetto
Il carico centrifugo è molto importante nella scelta dei cuscinetti appropriati poiché influisce sulla durata del cuscinetto. Se l'applicazione richiede un'elevata velocità, prendere in considerazione l'utilizzo di un cuscinetto a contatto angolare con sfere più piccole, come la serie KH di Aubearing. Un'altra opzione è passare dalle sfere in acciaio con cuscinetti a sfere in ceramica. Sfere più piccole e/o più leggere riducono la massa rotante e quindi il carico centrifugo applicato.
Extra: pressione di contatto hertziana
Come già detto, tutti i carichi di cui abbiamo parlato derivano dalle forze di contatto che vengono trasmesse da un anello del cuscinetto all'altro attraverso gli elementi volventi. Ma ciò che non abbiamo menzionato è che questa forza di contatto crea pressione nel punto in cui gli elementi volventi spingono contro la pista; questo è chiamato pressione di contatto hertziana o stress hertziano. La pressione di contatto hertziana è un importante fattore di riferimento nel determinare la quantità e il tipo di carico che un cuscinetto può sopportare. La capacità di un cuscinetto di sopportare un carico dipende da quanto la pressione di contatto hertziana è vicina al limite di sollecitazione del cuscinetto. Più il cuscinetto è vicino al limite di sollecitazione, minore è il tempo necessario affinché il cuscinetto subisca una deformazione plastica.
Ad esempio per l'acciaio AISI 52100 cuscinetti a sfera, il limite di sollecitazione generalmente accettato è 4,200 MPa. Aubearing ritiene che la pressione di contatto hertziana delle sfere di acciaio sia superiore a 1,500 MPa e quella delle sfere di ceramica sia superiore a 1,800 MPa, il che è sufficiente per avvicinarsi al limite di sollecitazione e quindi avere un impatto significativo sulla durata complessiva dell'applicazione. Se l'applicazione presenta uno stress hertz elevato, potrebbero essere necessarie modifiche all'applicazione per ridurre lo stress. Alcune soluzioni potrebbero consistere nel modificare le dimensioni dei cuscinetti, nell'utilizzare sfere in ceramica o nell'aggiungere cuscinetti al sistema per aiutare a distribuire il carico.
Calcolare i carichi sui cuscinetti
La capacità di carico del cuscinetto può essere calcolata utilizzando una varietà di formule e programmi software, compresi quelli del produttore del cuscinetto. Sommario, calcolatori online e analisi degli elementi finiti (FEA) simulazioni. Le formule di carico radiale e assiale più comunemente utilizzate sono:
Capacità di carico radiale = (C/P)^(1/3) x Fr
Capacità di carico assiale = (C0/P)^(1/2) x Fa
Nella formula, C è il coefficiente di carico dinamico di base, P è il carico dinamico equivalente del cuscinetto, C0 è il coefficiente di carico statico di base, Fr è il carico radiale e Fa è il carico assiale. Per ottenere risultati accurati nel calcolo della capacità di carico del cuscinetto, chiedere il parere di un esperto o utilizzare un programma software fornito dal produttore del cuscinetto.
La scelta di cuscinetti con sufficiente capacità di carico centrifugo è fondamentale per le applicazioni ad alta velocità per evitare guasti prematuri. I carichi centrifughi possono causare deformazioni, vibrazioni e fatica dei cuscinetti. Per calcolare la capacità di carico centrifugo, utilizzare formule e programmi software come quelli forniti dal produttore. Sommario, calcolatori online e simulazioni FEA. La formula più comune è: capacità di carico centrifugo = (C0/P) x V^2 x 10^-9. dove C0 è il coefficiente di carico statico di base, P è il carico dinamico equivalente del cuscinetto e V è la velocità del cuscinetto in giri/min.
Carico nominale del cuscinetto
Esprimiamo sempre il coefficiente di carico di un cuscinetto in Kgf (chilogrammo forza). Questa è la forza esercitata da un chilogrammo di massa sulla superficie terrestre. Altrove, potresti vedere le forze espresse in Newton. Newton è definito come la forza che accelera un chilogrammo di massa di un metro al secondo (o 1 m/s²). Poiché la gravità sulla superficie terrestre è 9.80665 m/s², 1 Kgf = 9.80665 Newton, ma per semplicità diciamo 1 Kgf = 10 Newton.
Carico radiale dinamico nominale
La definizione ufficiale di coefficiente di carico radiale dinamico è: “un carico radiale statico costante al quale il 90% di un set di cuscinetti identici in acciaio al cromo (con solo l'anello interno rotante) può sopportare un milione di giri prima di mostrare segni di fatica”. Un milione di giri sembra un numero elevato, ma controlliamo di nuovo. Se funzionassero a circa 10,000 giri al minuto (rpm) con il massimo carico dinamico applicato, i cuscinetti durerebbero solo un'ora e mezza (circa 100 minuti). Questi numeri vengono utilizzati per calcolare la durata nominale, ma i cuscinetti non dovrebbero essere soggetti a carichi simili nelle normali applicazioni a meno che non si preveda che durino molto a lungo. Se è necessaria una lunga durata, è meglio limitare il carico effettivo tra il 6% e il 12% del coefficiente di carico dinamico del cuscinetto. Può sopportare carichi più pesanti, ma la vita sarà ridotta. AISI440C/KS440 cuscinetti in acciaio inossidabile supporterà circa l'80% – 85% del carico del cuscinetto in acciaio al cromo. Il coefficiente di carico di un cuscinetto reggispinta si basa su un carico assiale costante per un milione di giri. Il team di esperti di Aubearing può aiutare a fornire dati sulla valutazione della durata per una varietà di cuscinetti diversi.
Carico radiale statico nominale
Il coefficiente di carico radiale statico è il carico radiale puro (o carico assiale per i cuscinetti reggispinta) che provoca la completa deformazione permanente della sfera o della pista. Carichi statici vicini a questo numero possono essere sopportabili per alcune applicazioni, ma non dove è richiesta morbidezza o precisione. Il coefficiente di carico statico dei cuscinetti in acciaio inossidabile è circa dal 75% all'80% del coefficiente di carico dei cuscinetti in acciaio al cromo. La capacità di carico dei cuscinetti può essere limitata dal lubrificante. Alcuni lubrificanti sono adatti solo per carichi leggeri, mentre altri sono progettati per applicazioni con carichi elevati. I cuscinetti a pieno riempimento hanno coefficienti di carico più elevati. La capacità di carico assiale dei cuscinetti radiali a sfere può essere aumentata specificando un gioco radiale libero.
Carico assiale nominale
I tipi di cuscinetti per carichi pesanti come le serie 6200 o 6300 possono sopportare carichi assiali fino al 50% del carico radiale statico nominale. A causa delle piste poco profonde, i cuscinetti a sfere con gola profonda a sezione sottile possono sopportare solo carichi assiali compresi tra il 10% e il 30% del carico radiale statico nominale del cuscinetto. Si noti che questi numeri si basano su carichi puramente assiali. Carichi o momenti radiali aggiuntivi (carichi di disallineamento) avranno un impatto sulla capacità di carico assiale. Il superamento dei limiti totali consigliati per i carichi combinati influirà negativamente sulla durata dei cuscinetti. I cuscinetti a sfere a pieno riempimento hanno scanalature di riempimento lavorate sugli anelli interno ed esterno. Questa scanalatura interferisce con la rotazione della sfera sotto carichi assiali, pertanto si sconsiglia l'uso di cuscinetti a pieno riempimento sotto carichi assiali.
Effetto del carico del cuscinetto sulla vita
La scelta dei cuscinetti giusti con un'adeguata capacità di carico è fondamentale per il funzionamento efficiente e la durata dei macchinari. Una capacità insufficiente può portare a guasti prematuri, tempi di inattività, riparazioni e rischi per la sicurezza, mentre un carico eccessivo può portare a surriscaldamento, usura e aumento del consumo di energia. Una capacità di carico errata può portare a guasti catastrofici, rischi per la sicurezza e costosi tempi di inattività. Consultare un esperto o un produttore di cuscinetti per garantire la capacità adeguata alla propria applicazione.
La durata a fatica di base, nota come L10, viene calcolata come il numero di giri al quale il 90% di tutti i cuscinetti di un gruppo specifico raggiunge o supera il tempo calcolato fino al cedimento (probabilità di cedimento: 10%). Cerca la capacità dinamica del cuscinetto in un catalogo, stima il carico radiale e la velocità di rotazione e puoi calcolarne una tua Durata dei cuscinetti L10. Il calcolo della durata L10 indica la durata del cuscinetto nelle condizioni operative con una precisione del 90%.
Pertanto, i carichi vengono solitamente ottenuti moltiplicando i valori teorici per vari fattori nel tempo. C'è molta matematica coinvolta, ma puoi trovare le informazioni sul sito web di Aubearing.
Scegli il cuscinetto giusto
Quando si scelgono i cuscinetti, considerare i requisiti dell'applicazione, il tipo di carico, la velocità, l'ambiente e la temperatura. I cuscinetti a sfere sono adatti per carichi da bassi a medi, mentre i cuscinetti a rulli sono adatti per carichi più elevati. I cuscinetti radenti sono adatti per macchinari a bassa velocità e carichi elevati. Mantenere i cuscinetti mediante ispezione, pulizia e lubrificazione regolari per garantire prestazioni e durata di servizio ottimali. Esistono diverse cose che i produttori possono fare per garantire che i loro cuscinetti abbiano una durata operativa lunga e di successo. Il primo passo è limitare i carichi radiali tra il 6% e il 12% del coefficiente di carico dinamico del cuscinetto. Sebbene i cuscinetti possano sopportare carichi più elevati, la loro durata è ridotta.
Il passo successivo è scegliere il materiale giusto. L’esperienza di Aubearing come specialista in cuscinetti miniaturizzati e in ceramica a sezione sottile, resistenti alla corrosione. Anche la scelta del giusto tipo di cuscinetto può fare la differenza. Sebbene tutti i cuscinetti radiali a sfere abbiano una certa capacità di carico assiale, se sono presenti carichi assiali maggiori, di solito è meglio utilizzare cuscinetti per carichi pesanti con piste profonde, poiché questi cuscinetti possono sopportare carichi assiali fino al 50% del carico radiale statico. Indice di carico.
Sebbene i cuscinetti a pareti sottili (dove la differenza tra i diametri interno ed esterno del cuscinetto è piccola) sono ottimi per la compattezza e il risparmio di peso. Poiché le piste sono poco profonde, possono supportare solo carichi assiali compresi tra il 10% e il 30% del carico radiale statico nominale del cuscinetto. Ulteriori carichi radiali o momenti ridurranno ulteriormente le capacità di carico di spinta. Carichi assiali eccessivi sui cuscinetti a pareti sottili possono far sì che le sfere si avvicinino pericolosamente alla parte superiore della pista. Selezionando il giusto tipo di cuscinetto e considerando i fattori chiave che controllano i carichi radiali e di spinta, gli ingegneri possono garantire di continuare a innovare offrendo allo stesso tempo i massimi livelli di precisione, scorrevolezza e durata dei cuscinetti.
Conclusione
Per selezionare il cuscinetto corretto per un'applicazione, è fondamentale comprendere i carichi sui cuscinetti. I carichi radiali, assiali e centrifughi determinano la capacità di carico adeguata. Aubearing offre un'ampia gamma di cuscinetti adatti a diverse condizioni e applicazioni, oltre a prodotti di alta qualità e consulenza di esperti. Aubearing produce principalmente cuscinetti a sfere e cuscinetti a rulli per l'utilizzo in vari settori negli Stati Uniti e in tutto il mondo.
I nostri cuscinetti di livello industriale non solo devono garantire una lunga durata operativa in base agli standard di fatica da rotolamento, ma devono anche essere tenuti insieme strutturalmente per proteggerli da urti, sovraccarichi e occasionali escursioni ad alta velocità. A tal fine, il design di ogni cuscinetto è ottimizzato, compresi i nostri cuscinetti di grande diametro.