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Orientação sobre cargas de rolamento
A carga do rolamento está intimamente relacionada à vida útil e ao desempenho de trabalho do rolamento. Compreender as cargas dos rolamentos é fundamental ao projetar novas aplicações, adaptar as existentes e, especialmente, ao analisar as causas de falhas e falhas dos rolamentos. Se um rolamento for selecionado com capacidade de carga insuficiente, isso poderá causar desgaste prematuro, superaquecimento e consequências catastróficas.
Simplificando, a carga do rolamento é a quantidade de força ou pressão exercida sobre o rolamento. A carga do rolamento é definida como a força transmitida de um anel do rolamento para outro através de alguns ou todos os elementos rolantes. As cargas aplicadas são normalmente transferidas para o eixo, depois para o anel interno do rolamento e, finalmente, para o anel externo do rolamento. A magnitude e a direção das cargas do rolamento dependem de vários fatores, incluindo peso da máquina, velocidade operacional, aceleração, desaceleração, choque, vibração, temperatura e lubrificação. Alinhamento, instalação ou manutenção inadequados também podem afetar as cargas dos rolamentos. As cargas dos rolamentos suportam muitas combinações diferentes, mas a maioria dos tipos de cargas aplicadas pode ser resumida nos seguintes quatro tipos principais:
Carga radial
Carga do eixo
Pré-carregado
Carga centrífuga
Este artigo discutirá esses quatro tipos de cargas aplicadas, como elas afetam a vida útil do rolamento e a seleção de qual rolamento pode suportar melhor a carga aplicada apropriada.
Carga radial do rolamento
A carga radial do rolamento é a força que atua no anel externo do rolamento perpendicular ao eixo do eixo. Exemplos típicos de cargas radiais em rolamentos são o peso de conjuntos de eixos horizontais, engrenagens, polias ou ferramentas de corte. Ao trabalhar, o conjunto do eixo empurra radialmente o anel interno do rolamento e transmite a carga para o anel externo do rolamento através dos corpos rolantes. As cargas radiais geralmente não transmitem forças aos corpos rolantes de maneira igual e uniforme. É por isso que quando olhamos para uma carga, vemos uma distribuição de força em forma de curva em sino. O corpo rolante que está diretamente sujeito à carga aplicada é aquele que suporta as maiores forças. Cada elemento rolante sucessivo transfere cargas cada vez menores em uma direção para a outra. Para calcular a capacidade de carga radial de um rolamento, é necessário determinar o peso suportado e as forças que atuam sobre ele. Para distribuir a carga entre os rolamentos, certifique-se de que as cargas calculadas estejam dentro da capacidade de carga máxima do rolamento selecionado de acordo com as especificações do fabricante. Se a aplicação impor cargas radiais aos rolamentos, rolamentos radiais de esferas ou rolamentos de contato angular seriam uma boa opção.
Carga axial do rolamento
A carga axial do rolamento é uma força paralela ao eixo do eixo, agindo no anel interno ou externo do rolamento, às vezes chamada de carga axial. Normalmente você encontrará cargas axiais diretamente alinhadas com o eixo, como uma broca. As cargas axiais são causadas por impulso ou tensão e podem ser unidirecionais ou bidirecionais. Outras vezes, as cargas axiais podem ser cargas de reação desviadas do eixo do eixo, como no caso de engrenagens cônicas. As cargas axiais transferem forças para os corpos rolantes de maneira igual e uniforme, resultando em uma distribuição de carga equilibrada. Normalmente você verá a força em cada bola sendo distribuída uniformemente. Como a esfera entra em contato com a pista em um ângulo, a força resultante irradiará para fora e alinhada com o eixo do rolamento. Se sua aplicação impõe cargas axiais ao rolamento, um rolamento de contato angular com um ângulo de contato mais alto (aproximadamente 25°) seria uma boa opção. No entanto, com cargas axiais deslocadas, forças de momento são exercidas no anel interno, resultando em distribuição desigual de carga nos elementos rolantes do rolamento. Para calcular a capacidade de carga axial, considere o tamanho, o material e a geometria do rolamento, bem como a direção e magnitude da carga. Os fabricantes classificam os rolamentos com base em fórmulas e testes padronizados. As aplicações com altas cargas axiais incluem bombas, transmissões automotivas e compressores.
Pré-carga do rolamento
A pré-carga do rolamento é um tipo especial de carga axial do rolamento (ou carga axial). A pré-carga do rolamento é a carga predeterminada aplicada ao rolamento e deve ser separada da carga aplicada. Adicionar pré-carga do rolamento cria uma sinergia ideal entre os elementos rolantes e as pistas do rolamento. O papel da força de pré-carga:
Evite escorregões excessivos
Aumentar a rigidez, reduzir a vibração e o atrito deslizante
Alta precisão operacional – mesmo com condições de carga variáveis
Aumentar a capacidade de carga
Em geral, se você estiver projetando uma aplicação de alta velocidade, considere usar pré-carga leve em rolamentos de contato angular. A Aubering recomenda nossos rolamentos de contato angular SM ou rolamentos de contato angular KH. Por outro lado, se você estiver projetando uma aplicação que exija rigidez e precisão rigorosas, poderá considerar a aplicação de pré-carga média ou pesada ao rolamento de contato angular. Aubearing recomenda nossa série de rolamentos de contato angular S.
Carga centrífuga de rolamento
As cargas centrífugas dos rolamentos surgem da velocidade de rotação (RPM) da aplicação, especialmente aplicações de alta velocidade, como turbinas e centrífugas. Aplicações de alta velocidade criam fortes cargas centrífugas, que são um dos fatores que afetam a capacidade da aplicação de atingir sua velocidade máxima. À medida que os elementos rolantes do anel interno giram, eles desejam se mover tangencialmente ao longo de um caminho reto, mas o anel externo deve forçá-los a seguir o arco do rolamento. Essa interação cria cargas radiais centrífugas. A força centrífuga é a força que um objeto que se move ao longo de uma trajetória curva sente para fora do centro de rotação. Durante a rotação do rolamento, a interação entre os corpos rolantes e o anel externo gera cargas radiais centrífugas, conforme segue:
O anel interno gira os elementos rolantes
Um elemento rolante que segue o movimento deseja continuar se movendo em linha reta ao longo de uma trajetória tangente ao arco de rotação
O anel externo deve forçar os corpos rolantes a continuarem se movendo ao longo do arco do rolamento
A carga centrífuga é muito importante na seleção de rolamentos apropriados, pois afeta a vida útil do rolamento. Se a aplicação exigir alta velocidade, considere usar um rolamento de contato angular com esferas menores, como a série KH da Aubearing. Outra opção é mudar de rolamentos de esferas de aço para esferas de cerâmica. Esferas menores e/ou mais leves reduzem a massa rotativa e, portanto, a carga centrífuga aplicada.
Extra: Pressão de Contato Hertziana
Como afirmado acima, todas as cargas que discutimos surgem de forças de contato que são transmitidas de um anel de rolamento para outro através dos corpos rolantes. Mas o que não mencionamos é que esta força de contato cria pressão onde os corpos rolantes empurram contra a pista; isso é chamado de pressão de contato hertziana ou tensão hertziana. A pressão de contato hertziana é um importante fator de referência na determinação da quantidade e do tipo de carga que um rolamento pode suportar. A capacidade de um rolamento suportar uma carga depende de quão próxima a pressão de contato hertziana está do limite de tensão do rolamento. Quanto mais próximo o rolamento estiver do seu limite de tensão, menor será o tempo necessário para o rolamento sofrer deformação plástica.
Por exemplo, para aço AISI 52100 rolamentos de esferas, o limite de tensão geralmente aceito é de 4,200 MPa. Aubering acredita que a pressão de contato hertziana das esferas de aço é superior a 1,500 MPa e a das esferas cerâmicas é superior a 1,800 MPa, o que é suficiente para se aproximar do limite de tensão e, assim, ter um impacto significativo na vida útil geral da aplicação. Se a aplicação tiver alta tensão hertziana, poderão ser necessárias alterações na aplicação para reduzir a tensão. Algumas soluções poderiam ser alterar os tamanhos dos rolamentos, usar esferas de cerâmica ou adicionar rolamentos ao sistema para ajudar a distribuir a carga.
Calcular cargas de rolamento
A capacidade de carga do rolamento pode ser calculada usando uma variedade de fórmulas e programas de software, incluindo os do fabricante do rolamento. Índice, calculadoras online e análise de elementos finitos (FEA) simulações. As fórmulas de carga radial e axial mais comumente usadas são:
Capacidade de carga radial = (C/P)^(1/3) x Fr
Capacidade de carga axial = (C0/P)^(1/2) x Fa
Na fórmula, C é a classificação de carga dinâmica básica, P é a carga dinâmica equivalente do rolamento, C0 é a classificação de carga estática básica, Fr é a carga radial e Fa é a carga axial. Para obter resultados precisos ao calcular a capacidade de carga do rolamento, procure aconselhamento especializado ou use um programa de software fornecido pelo fabricante do rolamento.
A seleção de rolamentos com capacidade de carga centrífuga suficiente é fundamental para aplicações de alta velocidade para evitar falhas prematuras. Cargas centrífugas podem causar deformação, vibração e fadiga do rolamento. Para calcular a capacidade de carga centrífuga, utilize fórmulas e programas de software como os fornecidos pelo fabricante. Índice, calculadoras online e simulações FEA. A fórmula mais comum é: capacidade de carga centrífuga = (C0/P) x V^2 x 10^-9. onde C0 é a classificação de carga estática básica, P é a carga dinâmica equivalente do rolamento e V é a velocidade do rolamento em rpm.
Carga nominal do rolamento
Sempre expressamos a classificação de carga de um rolamento em Kgf (quilograma de força). Esta é a força exercida por um quilograma de massa na superfície da Terra. Em outros lugares, você poderá ver forças expressas em Newtons. Newton é definido como a força que acelera um quilograma de massa a um metro por segundo (ou 1 m/s²). Como a gravidade na superfície da Terra é 9.80665 m/s², 1 Kgf = 9.80665 Newtons, mas para simplificar, digamos 1 Kgf = 10 Newtons.
Carga radial dinâmica nominal
A definição oficial de uma classificação de carga radial dinâmica é: “uma carga radial estática constante na qual 90% de um conjunto de rolamentos idênticos de aço cromo (com apenas o anel interno girando) pode suportar um milhão de rotações antes de mostrar sinais de fadiga”. Um milhão de rpm parece um número grande, mas vamos verificar novamente. Se operados a cerca de 10,000 rotações por minuto (rpm) com carga dinâmica máxima aplicada, os rolamentos durariam apenas uma hora e meia (aproximadamente 100 minutos). Esses números são usados para calcular a vida nominal, mas os rolamentos não devem ser submetidos a tais cargas em aplicações normais, a menos que você não espere que durem muito. Se for necessária uma vida útil longa, é melhor limitar a carga real entre 6% e 12% da classificação de carga dinâmica do rolamento. Pode suportar cargas mais pesadas, mas a vida útil será reduzida. AISI440C/KS440 rolamentos de aço inoxidável suportará aproximadamente 80% a 85% da carga do rolamento de aço cromo. A classificação de carga de um rolamento axial é baseada em uma carga axial constante durante um milhão de rotações. A equipe de especialistas da Aubering pode ajudar a fornecer dados de classificação de vida útil para uma variedade de rolamentos diferentes.
Carga radial estática nominal
A classificação de carga radial estática é a carga radial pura (ou carga axial para rolamentos axiais) que causa deformação permanente completa da esfera ou pista. Cargas estáticas próximas a esse número podem ser suportáveis para algumas aplicações, mas não quando for necessária suavidade ou precisão. A classificação de carga estática dos rolamentos de aço inoxidável é de aproximadamente 75% a 80% da classificação de carga dos rolamentos de aço cromo. A capacidade de carga dos rolamentos pode ser limitada pelo lubrificante. Alguns lubrificantes são adequados apenas para cargas leves, enquanto outros são projetados para aplicações de cargas elevadas. Os rolamentos de complemento completo têm classificações de carga mais altas. A capacidade de carga axial dos rolamentos de esferas radiais pode ser aumentada especificando uma folga radial solta.
Carga axial nominal
Os tipos de rolamentos para serviços pesados, como as séries 6200 ou 6300, podem suportar cargas axiais de até 50% da carga radial estática nominal. Devido às suas pistas rasas, os rolamentos rígidos de esferas de seção fina só podem suportar cargas axiais entre 10% e 30% da carga radial estática nominal do rolamento. Observe que esses números são baseados em cargas puramente axiais. Cargas ou momentos radiais adicionais (cargas de desalinhamento) terão impacto na capacidade de carga axial. Exceder os limites totais recomendados para cargas combinadas afetará negativamente a vida útil do rolamento. Os rolamentos de esferas com complemento completo possuem ranhuras de enchimento usinadas nos anéis interno e externo. Esta ranhura interfere na rotação da esfera sob cargas axiais, portanto o uso de rolamentos com conjunto completo sob cargas axiais não é recomendado.
Efeito da carga do rolamento na vida
Selecionar os rolamentos corretos com capacidade de carga adequada é fundamental para a operação eficiente e durabilidade do maquinário. Uma capacidade insuficiente pode levar a falhas prematuras, tempos de inatividade, reparações e riscos de segurança, enquanto uma carga excessiva pode provocar sobreaquecimento, desgaste e aumento do consumo de energia. A capacidade de carga incorreta pode levar a falhas catastróficas, riscos à segurança e tempos de inatividade dispendiosos. Consulte um especialista ou fabricante de rolamentos para garantir a capacidade adequada para sua aplicação.
A vida básica à fadiga, conhecida como L10, é calculada como o número de rotações nas quais 90% de todos os rolamentos de um grupo específico atingem ou excedem o tempo calculado até a falha (probabilidade de falha: 10%). Procure a capacidade dinâmica do rolamento em um catálogo, estime a carga radial e a velocidade de rotação e você poderá calcular a sua própria Vida útil do rolamento L10. O cálculo da vida útil L10 indica a vida útil do rolamento sob suas condições operacionais com 90% de precisão.
Portanto, as cargas são geralmente obtidas multiplicando-se os valores teóricos por vários fatores ao longo do tempo. Há muita matemática envolvida, mas você pode encontrar as informações no site da Aubearing.
Escolha o rolamento certo
Ao selecionar rolamentos, considere os requisitos da aplicação, tipo de carga, velocidade, ambiente e temperatura. Os rolamentos de esferas são adequados para cargas baixas a médias, enquanto os rolamentos de rolos são adequados para cargas mais altas. Os rolamentos deslizantes são adequados para máquinas de baixa velocidade e alta carga. Faça a manutenção dos rolamentos com inspeção, limpeza e lubrificação regulares para garantir desempenho e vida útil ideais. Há uma série de coisas que os fabricantes podem fazer para garantir que seus rolamentos tenham uma vida útil longa e bem-sucedida. O primeiro passo é limitar as cargas radiais entre 6% e 12% da classificação de carga dinâmica do rolamento. Embora os rolamentos possam suportar cargas mais elevadas, a sua vida útil é reduzida.
O próximo passo é escolher o material certo. A experiência da Aubering como especialista em rolamentos miniatura de seção fina, resistentes à corrosão e rolamentos cerâmicos A escolha do tipo de rolamento correto também pode fazer a diferença. Embora todos os rolamentos radiais de esferas tenham alguma capacidade de carga axial, se houver cargas axiais maiores, geralmente é melhor usar rolamentos para serviços pesados com pistas profundas, pois esses rolamentos podem suportar cargas axiais de até 50% da carga radial estática. Classificação de carga.
Embora os rolamentos de paredes finas (onde a diferença entre os diâmetros interno e externo do rolamento é pequena) sejam ótimos para compactação e economia de peso. Como as pistas são rasas, elas só podem suportar cargas axiais entre 10% e 30% da carga radial estática nominal do rolamento. Cargas radiais adicionais ou cargas momentâneas reduzirão ainda mais a capacidade de carga axial. Cargas axiais excessivas em rolamentos de paredes finas podem fazer com que as esferas cheguem perigosamente perto do topo da pista. Ao selecionar o tipo de rolamento correto e considerar os principais fatores que controlam as cargas radiais e axiais, os engenheiros podem garantir que continuarão a inovar enquanto oferecem os mais altos níveis de precisão, suavidade e vida útil do rolamento.
Conclusão
Para selecionar o rolamento correto para uma aplicação, é fundamental compreender as cargas do rolamento. Cargas radiais, axiais e centrífugas determinam a capacidade de carga adequada. A Aubering oferece uma ampla gama de rolamentos adequados para diferentes condições e aplicações, bem como produtos de alta qualidade e consultoria especializada. A Aubering fabrica principalmente rolamentos de esferas e rolamentos de rolos para uso em diversas indústrias nos Estados Unidos e em todo o mundo.
Nossos rolamentos de nível industrial não devem apenas fornecer longa vida útil de acordo com os padrões de fadiga de rolamento, mas também devem ser mantidos estruturalmente unidos para proteger contra choques, sobrecargas e excursões ocasionais em alta velocidade. Para esse fim, o projeto de cada rolamento é otimizado, incluindo nossos rolamentos de grande diâmetro.