Vägledning om lagerbelastningar

Vägledning om lagerbelastningar

Lagerbelastningen är nära relaterad till lagrets livslängd och arbetsprestanda. Att förstå lagerbelastningar är avgörande när du designar nya applikationer, anpassar befintliga, och särskilt när du analyserar orsakerna till lagerfel och fel. Om ett lager väljs med otillräcklig lastkapacitet kan det leda till för tidigt slitage, överhettning och katastrofala konsekvenser.

Enkelt uttryckt är lagerbelastningen mängden kraft eller tryck som utövas på lagret. Lagerbelastning definieras som kraften som överförs från en lagerring till en annan genom några eller alla rullande element. Pålagda belastningar överförs vanligtvis till axeln, sedan till den inre ringen av lagret och slutligen till den yttre ringen av lagret. Storleken och riktningen av lagerbelastningar beror på en mängd olika faktorer, inklusive maskinvikt, arbetshastighet, acceleration, retardation, stötar, vibrationer, temperatur och smörjning. Felaktig uppriktning, installation eller underhåll kan också påverka lagerbelastningar. Lagerlaster stöder många olika kombinationer, men de flesta typer av applicerade laster kan kokas ner till följande fyra huvudtyper:

  • Radiell belastning

  • Axellast

  • förladdad

  • Centrifugalbelastning

bärande belastning

Den här artikeln kommer att diskutera dessa fyra typer av applicerade belastningar, hur det påverkar lagrets livslängd och välja vilket lager som bäst kan stödja lämplig applicerad belastning.

Lager radiell belastning

Radiell belastning av lagret är den kraft som verkar på lagrets yttre ring vinkelrätt mot axelns axel. Typiska exempel på radiella belastningar på lager är vikten av horisontella axelenheter, kugghjul, remskivor eller skärverktyg. Vid arbete trycker axelenheten radiellt på lagrets inre ring och överför belastningen till lagrets yttre ring genom rullelementen. Radiella laster överför i allmänhet inte krafter till rullelementen på ett lika och enhetligt sätt. Det är därför när du tittar på en last ser du en kraftfördelning formad som en klockkurva. Det rullande elementet som direkt utsätts för den pålagda belastningen är det som klarar de största krafterna. Varje successivt rullande element överför sedan mindre och mindre laster i en riktning till den andra. För att beräkna den radiella lastkapaciteten för ett lager är det nödvändigt att bestämma vikten som stöds och krafterna som verkar på den. För att fördela lasten mellan lagren, se till att de beräknade lasterna ligger inom den maximala lastkapaciteten för det valda lagret enligt tillverkarens specifikationer. Om applikationen utsätter lagren för radiella belastningar skulle radiella kullager eller vinkelkontaktlager vara ett bra alternativ.

Lager radiell belastning

Lager axiell belastning

Lageraxiell belastning är en kraft parallell med axelns axel, som verkar på lagrets inre eller yttre ring, ibland kallad axialbelastning. Vanligtvis hittar du axiella laster direkt i linje med axeln, precis som en borr. Axiella belastningar orsakas av dragkraft eller spänning och kan vara enkelriktade eller dubbelriktade. Andra gånger kan axiella laster vara reaktionslaster som är förskjutna från axelaxeln, som i fallet med koniska växlar. Axiella laster överför krafter till rullelementen på ett jämnt och enhetligt sätt, vilket resulterar i en balanserad lastfördelning. Vanligtvis kommer du att se att kraften på varje boll är jämnt fördelad. Eftersom kulan kommer i kontakt med löpbanan i en vinkel kommer den resulterande kraften att stråla utåt och i linje med lageraxeln. Om din applikation utövar axiella belastningar på lagret, skulle ett vinkelkontaktlager med en högre kontaktvinkel (cirka 25°) vara ett bra alternativ. Men med förskjutna axiella belastningar utövas momentkrafter på den inre ringen, vilket resulterar i ojämn lastfördelning på lagrets rullande delar. För att beräkna axiell lastkapacitet, överväg lagerstorlek, material och geometri, samt lastriktning och storlek. Tillverkarna betygsätter lager baserat på standardiserade formler och tester. Tillämpningar med hög axiell belastning inkluderar pumpar, fordonstransmissioner och kompressorer.

Lager axiell belastning

Lagerförspänning

Lagerförspänning är en speciell typ av lageraxiell belastning (eller axialbelastning). Lagerförspänning är den förutbestämda belastningen som appliceras på lagret och bör separeras från den applicerade belastningen. Genom att lägga till lagerförspänning skapas optimal synergi mellan rullande element och lagerbanor. Rollen av lagerförspänningskraft:

  • Förhindra överdriven halka

  • Öka styvheten, minska vibrationer och glidfriktion

  • Hög driftnoggrannhet – även vid ändrade belastningsförhållanden

  • Öka lastkapaciteten

I allmänhet, om du designar en höghastighetsapplikation, överväg att använda lätt förspänning på vinkelkontaktlager. Aubearing rekommenderar våra SM vinkelkontaktlager eller KH vinkelkontaktlager. Å andra sidan, om du designar en applikation som kräver strikt styvhet och noggrannhet, kan du överväga att applicera medelhög eller tung förspänning på vinkelkontaktlagret. Aubearing rekommenderar vår serie S vinkelkontaktlager.

Lager centrifugal belastning

Centrifugallaster för lager uppstår från applikationens rotationshastighet (RPM), särskilt höghastighetsapplikationer som turbiner och centrifuger. Höghastighetsapplikationer skapar starka centrifugalbelastningar, vilket är en av de faktorer som påverkar applikationens förmåga att nå sin maximala hastighet. När de inre rullande elementen roterar vill de röra sig tangentiellt längs en rak bana, men den yttre ringen måste tvinga dem att följa lagrets båge. Denna interaktion skapar radiella centrifugala laster. Centrifugalkraft är den kraft som ett föremål som rör sig längs en krökt bana känner utåt bort från rotationscentrum. Under lagerrotation genererar interaktionen mellan de rullande elementen och den yttre ringen centrifugala radiella belastningar, enligt följande:

  • Den inre ringen roterar de rullande elementen

  • Ett rullande element som följer rörelse vill fortsätta röra sig rakt längs en bana som tangerar rotationsbågen

  • Den yttre ringen måste tvinga de rullande elementen att fortsätta röra sig längs med lagrets båge

Centrifugalbelastning är mycket viktig vid val av lämpliga lager eftersom det påverkar lagrets livslängd. Om applikationen kräver hög hastighet, överväg att använda ett vinkelkontaktlager med mindre kulor, såsom Aubearings KH-serie. Ett annat alternativ är att byta från lagerstålkulor till keramiska kulor. Mindre och/eller lättare kulor minskar den roterande massan och därmed den applicerade centrifugalbelastningen.

Extra: Hertzian Kontakttryck

Som nämnts ovan härrör alla belastningar vi diskuterade från kontaktkrafter som överförs från en lagerring till en annan genom rullelementen. Men vad vi inte nämnde är att denna kontaktkraft skapar tryck där de rullande elementen trycker mot löpbanan; detta kallas Hertzian kontakttryck eller Hertzian stress. Hertziskt kontakttryck är en viktig referensfaktor för att bestämma mängden och typen av belastning ett lager tål. Ett lagers förmåga att motstå en belastning beror på hur nära det Hertziska kontakttrycket är lagerspänningsgränsen. Ju närmare lagret är sin spänningsgräns, desto kortare tid tar det för lagret att genomgå plastisk deformation.

Till exempel för stål AISI 52100 kullager, är den allmänt accepterade spänningsgränsen 4,200 1,500 MPa. Aubearing menar att det Hertziska kontakttrycket för stålkulor är högre än 1,800 XNUMX MPa och det för keramiska kulor är högre än XNUMX XNUMX MPa, vilket är tillräckligt för att närma sig spänningsgränsen och därmed ha en betydande inverkan på applikationens totala livslängd. Om applikationen har hög hertzspänning kan ändringar i applikationen krävas för att minska belastningen. Vissa lösningar kan vara att ändra lagerstorlekar, använda keramiska kulor eller lägga till lager i systemet för att fördela belastningen.

AISI 52100 kullager

Beräkna lagerbelastningar

Lagerbelastningskapaciteten kan beräknas med en mängd olika formler och program, inklusive lagertillverkarens. Innehållsförteckning, onlineräknare och finita elementanalys (FEA) simuleringar. De vanligaste formlerna för radiell och axiell belastning är:

Radiell lastkapacitet = (C/P)^(1/3) x Fr
Axiell lastkapacitet = (C0/P)^(1/2) x Fa

I formeln är C den grundläggande dynamiska belastningen, P är den ekvivalenta dynamiska belastningen för lagret, C0 är den grundläggande statiska belastningen, Fr är den radiella belastningen och Fa är den axiella belastningen. För att få exakta resultat vid beräkning av lagerbelastningskapacitet, sök expertråd eller använd ett program från lagertillverkaren.

Att välja lager med tillräcklig centrifugallastkapacitet är avgörande för höghastighetsapplikationer för att förhindra för tidigt fel. Centrifugallaster kan orsaka lagerdeformation, vibrationer och utmattning. För att beräkna centrifugallastkapacitet, använd formler och program som de som tillhandahålls av tillverkaren. Innehållsförteckning, onlineräknare och FEA-simuleringar. Den vanligaste formeln är: centrifugal lastkapacitet = (C0/P) x V^2 x 10^-9. där C0 är den grundläggande statiska belastningen, P är den ekvivalenta dynamiska lagerbelastningen och V är lagerhastigheten i rpm.

Nominell lagerbelastning

Vi uttrycker alltid ett lagers belastningsgrad i Kgf (kilogramkraft). Detta är kraften som utövas av ett kilogram massa på jordens yta. På andra håll kan du se krafter uttryckta i Newton. Newton definieras som kraften som accelererar ett kilogram massa med en meter per sekund (eller 1 m/s²). Eftersom gravitationen på jordens yta är 9.80665 m/s², 1 Kgf = 9.80665 Newton, men för enkelhetens skull, låt oss säga 1 Kgf = 10 Newton.

Nominell dynamisk radiell belastning

Den officiella definitionen av en dynamisk radiell belastning är: "en konstant statisk radiell belastning vid vilken 90 % av en uppsättning identiska kromstållager (med endast den inre ringen roterande) kan motstå en miljon varv innan de visar tecken på utmattning". En miljon rpm låter som en stor siffra, men låt oss kolla igen. Om de körs med cirka 10,000 100 varv per minut (rpm) med maximal dynamisk belastning pålagd, skulle lagren bara hålla i en och en halv timme (ungefär 6 minuter). Dessa siffror används för att beräkna livslängden, men lager bör inte utsättas för någonstans i närheten av sådana belastningar i normala applikationer om du inte förväntar dig att de ska hålla särskilt länge. Om lång livslängd krävs är det bäst att begränsa den faktiska belastningen till mellan 12 % och 440 % av lagrets dynamiska belastning. Klarar tyngre belastningar men livslängden kommer att förkortas. AISI440C/KSXNUMX lager i rostfritt stål kommer att bära cirka 80 % – 85 % av kromstållagerbelastningen. Belastningen för ett axiallager baseras på en konstant axiell belastning för en miljon varv. Aubearings team av experter kan hjälpa till att tillhandahålla livslängdsdata för en mängd olika lager.

tvärgående rullager

Nominell statisk radiell belastning

Den statiska radiella belastningen är den rena radiella belastningen (eller axiell belastning för axiallager) som orsakar fullständig permanent deformation av kulan eller löpbanan. Statiska belastningar nära detta antal kan vara uthärdliga för vissa applikationer, men inte där någon jämnhet eller noggrannhet krävs. Den statiska belastningen för lager av rostfritt stål är cirka 75 % till 80 % av belastningsgränsen för lager av kromstål. Lastkapaciteten för lagren kan begränsas av smörjmedlet. Vissa smörjmedel är endast lämpliga för lätta belastningar, medan andra är konstruerade för applikationer med hög belastning. Kompletta lager har högre belastningsklasser. Den axiella lastkapaciteten för radiella kullager kan ökas genom att specificera löst radiellt spel.

Nominell axiell belastning

Kraftiga lagertyper som 6200- eller 6300-serien kan hantera axiella belastningar upp till 50 % av den nominella statiska radiella belastningen. På grund av deras grunda löpbanor kan tunna spårkullager endast motstå axiella belastningar mellan 10 % och 30 % av lagrets nominella statiska radiella belastning. Observera att dessa siffror är baserade på rent axiella laster. Ytterligare radiella belastningar eller moment (felinriktningsbelastningar) kommer att påverka den axiella belastningskapaciteten. Att överskrida de totala rekommenderade gränserna för kombinerade belastningar kommer att påverka lagrets livslängd negativt. Kompletta kullager har fyllningsspår bearbetade på de inre och yttre ringen. Detta spår stör kulans rotation under axiell belastning, så användning av fullkomplementlager under axiell belastning rekommenderas inte.

Effekt av bärande belastning på livet

Att välja rätt lager med tillräcklig lastkapacitet är avgörande för effektiv drift och hållbarhet hos maskiner. För liten kapacitet kan leda till för tidigt haveri, stillestånd, reparationer och säkerhetsrisker, medan för stor belastning kan leda till överhettning, slitage och ökad energiförbrukning. Felaktig lastkapacitet kan leda till katastrofala fel, säkerhetsrisker och kostsamma stillestånd. Rådfråga en expert eller lagertillverkare för att säkerställa korrekt kapacitet för din applikation.
Den grundläggande utmattningslivslängden, känd som L10, beräknas som antalet varv vid vilka 90 % av alla lager i en specifik grupp når eller överskrider den beräknade tiden till brott (felsannolikhet: 10 %). Slå upp lagrets dynamiska kapacitet i en katalog, uppskatta radiell belastning och rotationshastighet, så kan du beräkna din egen L10-lagerlivslängd. L10 livslängdsberäkning indikerar lagrets livslängd under dina driftsförhållanden med 90 % noggrannhet.

Därför erhålls laster vanligtvis genom att multiplicera teoretiska värden med olika faktorer över tiden. Det är mycket matematik inblandat, men du kan hitta informationen på Aubearings webbplats.

Välj rätt lager

När du väljer lager, beakta applikationskrav, belastningstyp, hastighet, miljö och temperatur. Kullager är lämpliga för låga till medelstora belastningar, medan rullager är lämpliga för högre belastningar. Glidlager är lämpliga för maskiner med låg hastighet och hög belastning. Underhåll lager med regelbunden inspektion, rengöring och smörjning för att säkerställa optimal prestanda och livslängd. Det finns ett antal saker som tillverkare kan göra för att säkerställa att deras lager har en lång och framgångsrik livslängd. Det första steget är att begränsa radiella belastningar till mellan 6 % och 12 % av lagrets dynamiska belastningsklass. Även om lagren tål högre belastningar förkortas deras livslängd.

Nästa steg är att välja rätt material. Aubearings erfarenhet som specialist på tunna, korrosionsbeständiga, miniatyrlager och keramiska lager Att välja rätt lagertyp kan också göra skillnad. Även om alla radiella kullager har en viss axialbelastningskapacitet, om större axialbelastningar förekommer, är det vanligtvis bättre att använda kraftiga lager med djupa löpbanor, eftersom dessa lager tål axiell belastning upp till 50 % av den statiska radiella belastningen. Belastningsvärde.

Även om tunnväggiga lager (där skillnaden mellan lagrets inre och yttre diameter är liten) är bra för kompakthet och viktbesparing. Eftersom löpbanorna är grunda kan de endast stödja axiella belastningar mellan 10 % och 30 % av lagrets nominella statiska radiella belastning. Ytterligare radiella belastningar eller momentbelastningar kommer att ytterligare minska dragkraftskapaciteten. Överdrivna axialbelastningar på tunnväggiga lager kan göra att kulorna kommer farligt nära toppen av löpbanan. Genom att välja rätt lagertyp och överväga nyckelfaktorerna som styr radiella belastningar och axialbelastningar kan ingenjörer säkerställa att de fortsätter att förnya sig samtidigt som de levererar högsta nivå av noggrannhet, jämnhet och lagerlivslängd.

tunna lager

Slutsats

För att välja rätt lager för en applikation är det viktigt att förstå lagerbelastningar. Radiella, axiella och centrifugala laster bestämmer lämplig lastkapacitet. Aubearing erbjuder ett brett utbud av lager som lämpar sig för olika förhållanden och applikationer, samt högkvalitativa produkter och expertråd. Aubearing tillverkar främst kullager och rullager för användning i olika industrier i USA och runt om i världen.

Våra lager av industriklass ska inte bara ge lång livslängd enligt rullutmattningsstandarder, utan de måste också hållas samman strukturellt för att skydda mot stötar, överbelastning och enstaka höghastighetsutflykter. För detta ändamål är designen av varje lager optimerad, inklusive våra stora lager.