Срок службы подшипников: Срок эксплуатации подшипника необходимо увеличить с 8 до 10 лет

L _p1 , L _p2 , L _pn = срок службы в часах для каждого периода постоянной нагрузки и скорости

Колебательные нагрузки

Когда подшипник не совершает полного оборота, а колеблется взад-вперед при работе, меньшую эквивалентную радиальную нагрузку можно рассчитать по следующей формуле: /90) ^1/e

где:

• P _e  = эквивалентная динамическая радиальная нагрузка
• P _o  = фактическая колебательная радиальная нагрузка
• β = угол колебания в градусах
• e = 10/3 (роликовые подшипники) 3,0 (шарикоподшипники)

Разделение радиальной и осевой нагрузок

В некоторых случаях возникают очень высокие радиальные и осевые нагрузки, и может быть физически невозможно или невозможно использовать один подшипник, способный воспринимать оба типа нагрузки. В таких ситуациях лучше использовать отдельные подшипники, воспринимающие радиальные и осевые нагрузки. Когда это происходит, конструктор машины должен следить за тем, чтобы радиальный подшипник воспринимал только радиальную нагрузку, а упорный подшипник воспринимал только осевую нагрузку. Хорошим способом добиться этого является использование цилиндрического роликоподшипника с одной прямой дорожкой качения в «радиальном» месте, так как этот подшипник не может воспринимать осевое усилие. Пара радиально-упорных подшипников или конических роликоподшипников с крутым углом часто является хорошим выбором для восприятия осевой нагрузки, но необходимо предотвратить воздействие на них какой-либо радиальной нагрузки. Один из способов добиться этого — сделать посадку внешних колец в своих гнездах очень свободной: обычно 0,5 мм/0,020 дюйма. до 1,0 мм/0,040 дюйма.

Поправочные коэффициенты на срок службы

Поправочные коэффициенты на срок службы позволяют производителю оригинального оборудования лучше прогнозировать фактический срок службы и надежность подшипников, которые вы выбираете и устанавливаете в своем оборудовании. Скорректированный расчетный срок службы L ₁₀ рассчитывается по следующей формуле:

Lna = a1 x a2 x a3 x L10

, где:

• Lna = скорректированный номинальный срок службы
• a1 = поправочный коэффициент ресурса для надежности
• a2 = поправочный коэффициент срока службы для особых свойств подшипника, например материала
.
• a3 = поправочный коэффициент срока службы для условий эксплуатации, смазки, чистоты и т. д.
• Поправочные коэффициенты жизни, a1, a2 и a3, теоретически могут быть больше или меньше 1,0, в зависимости от их оценки.

Регулировка срока службы для надежности — a1

В процессе прогнозирования эксплуатационной надежности своего оборудования OEM-производителем иногда необходимо повысить надежность выбранных подшипников, чтобы спрогнозировать более длительное среднее время наработки на отказ. Показанные ниже коэффициенты a1 относятся к повышенным значениям надежности. Если меньшее значение L ₁₀  рассчитывается с коэффициентом a1, и это неприемлемо, тогда необходимо выбрать подшипник с большей динамической грузоподъемностью.

Поправочный коэффициент срока службы для специальных свойств подшипника — a2

За прошедшие годы в конструкцию и производство подшипников было внесено множество усовершенствований, которые были подтверждены испытаниями на срок службы, что привело к увеличению номинального срока службы L ₁₀ . Вот некоторые из этих улучшений:

• Улучшенная обработка поверхности
• Улучшенные материалы и термообработка
• Фигурные ролики и дорожки качения

Поправочный коэффициент срока службы для условий эксплуатации — a3

Формула динамической грузоподъемности подшипника была определена эмпирическим путем посредством тщательно контролируемых лабораторных испытаний на срок службы. Многие области применения подшипников далеки от лабораторных условий. Поэтому может быть трудно оправдать коэффициент а3 выше 1,0. Такие условия, как высокая температура, загрязнение, внешняя вибрация и т. д., приведут к тому, что коэффициент a3 будет меньше 1. Если смазка превосходная, а рабочая скорость достаточно высокая, между внутренними контактными поверхностями подшипника может образоваться значительно улучшенная смазочная пленка, оправдывающая коэффициент а3 больше 1,0. Чтобы безопасно использовать это преимущество в проектных или коммерческих целях, требуется тщательный анализ и либо данные испытаний, либо предыдущий опыт.

Срок службы системы

В большинстве машин используется два или более подшипников на валу, а часто валов два или более. В этом случае все подшипники в машине считаются подшипниковой системой. Для деловых целей производителю важно знать надежность или срок службы своей машины. Этот процесс оценки учитывает важность объединения сроков службы L ₁₀  всех подшипников в системе, чтобы ответить на вопрос: «Как долго машина будет работать с 90 процентов надежности?» Проще говоря, надежность системы L ₁₀  будет меньше минимального индивидуального номинального срока службы L ₁₀  . Следующая формула используется для расчета срока службы оценки системы:

L _10SYS = (L ₁ ^-W + L ₂ ^-W +… L _N ^-W ) ^{-L _N -W ) -L _N -W ) 1/w}

где

• L _10sys  = номинальный срок службы системы подшипников
• л ₁ , L ₂ , L _n  = номинальный срок службы отдельных подшипников в системе
• w = 10/9 для шарикоподшипников и
• w = 9/8 для подшипников качения

Минимальная нагрузка на подшипник

Из опыта известно, что подшипники требуют минимальной прилагаемой нагрузки, чтобы обеспечить тяговое усилие для тел качения, чтобы они вращались, когда вал начинает вращаться. Если шарики или ролики не катятся, они будут скользить по движущейся дорожке качения, вытирая смазочное масло и вызывая повреждение наружных диаметров тел качения и поверхностей дорожек качения. Это называется «скольжением», а возникающее в результате повреждение называется «смазыванием», что сокращает срок службы подшипника.

Хорошее приближение минимальной нагрузки для каждого:

P _min  = 0,02 x C

, где:

P _min  = требуемая минимальная эквивалентная нагрузка на подшипник, радиальная нагрузка для радиальных подшипников и осевая нагрузка для упорных подшипников.

C = Динамическая грузоподъемность подшипника

В большинстве случаев существующий вес вала, шестерен, муфт и т. д. достаточен для превышения минимальной нагрузки на подшипник. Однако во время запуска следует контролировать и ограничивать угловое ускорение вала, чтобы гарантировать, что подшипники сразу же начнут вращаться, как только вал начнет вращаться.

Стойкость к высоким температурам

Подшипник Динамическая и статическая несущие способности снижаются при высоких рабочих температурах. Основной причиной является снижение твердости дорожек качения и тел качения при высоких температурах. Динамическая грузоподъемность подшипника должна быть уменьшена путем умножения понижающих коэффициентов, как показано ниже. Показанные температуры относятся к температурам самих компонентов подшипника, которые обычно выше, чем температура окружающей среды.

Для температурных коэффициентов между показанными значениями может применяться линейная интерполяция.

Несоосность

Несоосность подшипника обычно происходит по двум причинам:

1. Статическое смещение корпусов
2. Вал прогибается или изгибается под нагрузкой

Как правило, несоосность не является хорошей проблемой для подшипников качения, которые специально не предназначены для компенсации несоосности. Грузоподъемность шариковых, конических и цилиндрических роликоподшипников основана на предположении, что смещение не будет превышать 0,0005 радиана (0,03°). Несоосность больше этого значения приведет к L ₁₀ проживает меньше расчетного.

Сферические роликоподшипники и самоустанавливающиеся упорные подшипники специально разработаны для компенсации несоосности. Самоустанавливающиеся цилиндрические роликоподшипники также могут компенсировать некоторую несоосность этих подшипников. Этот тип подшипника находится в разделе «Подшипники на заказ». Эти специальные типы подшипников допускают перекосы от 1,0° до 1,5°.

Деформации

Обзор стандартных таблиц подшипников показывает, что для любого заданного диаметра отверстия доступно несколько подшипников с увеличивающимися наружными диаметрами и шириной. Соответственно увеличиваются высота секций и грузоподъемность. Высота сечения — это просто радиальный размер между отверстием подшипника и его наружным диаметром, в котором должны быть установлены внутреннее кольцо, шарики или ролики и внешнее кольцо. Правильно спроектированный подшипник уравновешивает толщину двух дорожек качения с диаметром тела качения, чтобы оптимизировать динамическую способность без значительного снижения прочности конструкции дорожек. Подшипники с более тонкими дорожками качения более подвержены деформации, чем подшипники с более толстыми поперечными сечениями и дорожками качения.

Как правило, для правильной работы подшипника внутреннее и внешнее кольца должны надлежащим образом поддерживаться валом и корпусом. Однако характер конструкции некоторых видов оборудования не всегда позволяет это сделать. Как обсуждалось в разделе о несоосности, иногда может произойти значительное отклонение вала, вызывающее несоосность. Корпуса могут деформироваться при относительно больших нагрузках, и таким же образом может деформироваться внешнее кольцо подшипника. Все эти эффекты имеют тенденцию сокращать теоретический срок службы подшипника, но при правильном анализе и специальной внутренней конструкции это сокращение можно свести к минимуму.

Использование анализа методом конечных элементов (FEA) вала и корпуса под нагрузкой может предсказать величину деформации, которая произойдет. Компьютерный анализ внутренней работы подшипника может показать распределение напряжения. Затем можно применить оптимизированную выпуклость роликов, чтобы свести к минимуму сокращение срока службы подшипника. Проконсультируйтесь с отделом продаж компании American, если необходимо учитывать эффект деформации при расчете срока службы подшипника.

Осевое смещение

В большинстве подшипниковых систем используются два или три подшипника для поддержки вала при радиальных и осевых нагрузках. Количество подшипников зависит от того, способен ли один подшипник воспринимать осевую нагрузку. В тех случаях, когда осевая нагрузка незначительна, один подшипник следует рассматривать как «фиксирующий» подшипник, который положительно позиционирует вал. При значительном расстоянии между двумя опорными подшипниками из-за различий в температурном расширении между валом и корпусом один подшипник должен быть фиксирующим или упорным, а другой — «плавающим». Кроме того, при суммировании осевых допусков между двумя подшипниками необходимо, чтобы один подшипник «плавал» в осевом направлении, чтобы не создавалась паразитная осевая нагрузка.

Лучшим подшипником для плавающего положения является цилиндрический роликовый подшипник с одной прямой дорожкой качения. Осевое смещение легко компенсируется смазанными роликами, скользящими по прямой траектории роликов. Если используется подшипник другого типа, например радиальный шарикоподшипник, двухрядный радиально-упорный подшипник, конический роликоподшипник TDO или сферический роликоподшипник, обычно наружные кольца этих подшипников скользят в отверстии корпуса.

Нажмите здесь, чтобы запросить предложение или позвоните нам по телефону 828-624-1460

Посмотреть онлайн-каталог Запросить информацию

Как определить срок службы подшипниковой системы

Когда возникает тема срока службы подшипников качения, инженеры часто задают такие вопросы, как:

• «Что вы подразумеваете под сроком службы подшипников качения?»
• «Откуда ты знаешь, когда твоя жизнь подходит к концу?»
• «Это когда подшипник перестает вращаться?»
• «Это когда машина, в которой находится подшипник, достигает определенного времени работы?»

Как правило, ответы на эти вопросы могут быть следующими: «Конец срока службы наступает, когда подшипник или подшипники перестают соответствовать своему назначению» или «Когда они перестают вращаться». К сожалению, эти ответы не являются ни конкретными, ни адекватными.

В каталогах производителей подшипников и в большинстве книг по техническому проектированию явление, которое ограничивает долговечность и надежность подшипников, называется усталостью тел качения. Это явление изучается более 120 лет, начиная с 189 г.0-х годов с новаторской работой Ричарда Стрибека в Германии, а также начала 20-го века с Джоном Гудманом в Великобритании и Арвидом Палмгреном в Швеции.

Вклад Палмгрена, вероятно, был наиболее значительным в технологии подшипников качения. В 1924 году он заложил основу для расчета срока службы подшипников качения. Он сформулировал, что несущая жизнь была не детерминированной, а скорее распределительной. Он имел в виду, что никакие два подшипника в группе не работают в одинаковых условиях и не выходят из строя одновременно. Он предложил концепцию жизни L10 или времени, когда 90% подшипников выживут, а 10% вышли из строя. Возможно, он был первым, кто предложил правдоподобный подход к расчету срока службы элемента машины.

Источником практических знаний большинства инженеров о шариковых и роликовых подшипниках являются каталоги производителей подшипников. Приблизительно для 90–95 процентов применений при проектировании машин уравнения и рекомендации в каталогах производителей подшипников обеспечивают безопасную и надежную конструкцию. Обычно оставшиеся 5-10% приложений требуют специальных знаний и анализа, чтобы избежать проблем.

Режимы отказа

Конечным видом отказа, ограничивающим срок службы подшипника, является усталость тела качения либо дорожки качения подшипника, либо тела качения. Усталость тел качения чрезвычайно изменчива, но статистически предсказуема в зависимости от типа стали, обработки стали, термической обработки, изготовления и типа подшипника, используемого смазочного материала и условий эксплуатации.

На этих изображениях показано характерное усталостное разрушение тела качения внутренней обоймы (слева)
и шаровой (справа) из шарикоподшипников диаметром 120 мм из стали AISI M-50.

Разрушение проявляется в виде выкрашивания, ограниченного шириной беговой дорожки и глубиной максимального напряжения сдвига под контактной поверхностью. Откол может быть поверхностного или подповерхностного происхождения. Выкрашивание, возникающее на поверхности, обычно начинается с трещины на поверхностном дефекте или вмятине из-за обломков, которая распространяется в сеть трещин, образуя выкрашивание. Трещина, начинающаяся на концентраторе напряжения, такая как твердое включение под беговой дорожкой в ​​области максимального напряжения сдвига, также распространяется в сеть трещин с образованием выкрашивания.

Усталостные разрушения, возникающие ниже поверхности контакта, называются классической усталостью тел качения. Отказ из-за классической усталости тел качения аналогичен смерти людей от старости. Однако большинство подшипников выводится из эксплуатации по другим причинам.

Считается, что отказов, кроме тех, которые вызваны классической усталостью тел качения, можно избежать, если подшипник не перегружен и правильно спроектирован, обслуживается, устанавливается и смазывается. Благодаря улучшенному производству подшипников и обработке стали, а также передовым технологиям смазки потенциальное увеличение срока службы подшипников может быть в 80 раз больше, чем было достигнуто в конце 19 века.50 с или в 400 раз больше, чем в 1940 году.

Базовый срок службы подшипника

Как упоминалось ранее, срок службы L10, выраженный в миллионах оборотов внутреннего кольца, — это теоретический срок службы, который должен быть равен или превышать 90 процентов подшипникового узла без отказа при их рабочей нагрузке. Он основан на классической усталости тел качения. «Базовый срок службы подшипника», часто упоминаемый в каталогах производителей подшипников, представляет собой срок службы L10 без коэффициентов ресурса, которые зависят от типа подшипника, подшипниковой стали, обработки стали, термической обработки, смазки и условий эксплуатации.

На этих иллюстрациях изображен подповерхностный откол при твердом включении (вверху) и
сеть поверхностных трещин, возникающая из-за поверхностного дефекта.

Большинство подшипников выбираются и рассчитываются на основе «базового срока службы подшипника», рассчитанного с коэффициентами ресурса, а иногда и без них. Предостережение заключается в том, что в это расчетное время или раньше можно ожидать выхода из строя 10 процентов подшипников, работающих при такой нагрузке и скорости. Многие инженеры не понимают, что рассчитанный ими срок службы основан не на времени, до которого отказов не произойдет, а на времени, до которого можно ожидать выхода из строя 10 процентов подшипников. Эта ошибка может привести к гарантийным претензиям и претензиям по качеству продукции к производителю оборудования.

Срок службы подшипниковой системы

Поскольку можно с достаточной степенью уверенности предположить, что любое вращающееся оборудование будет иметь два или более подшипников, составляющих систему, необходимо также определить срок службы подшипниковой системы в дополнение к сроку службы отдельных подшипников. Этого можно достичь путем объединения сроков службы отдельных подшипников в единый срок службы системы.

Чтобы установить срок службы системы, требуется понимание строгой последовательной надежности. Помните, что срок службы подшипников как системы всегда равен или меньше срока службы самого короткоживущего подшипника в системе. Например, у вас есть простой редуктор с двумя подшипниками, поддерживающими входную шестерню, работающую при 3600 об/мин, и выходную шестерню, поддерживаемую теми же двумя типами подшипников, работающими при 900 об/мин. При полной (100-процентной) нагрузке или крутящем моменте срок службы каждого входного подшипника составляет 2 500 часов, а срок службы каждого выходного подшипника — 10 000 часов. Расчетный 10-процентный срок службы системы составит 1124 часа. Это означает, что если вы распределите 1000 редукторов и все они будут работать с максимальным крутящим моментом в течение 1124 часов, у 100 редукторов выйдет из строя как минимум один подшипник. Тогда возникает вопрос, как долго вы могли бы эксплуатировать коробку передач в этом состоянии без сбоев.

Если срок службы самого короткоживущего подшипника в системе составляет 2500 часов, можно разумно ожидать, что в течение первых 133 часов работы каждого редуктора отказов подшипников не произойдет. Однако редукторы не могут постоянно работать с полным выходным крутящим моментом. Предположим, что редукторы работают с полным крутящим моментом в течение 50 % времени, с половинным крутящим моментом в течение 30 % времени и с четвертью крутящего момента в течение 20 % времени. Чтобы рассчитать общий срок службы системы, вам необходимо рассчитать срок службы системы L10 при каждом условии.

При сроке службы системы L10, равном 2671 часу, 10% всех редукторов, находящихся в эксплуатации, теоретически будут иметь один или несколько вышедших из строя подшипников. Если, как в предыдущем примере, у вас есть 1000 редукторов в эксплуатации и 100 неисправных редукторов, у вас будет 100 неисправных подшипников из 4000 находящихся в эксплуатации подшипников. Другими словами, 2,5% вышедших из строя подшипников в эксплуатации составляют 10% вышедших из строя редукторов. Остальные 97,5% подшипников, находящихся в эксплуатации, можно разумно считать неповрежденными и пригодными для использования.

Вот почему подавляющее большинство неповрежденных подшипников, снятых с эксплуатации, так и не достигли расчетного срока службы L10. Таким образом, становится практичным и рентабельным проверять, переделывать и возвращать в эксплуатацию те неповрежденные подшипники, которые были сняты до достижения срока службы L10.

Причины удаления

До сих пор это обсуждение основывалось на классической усталости тел качения как на единственном способе разрушения и удаления подшипника. Однако, вероятно, менее 5 процентов подшипников выводятся из эксплуатации из-за усталости тел качения, будь то подповерхностного или поверхностного происхождения.

В Таблице 1 представлен список возможных причин снятия подшипника и примерный процент по каждой соответствующей причине. В дополнение к этому списку причин, по которым необходимо снять подшипник, соответствующие режимы отказа, отнесенные к категории «другие», включают несоосность подшипника, истинный и ложный бринеллирование, чрезмерную осевую нагрузку/перегрузку подшипника, смазку, тепловой и тепловой предварительный натяг, напряжение на кромке ролика, разрушение сепаратора, элемент.