Nová ložiska pro aplikace s vysokými otáčkam

Nová ložiska pro aplikace s vysokými otáčkam

Jednořadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem jsou typicky používána v aplikacích, jako například ve šroubových, spirálových či odstředivých kompresorech (obr. 1) a v čerpadlech.

Autor:
Helmut Landerl, projektový manažer, SKF Österreich, Steyr, Rakousko

Kuličková ložiska s kosoúhlým stykem

V oblasti vývoje kompresorů a čerpadel se projevuje jasný trend zaměřený na zvýšení hustoty výkonu zvyšováním otáček. Z toho důvodu skupina SKF vyvinula novou řadu jednořadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem, která splňují takové požadavky. Vývoj byl zaměřen na splnění tří cílů: zvýšení mezních otáček o 40 %, snížení hlučnosti a zvýšení odolnosti ložiska v nepříznivých provozních podmínkách (rázová zatížení, průhyb hřídele atd.). Kromě těchto cílů pomáhá SKF výrobcům splnit požadavky zákazníků na ještě vyšších úrovních energetické účinnosti a spolehlivosti.

Shrnutí

Nová řada jednořadých kuličkových ložisek SKF Explorer s kosoúhlým stykem se stykovým úhlem 25°, která se vyznačují novou mosaznou klecí a zlepšenou geometrií oběžných drah, jsou vhodná pro mnohem vyšší otáčky (až do n×dm = 1 050 000 mm/min) a rovněž jsou mnohem odolnější v náročných provozních podmínkách ve srovnání s jednořadými kuličkovými ložisky SKF Explorer s kosoúhlým stykem se stykovým úhlem 40°.

Nový sortiment ložisek s velikostí díry od 15 mm do 70 mm v řadě 72 AC a od 17 mm do 70 mm v řadě 73 AC byl představen v dubnu 2017 a ložiska mohou být dodávána buď přímo ze skladu, nebo ve velmi krátkých lhůtách.

Modulární konstrukce jednořadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem umožňuje zákazníkům vybrat si pro vyvíjené kompresory nové generace nejvhodnější klec, těsnění a stykový úhel, a tak dosáhnout vyšší účinnosti a spolehlivosti při současném snížení celkových nákladů provozovatelů na vlastnictví zařízení.

Odstředivý kompresor

Obr. 1: Odstředivý kompresor

Na základě koncepčních studií byly stanoveny následující vlastnosti, které byly zapracovány do nového sortimentu jednořadých kuličkových ložisek SKF Explorer
   

  • stykový úhel 25°
  • nová konstrukce klece, pevnější mosazný materiál
  • vylepšená geometrie oběžné dráhy

Stykový úhel 25°

Standardní jednořadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem mají stykový úhel 40°. V aplikacích s vyššími nároky na axiální tuhost, jako např. pohybové šrouby obráběcích strojů, jsou často používána kuličková ložiska s kosoúhlým stykem s většími stykovými úhly (např. 62°). Ložiska určená pro vysoké otáčky a nízké axiální síly se vyznačují menším stykovým úhlem (např. 15° nebo 25°).

Vliv stykových úhlů 40° a 25° na vlastnosti ložisek představuje tabulka 1.

Vliv stykových úhlů 40° a 25° na vlastnosti ložisek

Tabulka 1: Vliv stykových úhlů 40° a 25° na vlastnosti ložisek

Vlivy různých stykových úhlů na kinematiku ložisek (obr. 2)

Jestliže je jednořadé kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem zatíženo pouze v axiálním směru, výsledné síly v místě styku mezi kuličkami a kroužky jsou vyšší při menších stykových úhlech. Pokud se ložisko otáčí, odstředivé síly (Fc) vyvolají změny stykového úhlu. Stykové body mezi vnitřním kroužkem a kuličkami a rovněž mezi vnějším kroužkem a kuličkami se posunou směrem ven. Tento jev vyvolá kolísání stykového úhlu (∆α) a následné prokluzování kuliček na oběžných drahách ložiskových kroužků. Pokud působí stejné axiální zatížení na jednořadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem s různými stykovými úhly, kolísání stykového úhlu je mnohem menší u ložisek s menšími stykovými úhly. Obr. 3 ukazuje kolísání stykového úhlu u jednořadého kuličkového ložiska s kosoúhlým stykem 7313 se stykovým úhlem 40° a 25° při různých otáčkách pro každou kuličku.

Kinematické děje v ložiskách se stykovými úhly 40° a 25°

Obr. 2: Kinematické děje v ložiskách se stykovými úhly 40° a 25°

Menší kolísání stykového úhlu se projeví nejen potlačením prokluzování kuliček na oběžných drahách ložiskových kroužků, ale také nižšími sílami působícími v okénkách klece. Z toho důvodu ložiska se stykovým úhlem 25° mohou pracovat s vyššími otáčkami bez poškození klece.

Kolísání stykového úhlu při různých otáčkách

Obr. 3: Kolísání stykového úhlu při různých otáčkách

Optimalizovaná konstrukce mosazné klece

Ve vysokootáčkových uloženích představuje klec nejdůležitější díl ložiska. Z toho důvodu byla pro ložiska se stykovým úhlem 25° vyvinuta nová mosazná klec. Nová konstrukce klece se vyznačuje následujícími zlepšeními:

  • toroidní tvar kapes klece (obr. 4)
  • optimalizovaný úhel osy kapes klece
  • optimalizovaná vůle kapes klece
  • oválné kapsy klece
  • optimalizovaný tvar vnějšího profilu
  • mosaz s novým složením, které se vyznačuje lepšími mechanickými vlastnostmi a nižším obsahem olova.
Průřez otvorem klece

Obr. 4: Průřez otvorem klece; vlevo: Předchozí provedení, kombinace válce (1) kužele (2); vpravo: nové pro vedení, kombinace válce (3) a toroidního tvaru (4).

Geometrie kapes klece byla definována na základě metody konečných prvků. Veškeré simulace byly provedeny moderním simulačním softwarem BEAST, který vyvinula skupina SKF. Síly působící v místě styku mezi klecí a kuličkami byly analyzovány za různých provozních podmínek a pro různé geometrické tvary otvorů klece (obr. 5).

Síly působící v kapsách klece v místě styku s kuličkami

Obr. 5: Síly působící v kapsách klece v místě styku s kuličkami

Metodou konečných prvků bylo provedeno porovnání jednotlivých konstrukcí. Pro komplexní ověření nových výrobků jsou však nutné fyzické testy. Kromě testů odolnosti a tření byl velký počet testů zaměřen na ověření chování klece při vysokých otáčkách. Získané pozitivní výsledky zkoušek umožnily zvýšit mezní otáčky nově vyvinuté mosazné klece o cca 30 % (obr. 6).

Porovnání mezních otáček

Obr. 6: Porovnání mezních otáček

Díky optimalizovanému styku kuličky a klece (toroidní tvar) je chování při teplotách vyvolaných vysokými otáčkami mnohem stabilnější a je podporována tvorba mazivového filmu. Konstrukce klece s oválnými otvory, které se vyznačují menší vůlí v axiálním směru, přispěla ke snížení hlučnosti a vibrací o 15 %.

Náklady na klec

Na úspěšné uvedení nového výrobku na trh mají zásadní vliv dva faktory: hodnoty pro zákazníka a náklady.

Z toho důvodu byly sledovány náklady na klec v průběhu celého vývoje. Flexibilní výrobní proces umožnil vyrobit mnohem složitější geometrie bez zvýšení nákladů na obrábění. Kromě toho se díky použití trubkových polotovarů menšího průřezu (obr. 7) podařilo zkrátit čas potřebný na obrábění.

Průřezy trubkových polotovarů (vlevo: stávající konstrukce; vpravo: nová konstrukce).

Obr. 7: Průřezy trubkových polotovarů (vlevo: stávající konstrukce; vpravo: nová konstrukce).

Toto optimalizované provedení mosazné klece také nahradí stávající provedení klece v sortimentu se stykovým úhlem 40° v řadách 72 B(E) and 73 B(E), označení ložiska zůstane stejné.

Zlepšená geometrie oběžných drah

Profil oběžné dráhy kuličkových ložisek má zpravidla tvar kruhové výseče. V náročných provozních podmínkách, kdy dochází k působení rázových zatížení a průhybu hřídele, se může stát, že styková elipsa se posune ke hraně nákružku (trunkace), což se projeví napěťovými špičkami. Taková nepříznivá zatížení mohou být příčinou poškození ložiska a jeho následného selhání. Ke snížení rizika poškození přispělo zlepšení geometrie oběžné dráhy ložisek se stykovým úhlem 25°, které spočívalo v přidání druhého kruhového oblouku (r2) s větší oskulací (obr. 8).

Nová konstrukce: Geometrie oběžné dráhy

Obr. 8: Nová konstrukce: Geometrie oběžné dráhy

Obchodní kontakty

evolution@skf.com

Nová geometrie oběžné dráhy výrazně snížila riziko odříznutí stykové elipsy. Jednořadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem s novou geometrií oběžné dráhy mohou přenášet přibližně třikrát vyšší axiální síly bez odříznutí stykové elipsy na rozdíl od ložisek s konstantním poloměrem oběžné dráhy. Nová geometrie oběžné dráhy se projevuje poněkud vyšším tlakem v místě styku, protože styková plocha je menší. Zvýšení tlaku závisí na axiálním a radiálním zatížení, která působí na ložisko. V typických podmínkách uložení je zvýšení tlaku v místě styku vždy menší než jedno procento.

SKF Explorer je registrovaná ochranná známka skupiny SKF.

Související obsah