Nya SKF Explorer enradiga vinkelkontaktkullager för höghastighetsapplikationer

Nya lager för höghastighets-
applikationer

Enradiga vinkelkontaktkullager används typiskt i kompressorer (fig. 1) och pumpar.

Författare:
Helmut Landerl, projektledare, SKF Österreich, Steyr, Österrike

Vinkelkontaktkullager

En tydlig trend inom kompressorer och pumpar är att konstruktörerna försöker öka effekttätheten genom att höja varvtalet. För att göra detta möjligt har SKF utvecklat ett nytt sortiment enradiga vinkelkontaktkullager. Projektet har haft tre mål: öka gränsvarvtalet med 40 procent, sänka ljudnivån och göra lagren robustare under ogynnsamma driftförhållanden (stötbelastningar, axelsnedställning etc.). Förutom dessa tekniska förbättringar hjälper SKF tillverkarna att uppfylla kundernas krav på ännu högre nivåer av verkningsgrad och tillförlitlighet.

Sammanfattning

Den nya serien SKF Explorer enradiga vinkelkontaktkullager med 25° kontaktvinkel, utrustade med ny mässingshållare och med förbättrad löpbanegeometri, klarar mycket högre hastigheter (upp till n×dm = 1 050 000 mm/min) och är robustare under svåra driftförhållanden än SKF Explorer enradiga vinkelkontaktkullager med 40° kontaktvinkel.

Det nya sortimentet med 25° kontaktvinkel, från håldiameter 15 mm upp till 70 mm i serie 72 AC respektive från 17 mm till 70 mm i serie 73 AC lanserades i april 2017 och lagren kan levereras mycket snabbt.

Genom den modulära konstruktionen hos enradiga vinkelkontaktkullager kan kunderna välja den optimala kombinationen av hållare, tätning och kontaktvinkel för att ta fram nya kompressorer som är effektivare och mera tillförlitliga och som minskar de totala ägandekostnaderna för sina operatörer.

Centrifugalkompressor

Fig. 1: Centrifugalkompressor.

Utgående från några konceptstudier utvecklades och implementerades följande egenskaper i det nya sortimentet av SKF Explorer enradiga vinkelkontaktkullager:

  • 25° kontaktvinkel
  • ny hållarkonstruktion i starkare mässingsmaterial
  • förbättrad löpbanegeometri.

25° kontaktvinkel

Enradiga vinkelkontaktkullager har som standard en kontaktvinkel på 40°. I applikationer med höga krav på axiell styvhet, som i snäckväxlar till verktygsmaskiner, används ofta vinkelkontaktkullager med större kontaktvinklar (t.ex. 62°). För lager i höghastighetsapplikationer med måttliga axiella belastningar föredras i stället en mindre kontaktvinkel (t.ex. 15° eller 25°).

Inverkan av kontaktvinklarna 40° respektive 25° på lagrets egenskaper framgår av tabell 1.

Inverkan av 40° respektive 25°kontaktvinkel på lagrets egenskaper.

Tabell 1: Inverkan av 40° respektive 25°kontaktvinkel på lagrets egenskaper.

Olika kontaktvinklars verkan på lagers kinematik (fig. 2)

Om ett enradigt vinkelkontaktkullager belastas i rent axiell riktning blir de resulterande kontaktkrafterna mellan kulor och ringar högre ju mindre kontaktvinkeln är. När lagret roterar orsakar centrifugalkrafterna (Fc) förändringar i kontaktvinkeln. Kontaktpunkterna mellan innerringen och kulorna, liksom mellan ytterringen och kulorna, förflyttar sig utåt. Denna effekt orsakar en kontaktvinkelvariation (∆α) som leder till glidning mellan kulor och ringar. När samma axiella belastning appliceras på vinkelkontaktkullager med olika kontaktvinklar är kontaktvinkelvariationen mycket mindre i lager med små kontaktvinklar. Fig. 3 visar kontaktvinkelvariationen hos enradiga lager med 40° respektive 25° kontaktvinkel vid olika hastigheter.

Kinematiska effekter i lager

Fig. 2: Kinematiska effekter i lager med 40° respektive 25°kontaktvinkel.

Mindre kontaktvinkelvariation resulterar inte bara i mindre glidning mellan kulor och ringar, utan minskar även krafterna på hållarfickorna. Därför kan lager med 25° kontaktvinkel arbeta vid högre varvtal utan hållarskador.

Kontaktvinkelvariation

Fig. 3: Kontaktvinkelvariation vid olika varvtal.

Optimerade mässingshållare

I höghastighetsapplikationer är hållaren en avgörande lagerkomponent. Därför har en ny mässingshållare utvecklats för lager med 25° kontaktvinkel. Den nya konstruktionen bjuder på följande förbättringar:

  • toroidform hos hållarfickorna (fig. 4)
  • minskad axelvinkel hos hållarfickorna
  • optimerat spel i hållarfickorna
  • ovala hållarfickor
  • optimerad yttre form
  • nytt mässingsmaterial med förbättrade mekaniska egenskaper och lägre blyhalt.
Tvärsnitt genom hållarficka.

Fig. 4: Tvärsnitt genom hållarficka. Till vänster den tidigare konstruktionen med en kombination av cylindrisk (1) och konisk (2) profil. Till höger den nya konstruktionen som är en kombination av en cylindrisk profil (3) och en sammanhängande torus (4).

Hållarfickornas geometri har tagits fram genom finit elementanalys. Alla simuleringar utfördes med BEAST, en modern programvara för lagersimulering som SKF har utvecklat. Kontaktkrafterna mellan hållare och kulor analyserades för olika driftförhållanden och med olika fickgeometrier (fig. 5).

Kontaktkrafter i hållarfickor.

Fig. 5: Kontaktkrafter i hållarfickor.

Finit elementanalys tillämpades för att jämföra olika konstruktionsvarianter. För en heltäckande verifiering av nya produkter är praktiska test avgörande. Förutom test av robusthet och friktion gjordes ett stort antal höghastighetsprov för att verifiera hållarens prestanda. Utgående från de positiva testresultaten höjdes gränsvarvtalet för den nyutvecklade mässingshållaren med cirka 30 procent (fig. 6).

Jämförelse av gränsvarvtal.

Fig. 6: Jämförelse av gränsvarvtal.

Tack vare optimerad kontakt mellan kula och hållare är temperaturen vid höga varvtal stabilare och smörjförhållandena bättre. Med ovala hållarfickor och minskat spel i axiell riktning kunde ljud- och vibrationsnivåerna minskas med 15 procent.

Hållarkostnader

För att framgångsrikt lansera en ny produkt är två faktorer avgörande kundvärden och kostnader.

Därför har man hållit ett vaksamt öga på kostnaderna under hela utvecklingsprocessen för den nya hållaren. Flexibla tillverkningsprocesser har gjort det möjligt att förverkliga mer komplexa geometrier utan tillkommande bearbetningskostnader. Möjligheten att använda ett råmaterialrör med reducerat tvärsnitt (fig. 7) har pressat bearbetningstiden.

Tvärsnitt genom råmaterialrör (vänster: tidigare konstruktion, höger: ny konstruktion).

Fig. 7: Tvärsnitt genom råmaterialrör (vänster: tidigare konstruktion, höger: ny konstruktion).

Med sina förbättrade prestanda kommer denna optimerade mässingshållare att ersätta den nuvarande hållarkonstruktionen för sortimentet av enradiga vinkelkontaktkullager med kontaktvinkeln 40° i serierna 72 B(E) och 73 B(E). Lagerbeteckningen kommer inte att ändras.

Förbättrad löpbanegeometri

Löpbaneprofilen i kullager beskriver vanligtvis en cirkelbåge. Under svåra driftförhållanden med axiell stötbelastning och axelsnedställning kan det hända att kontaktellipsen når ansatsens kant (trunkering) vilket medför höga kantspänningar. Sådana ogynnsamma belastningar kan orsaka lagerskador och förtida haveri. För att reducera denna risk förbättrades löpbanegeometrin i lager med 25° kontaktvinkel så att en andra cirkelbåge (r2) med större oskulation tillkom (fig. 8).

Nykonstruerad löpbanegeometri.

Fig. 8: Nykonstruerad löpbanegeometri.

Försäljning och råd

evolution@skf.com

Med den nya löpbanegeometrin har risken för höga kantspänningar minskat avsevärt. Enradiga vinkelkontaktkullager, tillverkade med den nya löpbanegeometrin, tillåter ca tre gånger högre axiella krafter utan ellipstrunkering jämfört med lager som har konstant löpbaneradie. På grund av denna nya löpbanegeometri är kontakttrycket något högre eftersom kontakt­området har minskat. Denna ökning av kontakttrycket beror på de axiella och radiella belastningar som verkar på lagret. Vid typiska driftförhållanden ökar kontakttrycket aldrig med mer än 1 procent.

SKF Explorer är ett registrerat varumärke som tillhör SKF-koncernen.

Relaterat innehåll