Исследования методов расчета динамической осевой грузоподъемности на примере различных типов подшипников были предприняты в целях улучшения критичных рабочих характеристик крупногабаритных цилиндрических роликоподшипников. 

Для расчета динамической осевой грузоподъемности цилиндрических роликоподшипников необходимо учесть большее количество факторов, чем при расчете радиальной грузоподъемности. Причины низких рабочих характеристик этих подшипников связаны как с износом, перегревом, истиранием, так и с разрушением бортов.

Конструкция и области применения цилиндрических роликоподшипников

Часто цилиндрические роликоподшипники выполняют роль «плавающих» подшипников (исполнения N и NU) для компенсации осевого смещения вала по отношению к корпусу, Между тем, эти подшипники способны воспринимать только радиальные нагрузки. Цилиндрические роликоподшипники, имеющие борта на внутреннем и наружном кольцах, дополнительно способны воспринимать небольшие осевые нагрузки, действующие в одном направлении (NJ) или в обоих направлениях (NUP или NJ+HJ) (рис. 1).

Осевая нагрузка распределяется между внутренним и наружным кольцами и передается через борта и торцы роликов (рис. 2). Кинематические условия в зоне контакта поверхности бортов с торцовыми поверхностями роликов всегда вызывают некоторое проскальзывание в зоне контакта (рис. 3), что приводит к увеличению трения в подшипнике. Для исключения этого эффекта SKF постоянно работает над оптимизацией геометрии профилей бортов и торцов роликов.

Борта современных подшипников имеют несколько выпуклую поверхность, тогда как торцовая поверхность роликов как бы «сливается» с контактной поверхностью благодаря использованию логарифмических профилей. Такая конструкция обеспечивает близость зоны контакта к канавке борта, благодаря чему даже в случае перекоса роликов происходит формирование масляной пленки. Эти меры способствуют уменьшению трения скольжения и напряжений в зоне канавки бортов.

Ограничивающие факторы

Методы расчета радиальной грузоподъемности цилиндрических роликоподшипников основаны на «классической» теории приповерхностной усталости. Однако для цилиндрических роликоподшипников с осевым нагружением необходимо дополнительно учитывать следующие факторы:

• Тепло, выделяющееся при проскальзывании торцовых поверхностей роликов по поверхности борта
• Износ бортов и торцов роликов
• Истирани поверхностей в зоне контакта торец ролика/борт (рис.4)
• Нарушения кинематики в результате большой разницы между величинами осевой и радиальной нагрузки
• Разрушение борта в результате чрезмерной статической или динамической нагрузки
• Уменьшение срока службы смазки, требующее сокращения интервалов повторного смазывания при воздействии постоянной осевой нагрузки

Динамическая осевая грузоподъемность

Динамическая осевая грузоподъемность – это величина предельно допустимой осевой нагрузки, при которой обеспечивается стабильная работа подшипника при рабочей температуре на 60°С превышающей температуру окружающей среды, т.е. в условиях, когда тепло, выделяющееся при трении внутри подшипника, равно теплу, отводимому через вал и корпус при этой температуре. Этот критерий является показателем работы подшипника и отсутствия риска истирания борта в зоне контакта при условии достаточного смазывания относительная вязкость масла ( 2).

Формула, приведенная в последнем издании Общего каталога SKF, основана на использовании постоянного коэффициента удельных теплопотерь для всех типоразмеров подшипников и модели трения, учитывающей особенности геометрии профилей и шероховатостиповерхностей подшипников SKF:

где:

 F_ap допустимая величина осевой нагрузки [кН]

C₀ статическая грузоподъемность [кН]

F_r фактическая радиальная нагрузка на подшипник [кН]

n частота вращения внутреннего кольца [об/мин]

d диаметр отверстия подшипника [мм]

D наружный диаметр подшипника [мм]

В толщина подшипника [мм]

k₁, k₂  коэффициенты (=> таблица 1)

Новые величины

Указанная в Общем каталоге SKF формула (1) была разработана в 1980-х годах. Правильность этой формулы была подтверждена эмпирическим путем. В последние годы, на фоне роста спроса на крупногабаритные цилиндрические подшипники, стали наблюдаться несоответствия в расчетах динамической осевой грузоподъемности таких подшипников.

Постоянная величина коэффициента удельных теплопотерь, верная для всех типоразмеров подшипников, является слишком заниженной для крупногабаритных подшипников. В связи с этим на основании экспериментальных расчетов и требований  стандарта ISO 15312:2003 были выведены новые величины коэффициентов для подшипников с площадью теплоотвода _r > 50 000 mm², где _r = . B . (D + d), (рис.5). Из включения в (1) следует:

Для _r ≤ 50 000 mm²:

Для _r > 50 000 mm²:

Дополнительное охлаждение

превышает теоретическую величину, полученную путем расчетов по формуле (1) или (2), дополнительное охлаждение позволяет несколько увеличить предельно допустимую величину осевой нагрузки на подшипник. Для условий постоянной циркуляции масла через подшипник с разницей температур потока масла на входе и выходе подшипника  [°C] и скоростью потока _s [л/мин], величина предельно допустимой осевой нагрузки F_ap.oil [кН] будет равна:

поскольку часть тепла, выделяющегося при трении внутри, отводится потоком масла.

Сравнение

В мощных промышленных редукторах, как правило, устанавливаются подшипники «тяжелой» серии NJ 23.. EC, которые воспринимают сравнительно большие осевые нагрузки. На рис. 6 показана зависимость величины динамической осевой нагрузки от размера подшипника.

Для подшипников с диаметром отверстия до 85 мм, формула, указанная в последнем издании Общего каталога SKF, по-прежнему верна, с той лишь разницей, что величина предельно допустимой осевой нагрузки может быть увеличена за счет охлаждения подшипника маслом.

Например: подшипник NJ 2313 ECP способен воспринимать осевую нагрузку F_ap.oil = 15 кН вместо F_ap = 9 кН, если он охлаждается циркуляцией масла со скоростью потока _s = 0,4 л/мин и при разнице температур потока масла на входе и выходе подшипника  = 20°С ниже рабочей температуры подшипника для избранных эталонных условий F_r = 29 кН и n = 1600 об/мин.

Для подшипников серии NJ 23.. EC с диаметром отверстия свыше 85 мм эта формула в ее «прежнем» виде дает завышенные величины, например, F_ap = 274 кН для подшипника NJ 2360 ECMA при F_r = 400 кН и n = 285 об/мин, которые согласно формулам (2) и (3) могут быть реализованы лишь при _s = 11 л/мин и  = 20°С.

Переменные осевые нагрузки

Кроме того, в течение «коротких периодов времени» допустимо увеличение в два раза величины F_ap, полученной по формуле (1)/(2) при условии, что временное повышение рабочей температуры подшипника не превысит 5°С. В зависимости от размера подшипника, величины действующей нагрузки и частоты вращения протяженность этого «короткого периода» может составлять от нескольких секунд до нескольких минут. На практике этот «короткий период» можно рассматривать как время, в течение которого подшипник с осевым нагружением совершает 1000 оборотов.

Другие факторы

В тех случаях, когда подшипник вращается с малой частотой, фактором, ограничивающим предельно допустимую величину осевой нагрузки, является не сила трения, а прочность борта. Указанные в Общем каталоге SKF формулы пригодны для большинства областей применения подшипников. Однако в критических случаях рекомендуется производить более точный анализ, например, с помощью эффективной программы FEA (рис. 7). Помощь в этом всегда окажут специалисты технической службы SKF.

Заключение

Скорректированная формула расчета динамической осевой грузоподъемности цилиндрических роликоподшипников позволяет произвести точную оценку предельно допустимой осевой нагрузки крупногабаритных подшипников (_r > 50 000 mm²). При этом учитываются как условия эксплуатации подшипника так и присущие подшипникам SKF особенности. Кроме того, внесена поправка на охлаждение подшипника циркуляцией масла, позволяющая вычислить требуемый поток масла для заданной величины нагрузки или предельно допустимую величину нагрузки для заданного потока масла. В эти формулы также будут постоянно вноситься изменения вероятно, приведут к улучшению как параметров грузоподъемности, так и общих рабочих характеристик подшипников.