Engineering Competence

Проблемы монтажа подшипников при вертикальном расположении вала

Одна из наиболее распространённых процедур монтажа подшипников связана с вертикальным расположением вала и использованием нагрева. Если учитывать все распространённые способы монтажа, каждый шестой подшипник может выйти из строя из-за непреднамеренного повреждения во время монтажа. Широко распространённая процедура монтажа подшипников при вертикальном расположении вала связана с некоторыми менее известными рисками. В данной статье рассматриваются потенциальные проблемы и способы их решения.

Related Articles

Монтаж подшипников и других компонентов, например, муфт и зубчатых передач в нагретом состоянии, оказался очень практичным методом. Нагрев, монтаж и усадка компонентов хорошо изучены, а применение индукционного нагрева отличается оперативностью и экономичностью. Работать с компонентами в вертикальном положении относительно легко, центрирование компонентов, установленных вертикально, не вызывает затруднений, а сила тяжести помогает удерживать компонент правильно прижатым к опорной поверхности, когда он охлаждается и сжимается.

Важно выполнять монтаж после нагрева быстро, пока температура не снизилась, иначе компонент может заклинить в неправильном положении, или могут возникнуть другие повреждения.

Рис. 1: Монтаж на вертикальный вал.

Варианты нагрева и монтажа

Существует несколько вариантов монтажа с использованием нагрева. К распространённым вариантам относятся следующие:

  • Нагретый подшипник монтируют на посадочное место ненагретого вала
  • Ненагретый вал монтируют в нагретый подшипник
  • Ненагретый подшипник монтируют в нагретый корпус
  • Нагретый корпус монтируют на ненагретый подшипник, который смонтирован на валу

Однако при монтаже на вертикальный вал подшипники ведут себя иначе, чем другие компоненты. При использовании всех вариантов монтажа зазор в подшипнике сначала увеличивается, а затем уменьшается во время различных циклов нагрева и охлаждения. Существует зависимость между осевым и радиальным зазорами подшипника, которая определяется углом контакта. Для двухрядных подшипников эта зависимость определяется следующим уравнением:

a = 2,3 x Yo x ∆ r (∆ a обычно в 5–15 раз больше радиального зазора)

Таким образом, небольшое перемещение в радиальном направлении (т. е. изменение зазора) приводит к значительному перемещению в осевом направлении.

Рис. 2: Существует зависимость между осевым и радиальным зазорами подшипника.

На вертикальном валу при изменении радиального зазора подшипник перемещается в осевом направлении. Это можно продемонстрировать (рис. 3), рассмотрев сначала нагретый подшипник (показан красным). Температура обоих колец одинакова, и в подшипнике имеется небольшой зазор. Подшипник опирается на наружное кольцо. Внутреннее кольцо немного смещается вниз. Когда вал при комнатной температуре монтируют и опускают на кольцо, внутреннее кольцо охлаждается валом — это обозначено серым цветом (рис. 4). Внутреннее кольцо становится меньше, следовательно, увеличивается зазор подшипника, и теперь внутреннее кольцо смещается в осевом направлении вниз вследствие увеличенного осевого зазора.

Рис. 3: На вертикальном валу изменение радиального зазора приводит к перемещению в осевом направлении.
Рис. 4: Внутреннее кольцо немного смещается вниз.

В конце концов, наружное кольцо достигает комнатной температуры (рис. 5), и его температура выравнивается с температурой внутреннего кольца, в результате чего образуется небольшой зазор в подшипнике. Однако теперь уменьшение зазора приводит к смещению внутреннего кольца вверх.

Рис. 5: Через некоторое время наружное кольцо также достигает комнатной температуры.

Итак, хотя это интересно с точки зрения прикладной физики, какова практическая значимость такого явления?

Во-первых, мы должны рассмотреть перемещения и силы внутри подшипника (рис. 6).

Рис. 6: Перемещения и силы внутри подшипника. Первая последовательность: внутреннее кольцо смещается вниз.

Сначала внутреннее кольцо движется вниз, и вертикальная нагрузка (M x g) воспринимается нижним рядом роликов. Присутствуют нагрузки на ролики (показаны красным цветом) и фрикционные нагрузки (показаны чёрным цветом).

Также необходимо учитывать угол контакта α и количество роликов Z. Используя следующее уравнение

N=(M x g)/Z(sin(α)+µ x cos(α)), мы видим, что трение уменьшает нагрузку на ролик.

Однако на втором этапе, когда внутреннее кольцо смещается вверх, вертикальная нагрузка (M x g) воспринимается нижним рядом роликов. Следовательно, уравнение принимает вид N = (M x g) / Z (sin (α) -µ x cos (α)), и направление силы трения меняется на противоположное (рис. 7). Если sin(α) = µ x cos(α), то движение вверх будет создавать очень большие нагрузки на ролики, и практическим следствием этого будет риск самоблокировки или задиров.

Рис. 7: Вторая последовательность: внутреннее кольцо смещается вверх.

Существуют комбинации коэффициентов трения и углов контакта, которые могут привести к самоблокировке (рис. 8). Из этого рисунка видно, что самоблокировка происходит при углах контакта от 4 до 15 градусов, когда коэффициент трения находится в диапазоне от 0,05 до 0,4. Потенциальные повреждения, связанные с самоблокировкой, — это пластическая деформация, которая приводит к шуму, вибрации и раннему выкрашиванию.

Рис. 8: Комбинации трения и углов контакта, которые приводят к самоблокировке.

Кроме того, за границами зоны самоблокировки имеется дополнительная зона, в которой могут возникать задиры (рис. 9). В этом случае трение является достаточным, чтобы остановить начальное движение, но не для того, чтобы противодействовать движению при более высокой нагрузке. При возникновении больших контактных усилий ролик в конечном счёте смещается в осевом направлении. Для такого сценария повреждения, связанные с движением в осевом направлении при высоком контактном усилии, представляют собой обдиры или, в худшем случае, задиры.

Рис. 9: Комбинации трения и углов контакта, которые приводят к состоянию «почти самоблокировка».

Практические результаты

Исходя из этого, были выявлены два потенциально негативных результата в отношении самоблокировки и «почти самоблокировки», которые часто встречаются в оборудовании, но редко рассматриваются как непосредственно связанные с процедурами монтажа. На рис. 10 показаны некоторые из распространённых повреждений подшипников.

В случае стоящего на полу главного вала ветряной турбины подшипник нагревают и устанавливают сверху. Затем внутреннее кольцо подшипника опирают на опорную поверхность, и подшипник охлаждается, а корпус нагревается. Затем нагретый корпус устанавливают сверху, и он опирается на наружное кольцо.

Измерения проводят в течение первого часа выравнивания температуры (рис. 11).

Рис. 11: Главный вал ветряной турбины, стоящий на полу.

На этой диаграмме имеются три зоны. В зоне 1 нагретый корпус размещается на наружном кольце. Наружное кольцо с корпусом смещается вниз под действием нагрузки, вызывая радиальный изгиб, который приводит к движению в осевом направлении. В зоне 2 нагретый корпус нагревает наружное кольцо, и оно расширяется. Зазор увеличивается. Теперь наружное кольцо с корпусом смещается вниз до тех пор, пока температура наружного кольца увеличивается. В зоне 3 наружное кольцо больше не нагревается, и по мере дальнейшего охлаждения корпуса наружное кольцо смещается вверх, так как зазор уменьшается. Последовательность движений включает пример прерывистого скольжения (отмечено красными кружками). В ходе осмотра, проведённого после монтажа, были обнаружены явные следы обдира поверхности (рис. 12).

Во втором случае измерения колец проводились в промышленном редукторе, где вал и зубчатая передача установлены вертикально. Сначала в корпус помещают подшипник, а на внутреннем кольце устанавливают дистанционное кольцо. Затем нагретую зубчатую передачу помещают поверх дистанционного кольца и внутреннего кольца. Наконец, охлаждённый вал монтируют в зубчатую передачу и во внутреннее кольцо. В этом случае измеряют перемещение в осевом направлении. Поскольку это моноблочная конструкция, корпус повёрнут боком (рис. 13).

Рис. 13: Моноблочная конструкция, корпус повёрнут боком.

В данном примере присутствовали две последовательности монтажа. В случае первой последовательности монтажа ненагретый корпус устанавливают на монтажный стенд, ненагретый подшипник устанавливают в корпус сбоку, и затем его смещают вниз. Наружное кольцо подшипника упирается в корпус и, наконец, ненагретое дистанционное кольцо устанавливают поверх внутреннего кольца. В случае второй последовательности монтажа, пока ненагретый корпус с подшипником ещё лежит на монтажном стенде, в корпус сбоку устанавливают нагретую зубчатую передачу, и затем её смещают вниз. Теперь зубчатая передача опирается на дистанционное кольцо, которое, в свою очередь, опирается на внутреннее кольцо. Затем сверху через зубчатую передачу, дистанционное кольцо и внутреннее кольцо устанавливают очень холодный вал.

Измерения проводились в течение первых полутора часов выравнивания температуры. Для облегчения измерений использовался макет корпуса (рис. 14).

Рис. 15: Измерения движения во время охлаждения.

И снова можно выделить три зоны. В зоне 1 внутреннее кольцо охлаждается очень холодным валом. Зазор увеличивается. Внутреннее кольцо с валом и зубчатой передачей смещается в осевом направлении вниз. В зоне 2 нагретая зубчатая передача нагрела вал, и теперь нагретый вал, в свою очередь, нагревает внутреннее кольцо. Внутреннее кольцо расширяется. Зазор уменьшается. Внутреннее кольцо с валом и зубчатой передачей смещается вверх. Зона 3 указывает на то, что реальное перемещение между роликами и дорожкой качения, вероятно, прекратилось. Скорее всего, измерялись изменения размеров всего испытательного стенда, связанные с температурой. Измерения показывают, что могут иметь место два случая «прерывистого скольжения» (отмечены красными кружками).

В данном случае был изучен внешний вид дорожки качения нижнего внутреннего кольца в испытываемом подшипнике после демонтажа этого подшипника. Были видны тонкие следы, ориентированные в осевом направлении.

Однако не все контакты с телами качения оставили такие следы. Под микроскопом тонкие следы, ориентированные в осевом направлении, оказались частично состоящими из материала задиров.

Эти повреждения распространяются из-за перекатывания и перерастают в поверхностные разрушения / износ.

Чтобы избежать повреждений, вызванных монтажом, необходимо работать над тремя аспектами. Во-первых, важно уменьшить или устранить нагрузку на подшипник во время выполнения последовательности монтажа. Логичный путь — избегать вертикального монтажа и (или) противодействовать силе тяжести. Если это невозможно, следует выполнять монтаж в вертикальном положении, но затем сделать наклон в горизонтальное положение, чтобы уменьшить осевую нагрузку во время охлаждения. Нужно постараться уменьшить трение, вращая компонент, чтобы высвободить его, и избегать перемещений, выполняя центрирование в осевом направлении во время охлаждения. Самое главное: понимание является ключевым фактором, так как знание о потенциальном повреждении во время монтажа помогает снизить риски.

SKF обладает значительными компетенциями в области монтажа подшипников, а приложение SKF Bearing Assist помогает решать проблемы, возникающие при монтаже. Кроме того, SKF может оказать поддержку в обучении специалистов по монтажу передовым практикам, а также помочь пересмотреть конструкцию оборудования и процедур монтажа подшипников для всех типов оборудования.