Центробежные насосы

Данный пример иллюстрирует процесс выбора подшипников применительно к ситуации, когда требуется выполнить модернизацию конструкции центробежного насоса.

Производитель хочет повысить КПД центробежного насоса путём изменения конструкции крыльчатки. Это приведёт к увеличению нагрузки на подшипник, поэтому необходимо проверить, соответствует ли выбранный ранее подшипник новым требованиям. Чертёж агрегата представлен на рис. 1.

Описание каждого этапа в примере приведено в раскрывающейся/ниспадающей секции ниже. Последовательность этапов в примере соответствует порядку действий при выборе подшипников. Подробное описание каждого этапа см. в разделе «Выбор подшипников».

Рабочие характеристики и условия эксплуатации
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting


Условия эксплуатации:
  • частота вращения: n = 3 000 об/мин
  • смазывание:
    • метод: масляная ванна
    • класс вязкости масла: ISO VG 68
  • для плавающей опоры используется цилиндрический роликоподшипник NU 311 ECP:
    • макс. радиальная нагрузка: Fr = 3,29 кН
    • расчётная рабочая температура: T = 70 °C (160 °F)
  • для фиксирующей опоры используются два радиально-упорных шарикоподшипника для универсального монтажа 7312 BECBP, установленные по О-образной схеме:
    • макс. радиальная нагрузка: Fr = 1,45 кН
    • макс. осевая нагрузка: Fa = 11,5 кН
    • расчётная рабочая температура: T = 85 °C (185 °F)
Согласно отраслевым стандартам в отношении насосов, номинальный ресурс L10h должен составлять не менее 16 000 ч в условиях максимального нагружения.

Тип и конструкция подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Цилиндрический роликоподшипник используется в качестве плавающей опоры, а два однорядных радиально-упорных шарикоподшипника для универсального монтажа — в качестве фиксирующей опоры.

Цилиндрический роликоподшипник типа NU используется по следующим соображениям:
  • Он способен компенсировать тепловое расширение вала благодаря своей геометрии.
  • Внутреннее кольцо может устанавливаться отдельно от наружного кольца с роликами и сепаратором, что упрощает сборку насоса и установку обоих колец с посадкой с натягом.
Для двух однорядных радиально-упорных шарикоподшипников для универсального монтажа:
  • Подшипники с углом контакта 40° хорошо подходят для применения в условиях высоких осевых нагрузок при средних и высоких частотах вращения.
  • Подшипники установлены по О-образной схеме, внутренние кольца зафиксированы и имеют посадку на валу с натягом. Поскольку зазор пары согласованных подшипников регулируется посредством фиксации внутренних колец, наружные кольца могут устанавливаться в корпусе между заплечиком и крышкой без точной фиксации.
Оба посадочных места под подшипники в корпусе подвергаются одновременной механической обработке, что обеспечивает их соосность. Перекос составляет менее 2 угловых минут, что является допустимым для пары радиально-упорных шарикоподшипников и цилиндрического роликоподшипника.

Заключение

Выбранные ранее типы подшипников и схема их установки подходят для рассматриваемой области применения.

Размеры подшипника, плавающая опора
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Заданные рабочие условия и влияние контактной усталости при качении указывают на необходимость определения размера подшипника с помощью номинального ресурса и номинального ресурса SKF.

Технические данные подшипника NU 311 ECP представлены в таблице.

Номинальный ресурс




Из раздела «Нагрузка» P = Fr. Следовательно, соотношение нагрузки C/P = 156/3,29 = 47.



Подшипник имеет слишком большой размер. 

Номинальный ресурс SKF


 

1Условия смазывания — коэффициент вязкости, κ

κ = ν/ν1

Исходные данные:
  • класс вязкости масла = ISO VG 68
  • рабочая температура = 70 °C (160 °F)
в этом случае из диаграммы 1 ν = 20 мм2

Исходные данные:
  • n = 3 000 об/мин
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 мм

в этом случае из диаграммы 2 ν1 = 7 мм2

Следовательно, κ = 20/7 = 2,8


2. Коэффициент загрязнённости ηc

Исходные данные:

  • обычные условия загрязнения (открытые подшипники, отсутствие фильтрации, частицы износа и попадание загрязнений из окружающей среды)
  • dm = 87,5 мм
в этом случае из таблицы 1 ηc = 0,2

Исходные данные: тогда ηc Pu/P = 0,2 x 18,6 / 3,29 = 1,13

3Коэффициент ресурса aSKF

Исходные данные:
  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP — подшипник класса SKF Explorer
в этом случае из диаграммы 3 аSKF = 50

Исходные данные:
  • L10h > 1 000 000 ч
тогда L10mh > 50 x 1 000 000 ч

тогда L10mh намного превышает 1 000 000 ч, что указывает на слишком большой размер подшипника для данных рабочих условий.

Минимальная нагрузка

Очень большие значения номинального ресурса и номинального ресурса SKF, значительно превышающие требуемый ресурс подшипника, могут указывать на недостаточное нагружение подшипника.

Используя формулу минимальной нагрузки из раздела «Нагрузка», минимальная радиальная нагрузка Frm, необходимая для предотвращения проскальзывания роликов цилиндрических роликоподшипников, определяется следующим образом:

Исходные данные:
  • dm = 87,5 мм
  • kr = 0,15 
  • n = 3 000
  • nr = 6 000 
тогда:

Frm = 0,94 кН < Fr = 3,29 кН

Заключение

Подшипник имеет слишком большой размер / недостаточно нагружен. Возможны следующие варианты:

  • Продолжать использование существующего подшипника. Риск повреждения подшипника вследствие недостаточного нагружения отсутствует.
  • Использовать подшипник меньшего размера, сократив при этом затраты. Рекомендуется рассмотреть один из следующих вариантов:
    • Оставить тот же диаметр вала, но из серии NU 2 выбрать подшипник меньшего размера — NU 211 ECP ( → таблица).
    • При условии, если позволяет конструкция вала (прочность и жёсткость), уменьшить на один шаг его диаметр и из серии NU 2 выбрать подшипник меньшего размера — NU 210 ECP ( → таблица).
    Однако оба варианта, предусматривающие уменьшение размера, требуют внесения изменений в конструкцию сопряжённых деталей.
Размеры подшипника, фиксирующая опора
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Заданные рабочие условия и влияние контактной усталости при качении указывают на необходимость определения размера подшипника с помощью номинального ресурса и номинального ресурса SKF.

Технические данные подшипника 7312 BECBP представлены в таблице.

Номинальный ресурс




Из раздела «Нагрузка» → «Грузоподъёмность спаренных подшипников»:

C = 1,62 Cодиночного подшипника = 1,62 x 104 = 168,5 кН

Из раздела «Нагрузка» для спаренных подшипников, установленных по О-образной схеме:

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

Таким образом:

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 кН

Следовательно, соотношение нагрузки C/P = 168,5/11,52 = 14,6.



Номинальный ресурс SKF




1Условия смазывания — коэффициент вязкости, κ

κ = ν/ν1

Исходные данные:
  • класс вязкости масла = ISO VG 68
  • рабочая температура = 85 °C (185 °F)
в этом случае из диаграммы 1 ν = 13 мм2

Исходные данные:
  • n = 3 000 об/мин
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 мм

в этом случае из диаграммы 2 ν1 = 7 мм2

Следовательно, κ = 13/7 = 1,8

Следующий, более высокий класс вязкости ISO VG 100 дал бы значение κ = 2,5. Однако это привело бы к необходимости использования подшипника 7312 BECBP с коэффициентом вязкости κ > 4, что дало бы нежелательно высокие значения κ, особенно при холодном запуске.


2. Коэффициент загрязнённости ηc

Исходные данные:

  • обычные условия загрязнения (открытые подшипники, отсутствие фильтрации, частицы износа и попадание загрязнений из окружающей среды)
  • dm = 95 мм
в этом случае из таблицы 1 ηc = 0,2

Исходные данные:
  • Pu = 2 x 3,2 = 6,4 
  • P = 11,52 (→ «Номинальный ресурс», см. выше) 
тогда ηc Pu/P = 0,2 x 6,4 / 11,52 = 0,11 


3Коэффициент ресурса aSKF

Исходные данные:
  • κ = 1,8
  • ηc Pu/P = 0,11 
  • 7312 BECBP — подшипники класса SKF Explorer
в этом случае из диаграммы 4 аSKF = 5 

Исходные данные:
  • L10h = 17 400 ч
тогда L10mh = 5 x 17 400 = 87 000 ч


Заключение:

Пара подшипников 7312 BECBP класса SKF Explorer имеет подходящий размер.

Смазывание
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

В данном насосе предусмотрена масляная ванна. Такой метод смазывания является стандартным для технологических насосов из-за требований к длительным интервалам техобслуживания. Для простоты конструкции в данном насосе смазывание фиксирующих и плавающего подшипников осуществляется одной масляной ванной.

Как было определено на предыдущих этапах, для пары радиально-упорных шарикоподшипников κ = 1,8, а для цилиндрического роликоподшипника κ = 2,8. Таким образом, класс вязкости выбранного масла удовлетворяет требованиям.

Рабочая температура и частота вращения
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Определите, требуется ли проведение тщательного термического анализа (→ «Термическое равновесие»), проверив следующее:
  • частота вращения составляет менее 50 % от предельной для подшипника:
    • Это справедливо для плавающей опоры.
    • Для фиксирующей опоры этот показатель равен 56 %, что несколько выше указанного ограничения. Для пары однорядных радиально-упорных шарикоподшипников предельная частота вращения уменьшается на 20 % (→ «Допустимая частота вращения»), т. е. 3000/(0,8 x 6700) = 0,56.
  • соотношение нагрузки C/P > 10:
    • Это справедливо для фиксирующей и плавающей опор.
  • явные внешние источники тепла отсутствуют:
    • Насос установлен в месте, где температура окружающей среды находится в диапазоне от 20 до 30 °C (от 70 до 85 °F).
    • Среда, перекачиваемая насосом, имеет ту же температуру, т. е. на подшипники не воздействует дополнительное тепло.
Следовательно, в проведении термического анализа нет необходимости.

Сопряжённые детали подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Поскольку из-за изменения конструкции насоса нагрузка на подшипники увеличится, необходимо проверить допуски посадочных мест подшипников, чтобы обеспечить их установку с соответствующими посадками.

Для стандартного стального вала и чугунного корпуса в условиях стандартных частот вращения, температур и нагрузок на подшипник можно использовать «Допуски посадочных мест для стандартных условий».

Допуски для валов 
Допуски посадочных мест на валу для радиальных шарикоподшипников приведены в таблице 3, а для радиальных роликоподшипников — в таблице 4 (из раздела «Допуски посадочных мест для стандартных условий»).

Исходные данные:

NU 311 ECP7312 BECBP
Условия вращениявращающаяся нагрузка на внутреннее кольцовращающаяся нагрузка на внутреннее кольцо
Соотношение P/C0,020,07
Диаметр отверстия 55 мм60 мм


Результаты:
 Посадочное место подшипника
 ПодшипникДопуск на
размеры
Допуск общего
радиального биения
Допуск общего
осевого биения
Ra
NU 311 ECPk6ⒺIT5/2IT50,8 мкм
7312 BECBPk5ⒺIT4/2IT40,8 мкм


Допуски для корпусов
Любой износ, появляющийся в ходе эксплуатации, может привести к дисбалансу крыльчатки и, как следствие, к воздействию на наружные кольца обоих подшипников нагрузки в произвольном направлении.

Допуски посадочных мест в чугунных и стальных корпусах для радиальных подшипников приведены в таблице 5 (из раздела «Допуски посадочных мест для стандартных условий»).

Исходные данные:

NU 311 ECP7312 BECBP
Условия вращениянагрузка в произвольном направлениинагрузка в произвольном направлении
Соотношение P/C0,020,07
Наружный диаметр 120 мм130 мм


Результаты:
 Посадочное место подшипника
 ПодшипникДопуск на
размеры
Допуск общего
радиального биения
Допуск общего
осевого биения
Ra
NU 311 ECP
K7ⒺIT6/2IT63,2 мкм
7312 BECBPK7ⒺIT6/2IT63,2 мкм


Осевая фиксация 
Существующая конструкция обеспечивает надёжную осевую фиксацию. Необходимо убедиться, что стопорная гайка, фиксирующая внутренние кольца радиально-упорных шарикоподшипников, затянута с достаточным усилием. Усилие зажатия следует равномерно прилагать по окружности, при этом следует учитывать размеры опор (→ таблица). Во избежание деформации внутренних колец, а также для установки пары подшипников с требуемым осевым зазором, не допускается превышение усилия зажатия. Для центробежных насосов рекомендуется усилие зажатия С0/4 (19 кН).

Исполнение подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Проверка начального внутреннего зазора

В данной конструкции вентилятора используются подшипники с нормальным начальным зазором. На внутренний зазор влияют посадки внутреннего и наружного колец. Разница температур внутреннего и наружного колец в 10 °C (20 °F) приводит к уменьшению внутреннего зазора. Другие факторы не оказывают заметного влияния на внутренний зазор.

1. Начальный внутренний зазор

NU 311 ECPПара подшипников 7312 BECBP
мин./средн./макс.40 / 55 / 70 мкм22 / 32 / 27 мкм
 → «Технические данные подшипников». Значения получены из таблицы 6.→ «Технические данные подшипников». Величины осевого зазора из таблицы 7 преобразуются в радиальный зазор (осевой зазор x tan 40°).


2. Уменьшение зазора, вызываемое посадкой с натягом

Используем формулу: 

Δrfit = Δ1 f1 + Δ2 f2«Уменьшение зазора, вызываемое посадкой с натягом»

Определяются следующие значения:

Результаты:



NU 311 ECP Пара подшипников 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1

0,78 0,78
f2

0,86 0,86
Δ1мин./средн./макс.–32/–19/–6 мкм –26/–16/–6 мкм
Δ2мин./средн./макс.–20/0/20 мкм –21/1/23 мкм
Δrfitмин./средн./макс.–42 / –15 / –5 мкм –38 / –12 / –5 мкм


3. Уменьшение зазора, вызываемое разницей температур

Используем формулу: 

Δrtemp = ΔT dm x 12 x 10–6 → Уменьшение внутреннего зазора, вызываемое разницей температур вала, колец подшипника и корпуса

Результаты:

NU 311 ECP Пара подшипников 7312 BECBP
dm87,5 мм 95 мм
Δrtemp –11 мкм –11 мкм


4. Рабочий зазор 

NU 311 ECP Пара подшипников 7312 BECBP
мин./средн./макс.
–13 / 30 / 55 мкм
 –27 / 17 / 4 мкм


Для цилиндрических роликоподшипников обычно не рекомендуется применение отрицательного рабочего зазора (т. е. преднатяга).

У пар радиально-упорных шарикоподшипников средняя величина рабочего зазора должна быть близка к нулю (в пределах от небольшого зазора до лёгкого преднатяга), особенно когда на подшипники действует преимущественно осевая нагрузка. Небольшой диапазон необходим:
  • для ограничения преднатяга, т. е. достигается уменьшение трения (повышенное трение вызывает увеличение температуры, что приводит к уменьшению вязкости смазочного материала и сокращению ресурса подшипника)
  • для ограничения зазора, т. е. предотвращаются условия проскальзывания шариков
Вычисления, выполняемые вручную, не учитывают шероховатость сопряжённых поверхностей, упругую деформацию под нагрузкой, а также возможность одновременного влияния нескольких факторов.

Анализ с использованием передового программного обеспечения SKF даёт следующие результаты в отношении рабочего зазора:


NU 311 ECP Пара подшипников 7312 BECBP
мин./средн./макс. 
3 / 34 / 59 мкм 
 –10 / 11 / 24 мкм 


Эти результаты говорят о возможности использования нормального внутреннего зазора.

Выбор сепаратора

Используемые в настоящее время полиамидные сепараторы, центрируемые по телам качения, являются оптимальным выбором для данной области применения, так как обладают следующими характеристиками: расчётная рабочая температура 85 °C (т. е. более высокая температура, чем рабочая температура обеих подшипниковых опор), значительный запас по частоте вращения, а также доступность и оптимальная цена.

Исторически сложилось, что в некоторых странах для радиально-упорных шарикоподшипников предпочитают использовать латунные сепараторы. SKF поставляет их в качестве стандартных компонентов. Это также относится к цилиндрическим роликоподшипникам.

Заключение


Плавающая опора:

Используемый в конструкции центробежного насоса подшипник NU 311 ECP соответствует требованиям. В качестве альтернативы может быть использован подшипник NU 311 ECM. Существует возможность уменьшения размеров подшипника. 

Исполнение подшипника обозначается суффиксами в соответствии с системой обозначений (→ «Система обозначений»).

Суффиксы обозначения:

СуффиксОписание
Внутренняя конструкцияECоптимизированная внутренняя конструкция предусматривает увеличенное количество роликов и/или ролики большего размера с улучшенными условиями контакта торцов роликов с бортами внутреннего кольца для снижения трения
Конструкция сепаратораPсепаратор из стеклонаполненного полиамида PA66, центрируемый по роликам

Mмеханически обработанный латунный сепаратор, клёпаный, центрируемый по роликам
Класс зазоровНормальный


Фиксирующая опора: 

Используемая в конструкции центробежного насоса пара подшипников для универсального монтажа 7312 BECBP соответствует требованиям. В качестве альтернативы могут быть использованы подшипники 7312 BECBM.

Исполнение подшипника обозначается суффиксами в соответствии с системой обозначений (→ «Система обозначений»).

Суффиксы обозначения:

СуффиксОписание
Внутренняя конструкцияBУгол контакта 40°

Eоптимизированная внутренняя конструкция — комплект усиленных тел качения
Наружная конструкция / класс зазоровCBподшипник для универсального монтажа; два подшипника, установленные по О-образной или Х-образной схеме, имеют нормальный осевой внутренний зазор
Конструкция сепаратораPсепаратор из стеклонаполненного полиамида PA66, центрируемый по шарикам

Mмеханически обработанный латунный сепаратор, центрируемый по шарикам


Уплотнения, монтаж и демонтаж
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Уплотнения

В данной конструкции насоса для удержания смазочного материала (масляная ванна) внутри насоса и защиты подшипников от загрязняющих веществ используются манжетные уплотнения (рис. 1).

В данном случае могут быть использованы уплотнения SKF HMS5 (рис. 2) или HMSA10 (рис. 3) (→ «Уплотнения HMS5 и HMSA10»). Эти уплотнения подходят для узлов, смазываемых пластичной смазкой и маслом. Температурный диапазон и скоростные характеристики бутадиенакрилонитрильного каучука, используемого в данных уплотнениях, подходят для условий эксплуатации данного насоса.

Более подробные технические характеристики валов и отверстий корпусов представлены в разделах «Требования к валам» и «Требования к отверстиям корпусов».

В случае изнашивания сопряжённой поверхности уплотнения, её можно восстановить с помощью износостойкой втулки, например, SKF Speedi-Sleeve.

Монтаж подшипников в нагретом состоянии

Подшипники монтируются с посадкой с натягом на валу и с переходной посадкой в корпусе. Нагрев внутренних колец до 100 °C (210 °F) и посадочных мест в корпусе до 50 °C (160 °F) позволяет выполнить простой монтаж подшипников. Для нагрева внутренних колец используйте индукционный нагреватель или электрическую плитку SKF (→ «Нагреватели для подшипников»). 

Выверка соосности валов

Для обеспечения максимального срока службы насоса необходимо выполнить тщательную выверку соосности насоса и используемого в нём электродвигателя (→ «Инструменты для выверки»).

Общие выводы
Подшипники, применяемые в насосе в настоящее время, могут использоваться с новой конструкцией крыльчатки.

Рекомендуется уменьшение размера цилиндрического роликоподшипника.

SKF logo