Шкивы канатиковой заправки

Данный пример иллюстрирует процесс выбора подшипников для шкивов канатиковой заправки новой бумагоделательной машины.

Изготовитель бумагоделательных машин собирается построить новую машину со шкивами канатиковой заправки стандартной конструкции. Требования конечного потребителя заключаются в том, чтобы срок службы шкивов без проведения техобслуживания составил пять лет.

Описание каждого этапа в примере приведено в раскрывающейся/ниспадающей секции ниже. Последовательность этапов в примере соответствует порядку действий при выборе подшипников. Некоторые этапы, например, «Размер подшипника», необходимо повторять несколько раз, если расчёты зависят от последующих этапов процесса выбора. Это указано в заголовке. Например, «Размер подшипника (этап 2)». Подробное описание каждого этапа см. в разделе «Выбор подшипников».

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

Шкивы канатиковой заправки (рис. 1) располагаются между валами/цилиндрами и постоянно вращаются во время работы бумагоделательной машины. При этом постоянно вращается наружное кольцо канатикового шкива.

Условия эксплуатации:
  • частота вращения: 2450 об/мин
  • радиальная нагрузка: 1,1 кН — создаётся за счёт массы шкива и натяжения канатика и распределяется между подшипниками
  • осевая нагрузка: отсутствует — канатик не создаёт осевую нагрузку, что обусловлено соответствующей ориентацией шкивов
  • условия окружающей среды: высокая влажность при температуре окружающей среды 80 °C (175 °F)
Тип и конструкция подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Поскольку шкивы канатиковой заправки работают с низкими нагрузками и средними частотами вращения, в их конструкции используются два радиальных шарикоподшипника. Для продолжительной эксплуатации без необходимости проведения техобслуживания требуется использование уплотнённых подшипников. Радиальные шарикоподшипники SKF поставляются с различными уплотнительными решениями.

В плавающем подшипниковом узле каждый подшипник обеспечивает осевую фиксацию шкива в одном направлении, а весь узел может перемещаться в осевом направлении на небольшое расстояние между двумя крайними положениями.
Размер подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

В канатиковом шкиве существующей конструкции используются два подшипника 6207-2RS1. SKF заменила уплотнение RS1 на RSH. В этом примере мы проверяем применимость подшипников 6207-2RSH (→ таблица).

На следующем этапе процесса выбора необходимо определить метод, на основании которого будет осуществляться выбор размера. Подшипники работают в стандартных условиях эксплуатации, поэтому возможным видом неисправности является контактная усталость при качении. Поэтому размер выбирается на основе номинального ресурса.

Номинальный ресурс




Ввиду отсутствия осевого нагружения эквивалентная динамическая нагрузка P, действующая на каждый подшипник, равна величине радиальной нагрузки, разделённой на два.
  • P = 0,55 кН
  • соотношение нагрузки C/P = 49
Номинальный ресурс L10h = 804 800 ч. Это значение намного больше, чем требуемые 5 лет без техобслуживания (43 800 ч).

Заключение

  • Учитывая такой большой номинальный ресурс и частоту вращения 2450 об/мин, рекомендуется убедиться в достаточном нагружении подшипника для поддержания условий качения и предотвращения проскальзывания шариков. Это необходимо выполнить после проверки условий смазывания, поскольку вязкость смазочного материала влияет на требуемую минимальную нагрузку.
  • Кроме того, необходимо проверить срок службы пластичной смазки, чтобы убедиться в соответствии подшипника требованиям конечного потребителя.

Номинальный ресурс SKF, L10mh, рассчитывается после проверки условий смазывания, рабочей температуры и частоты вращения, поскольку результат зависит от вязкости смазочного материала. Это будет выполнено далее, см. «Размер подшипника (этап 2)».

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

Подшипник 6207-2RSH заполнен пластичной смазкой MT33 (таблица 1).

Прежде чем продолжить, необходимо определить рабочую температуру.
Рабочая температура и частота вращения
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Если соотношение нагрузки C/P > 10, рабочая температура ниже 100 °C (210 °F), рабочая частота вращения составляет менее 50 % от предельной и нет явных внешних источников тепла, то необходимость в проведении тщательного термического анализа отсутствует.

В данном примере:
  • соотношение нагрузки: C/P = 49 > 10
  • рабочая частота вращения: 2450 об/мин < 0,5 x 6300 (предельная частота вращения)
  • Исходя из опыта эксплуатации шкивов канатиковой заправки в аналогичных условиях, рабочая температура подшипника составляет около 90 °C (195 °F).
Таким образом, проведение тщательного термического анализа не требуется.
Смазывание (этап 2)
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

1. Срок службы пластичной смазки MT33

Срок службы пластичной смазки можно рассчитать с помощью диаграммы 1, см. «Пластичные смазки для уплотнённых подшипников» в разделе «Однорядные радиальные шарикоподшипники». Поскольку вращается наружное кольцо подшипника, при расчёте срока службы пластичной смазки nD используется вместо ndm (таблица 2).

Затем, используя исходные данные:
  • nD = 2450 x 72 = 176 400
  • Пластичная смазка МТ33 с коэффициентом рабочих характеристик GPF = 1
  • рабочая температура около 90 °C (195 °F)
Срок службы пластичной смазки, L10h, составляет около 12 500 часов, что меньше требуемого срока эксплуатации (5 лет без техобслуживания).

2. Срок службы пластичной смазки WT

Подшипник SKF 6207-2RSH может поставляться с заполнением пластичной смазкой WT с коэффициентом рабочих характеристик GPF = 4. Это смазка на основе полимочевины и эфирного масла. (таблица 3).

Из диаграммы 1 срок службы пластичной смазки L10h составляет 50 000 часов, что больше 5 лет.

Заключение

Подшипник SKF 6207-2RSH, заполненный пластичной смазкой WT, отвечает требованиям в отношении срока службы пластичной смазки.
Размер подшипника (этап 2)
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Исходя из выводов, сделанных ранее в разделе «Размер подшипника», теперь необходимо проверить минимальную нагрузку, а также номинальный ресурс SKF.

Минимальная нагрузка


Используя формулу минимальной нагрузки из раздела «Нагрузка», минимальная нагрузка Frm выражается как
где:
  • kr = 0,025
  • v = 210 мм2
    Чтобы охватить все экстремальные условия эксплуатации, при определении минимальной нагрузки следует использовать максимально возможное значение вязкости масла. Это значение соответствует значению при самой низкой температуре, которая составляет 20 °C (70 °F). Вязкость базового масла для пластичной смазки WT при 40 °C (105 °F) составляет 70 мм2/с ≈ ISO VG 68. Согласно диаграмме 2 или расчётам с помощью SKF Bearing Calculator, для пластичной смазки WT значение v = 210 мм2/с при 20 °C (70 °F).
  • dm = (d+D)/2 = (35+72)/2 = 53,5 мм
Следовательно:
Frm = 0,44 кН < 0,55 кН, т. е. подшипник 6207-2RSH/WT является подходящим.

Номинальный ресурс SKF


 

Поскольку P < Pu, усталость не является ограничивающим фактором (→ «Предел усталостной прочности Pu»). Однако целесообразно проверить условия смазывания (коэффициент вязкости) и модифицированный коэффициент ресурса.

1. Условия смазывания — коэффициент вязкости, κ

κ = ν/ν1

Используются следующие значения:
  • ν1 определяется из диаграммы 3
  • где dm = 53,5 и n = 2450 об/мин, ν1 составляет около 12 мм2
Для WT вязкость базового масла при 90 °C (195 °F) определяется по диаграмме 2 или рассчитывается с помощью SKF Bearing Calculator и составляет 12 мм2/с.

Коэффициент вязкости κ = 12/12 = 1

2. Коэффициент ресурса aSKF

Для определения модифицированного коэффициента ресурса радиальных шарикоподшипников используется диаграмма 4, при этом: При ηc Pu/P = 0,7 из диаграммы 4 получаем значение aSKF около 50, что намного больше 1. Таким образом, номинальный ресурс SKF существенно превышает требуемое значение.

Заключение

Подшипник SKF 6207-2RS1/WT является подходящим в отношении усталостного ресурса.

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

На внутренние кольца подшипников действует неподвижная нагрузка, при этом в подшипниковом узле с перекрёстной фиксацией между внутренними кольцами не используется распорная втулка. Они устанавливаются со свободной посадкой для облегчения монтажа. Для стандартных условий эксплуатации рекомендуется использовать посадку g6Ⓔ (таблица 5).

На наружные кольца подшипников действует вращающаяся нагрузка, поэтому они устанавливаются с натягом. Для стандартных условий эксплуатации рекомендуется использовать посадку M7Ⓔ (таблица 6) с диапазоном вероятного натяга от –25 до +8 (таблица 7).

Наружные кольца подшипников в шкивах канатиковой заправки бумагоделательных машин должны всегда устанавливаться с натягом (→ справочник SKF «Подшипники качения в бумагоделательных машинах»). Для этого необходимо выбрать посадку N6Ⓔ с диапазоном вероятного натяга от –29 до –5 (таблица 8). В отношении геометрических допусков и шероховатости поверхности можно использовать обычные рекомендации.

Допуски для посадочных мест подшипников:
 Допуск на
размеры
Радиальное
биение
Осевое
биение
Ra
Внутреннее кольцоg6ⒺIT5/2IT51,6 мкм
Наружное кольцоN6ⒺIT6/2IT63,2 мкм
Исполнение подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Начальный внутренний зазор

В данной конструкции шкивов используются подшипники с нормальным начальным зазором. Посадка наружного кольца с натягом уменьшает внутренний зазор. Рабочий зазор определяется как для нормального начального зазора, так и для начального зазора С3, чтобы выбрать наиболее подходящее исполнение подшипника.

1. Начальный внутренний зазор

НормальныйC3
мин./средн./макс.6 / 13 / 20 мкм15 / 24 / 33 мкм
 → «Технические данные подшипников». Значения получены из таблицы 9.


2. Уменьшение зазора, вызываемое посадкой с натягом

Внутреннее кольцо устанавливается без натяга, поэтому следует использовать:

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

Определяются следующие значения:
Результаты:
d/D
0,49 
f2

0,87 
Δ2мин./средн./макс.–29/–17/–5 мкм 
Δrfitмин./средн./макс.–25–15–4 мкм 


3. Внутренний зазор в смонтированном состоянии

НормальныйC3
мин./средн./макс.–19 / –2 / 6 мкм–10 / 9 / 29 мкм

Требуется зазор не ниже С3. Анализ с использованием собственного программного обеспечения SKF, учитывающий эффекты сглаживания сопряжённых поверхностей и вероятность того, что максимальное уменьшение натяга совпадает с минимальным зазором подшипника, даёт следующие значения для подшипника с внутренним зазором С3:
мин./средн./макс.
–2 / 16 / 32 мкм


Малый отрицательный рабочий зазор не критичен для шарикоподшипников. Для рассматриваемой области применения зазор С3 является достаточным.

Уплотнения

В данном узле не рекомендуется использование защитных шайб (суффикс 2Z) вместо контактных уплотнений (суффикс 2RSH), поскольку существует риск утечки пластичной смазки при вращении наружного кольца. Преимущество уплотнения 2RSH заключается в повышенной стойкости к проникновению воды (очистка водой под давлением), что актуально для целлюлозно-бумажных производств. В результате это позволяет увеличить срок службы подшипника.

Использование гибридных подшипников

В зависимости от конкретной бумагоделательной машины и расположения шкива канатиковой заправки, шкив может подвергаться воздействию более высоких рабочих температур, что приведёт к снижению срока службы пластичной смазки. Использование гибридных подшипников (с керамическими шариками вместо стальных) того же размера может увеличить срок службы пластичной смазки как минимум в два раза.

Изменение конструкции

Срок службы пластичной смазки можно увеличить, изменив конструкцию ступицы шкива таким образом, чтобы у подшипника вместо наружного кольца вращалось внутреннее кольцо. 

При этом параметр быстроходности будет ndm = 131 000 вместо nD = 176 400.

Срок службы пластичной смазки, L10h, для подшипника 6207-2RSH/C3WT увеличится с 50 000 до 61 000 ч.

SKF разработала ступицу шкива канатиковой заправки с учётом перечисленных выше факторов. Подшипники с вращающимся внутренним кольцом оснащены керамическими шариками и заполнены пластичной смазкой WT (рис. 2). Усовершенствованная конструкция была разработана на базе специальных подшипников. Дополнительная информация представлена в справочнике SKF «Подшипники качения в бумагоделательных машинах».
Уплотнения, монтаж и демонтаж
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Иногда для повышения степени защиты встроенных уплотнений дополнительно устанавливаются простые лабиринтные уплотнения.

Для данной области применения используются обычные методы монтажа и демонтажа подшипников.
Общие выводы
Уплотнённый и заполненный смазкой подшипник 6207-2RSH/C3WT класса SKF Explorer отвечает всем требованиям.

Для более тяжёлых условий эксплуатации или дополнительного увеличения межремонтных интервалов SKF может предложить другие решения.
SKF logo