Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник, P

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

При вычислении номинального ресурса подшипника для формул номинального ресурса и номинального ресурса SKF необходимо значение эквивалентной динамической нагрузки на подшипник.
Нагрузки, действующие на подшипник, вычисляются по законам механики с помощью внешних сил, таких как силы от привода, рабочих сил, силы гравитации или инерции, которые известны или могут быть рассчитаны.
В реальных условиях эксплуатации нагрузки, действующие на подшипник, могут изменяться. Они могут действовать одновременно в радиальном и осевом направлениях и зависят от других факторов, которые требуют усложнения или, в отдельных случаях, упрощения вычислений.

Расчёт эквивалентной динамической нагрузки на подшипник
Значение нагрузки Р, используемое в формулах номинального ресурса подшипника, — это эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник. Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник определяется как гипотетическая нагрузка, которая постоянна по величине и направлению и действует в радиальном направлении на радиальные подшипники или в осевом направлении вдоль центральной оси на упорные подшипники.

В случае приложения данной нагрузки она оказывает такое же влияние на ресурс подшипника, как и фактические нагрузки, действующие на подшипник (рис. 1).

Если на подшипник одновременно действуют радиальная нагрузка Fr и осевая нагрузка Fa, которые постоянны по величине и направлению, эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник P может быть вычислена по общей формуле:

Equivalent dynamic bearing load
Выполнить расчёт

где
Pэквивалентная динамическая нагрузка на подшипник [кН]
Frфактическая радиальная нагрузка на подшипник [кН]
Faфактическая осевая нагрузка на подшипник [кН]
Xкоэффициент радиальной нагрузки для подшипника
Yкоэффициент осевой нагрузки для подшипника


Осевая нагрузка оказывает влияние на величину эквивалентной динамической нагрузки P, действующей на однорядный радиальный подшипник, только в том случае, если отношение Fa/Fr превышает определённый ограничивающий фактор e. Для двухрядных радиальных подшипников даже сравнительно небольшие осевые нагрузки влияют на эквивалентную нагрузку и должны обязательно учитываться.

Та же общая формула применима для упорных сферических роликоподшипников, которые способны воспринимать как осевые, так и радиальные нагрузки.

Некоторые упорные подшипники, например, упорные шарикоподшипники, упорные игольчатые и цилиндрические роликоподшипники могут выдерживать только осевые нагрузки. При условии, что нагрузка действует на такие подшипники в осевом направлении без перекоса, формула упрощается следующим образом:

P = Fa

Информация и данные, необходимые для расчёта эквивалентной динамической нагрузки для разных типов подшипников, представлены в соответствующих разделах продукции.

Эквивалентная средняя нагрузка
Другие нагрузки могут со временем изменяться. В таких случаях необходимо вычислять эквивалентную среднюю нагрузку.

Средняя нагрузка на протяжении рабочего цикла

В пределах каждого интервала нагрузки рабочие условия могут несколько отличаться от номинальных величин. Если предположить, что такие рабочие условия, как частота вращения и направление нагрузки, достаточно постоянны, а величина нагрузки постоянно изменяется в пределах от минимальной величины Fmin до максимальной величины Fmax (диаграмма 1), то величину средней нагрузки можно определить по формуле:

Fm Mean load

Вращающаяся нагрузка

Если, как показано на диаграмме 2, нагрузка на подшипник состоит из нагрузки F1 с постоянной величиной и направлением (например, вес ротора) и константы вращающейся нагрузки F2 (например, дисбалансная нагрузка), среднюю нагрузку можно получить по формуле:

Fm = fm (F1 + F2)

Значения коэффициента fm указаны на диаграмме 3.

Пиковая нагрузка

Высокие кратковременные нагрузки (диаграмма 4) могут не оказывать влияния на среднюю нагрузку, используемую при вычислении усталостного ресурса. Рассчитайте такие пиковые нагрузки в сравнении с номинальной статической грузоподъёмностью подшипника С0, используя соответствующий статический коэффициент запаса s0. → «Выбор размера в зависимости от статической нагрузки» 

Особенности расчёта эквивалентной динамической нагрузки на подшипник
При расчёте составляющих нагрузки для подшипников, на которые опирается вал, в целях упрощения вал рассматривается как статистически определённая балка, жёстко закреплённая в опорах. Упругие деформации подшипника, корпуса или рамы механизма не рассматриваются, равно как и моменты, возникающие в подшипнике в результате деформаций вала. Такие упрощения необходимы, если расчёт параметров подшипникового узла производится без использования специализированного программного обеспечения. Стандартизованные методы расчёта номинальной грузоподъёмности и эквивалентных нагрузок основаны на подобных допущениях.

Возможен расчёт нагрузок на подшипник без вышеуказанных допущений, основанный на теории упругости, но для этого требуются сложные компьютерные программы (→ SKF SimPro Quick и SKF SimPro Expert). В этих программах подшипник, вал и корпус рассматриваются как упругие компоненты системы.

Если внешние силы и нагрузки, такие как силы инерции или нагрузки вследствие воздействия массы вала и его компонентов, неизвестны, их можно рассчитать. Однако при определении рабочих сил и нагрузок, например, сил качения, моментных, дисбалансных и ударных нагрузок, иногда приходится полагаться на оценки, основанные на опыте эксплуатации подобного оборудования или подшипниковых узлов.

Зубчатые передачи

В случае зубчатых передач расчёт теоретических сил, действующих в передаче, может быть произведён на основе передаваемой мощности и геометрических параметров зацепления. Однако в данном случае действуют дополнительные динамические силы, возникающие в самой зубчатой передаче или за счёт внешнего воздействия на валы передачи. Дополнительные динамические силы в зубчатой передаче могут быть вызваны неточностью шага, формы зубьев или дисбалансом вращающихся деталей. У зубчатых передач, изготовленных с высоким классом точности, такие дополнительные силы обычно незначительны. Для менее высокоточных зубчатых передач используйте следующие коэффициенты нагрузки:

  • при погрешности шага и формы < 0,02 мм: от 1,05 до 1,1
  • при погрешности шага и формы от 0,02 до 0,1 мм: от 1,1 до 1,3
Дополнительные силы, возникающие вследствие конструктивных особенностей и режима работы механизмов, сопряжённых с зубчатыми передачами, могут быть определены только в том случае, если известны условия эксплуатации, инерция приводной системы и динамические характеристики муфт или других устройств сопряжения. Их влияние на номинальный ресурс подшипников учитывается при помощи «коэффициента нагрузки», который учитывает динамические характеристики системы.

Ремённые передачи

При расчёте нагрузок на подшипник в системах с ремёнными передачами необходимо учитывать величину натяжения ремня. Величина натяжения ремня является окружной нагрузкой, зависящей от передаваемого крутящего момента. Величина натяжения ремня должна быть умножена на коэффициент, величина которого зависит от типа ремня, способа его натяжения, а также дополнительных динамических сил. Эти величины обычно публикуются изготовителями ремней. Однако, если необходимые технические данные неизвестны, можно использовать следующие ориентировочные величины:

  • зубчатые ремни = от 1,1 до 1,3
  • клиновые ремни = от 1,2 до 2,5
  • плоские ремни = от 1,5 до 4,5

Более высокие значения используются в следующих случаях:

  • при малом расстоянии между валами
  • для режимов работы с тяжёлыми или пиковыми нагрузками
  • при сильном натяжении ремня 

Требуемая минимальная нагрузка

В тех областях применения, где размер подшипника определяется не нагрузкой, а другими факторами (например, когда диаметр вала ограничен критической частотой вращения), подшипник может работать с нагрузками, которые являются сравнительно лёгкими для его размера и грузоподъёмности. В случае очень лёгкого нагружения причинами выхода подшипников из строя зачастую являются механизмы разрушения, не связанные с усталостью металла, например, проскальзывание, задиры на дорожках качения или повреждения сепаратора. Для обеспечения стабильной работы подшипники качения всегда должны быть нагружены необходимой минимальной нагрузкой. Практика показывает, что на шарикоподшипники должна действовать минимальная нагрузка 0,01 С, а на роликоподшипники — 0,02 С. Более точные требования в отношении минимальной нагрузки указаны в соответствующих разделах продукции.

Важность приложения этой минимальной нагрузки возрастает при работе подшипника в условиях больших ускорений, быстрых пусков и остановок, а также когда его частота вращения составляет 50 % и более от предельной частоты вращения, которая указана в таблицах подшипников (→ «Ограничения по частоте вращения»). Если требования по приложению минимальной нагрузки невыполнимы, следует рассмотреть следующие варианты:

  • использование подшипника меньшей серии размеров
  • использование специальных методов смазывания или процедур приработки подшипника
  • использование подшипников NoWear
  • создание преднатяга
SKF logo