Опорное колесо

Данный пример иллюстрирует процесс выбора подшипников для опорного колеса нового крана.

Предприятие-производитель кранового оборудования спроектировало новый цеховой кран и хочет убедиться в возможности использования для него опорного колеса существующей конструкции (рис. 1). Опорное колесо имеет два гребня, которые обеспечивают направление крана при его перемещении по рельсу. Подшипники устанавливаются на промежуточную втулку, которая смонтирована на неподвижной оси. Свободная посадка между промежуточной втулкой и неподвижной осью упрощает монтаж узла колеса на конструкцию крана.

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

Радиальная нагрузка на колесо распределяется между подшипниками. Кроме того, при касании колесом рельса осевое направляющее усилие вызывает моментную нагрузку на подшипниковый узел (рис. 1), которая уравновешивается дополнительными радиальными нагрузками на подшипники, действующими в противоположном направлении. Поскольку конструкция плавающего подшипникового узла предусматривает наличие втулки с упорами, расположенными между двумя внутренними кольцами, подшипник с меньшей радиальной нагрузкой будет воспринимать осевую нагрузку, действующую на колесо.

Рабочие параметры и условия эксплуатации:

  • Радиальная нагрузка на колесо: Kr = 130 кН
  • Осевая нагрузка на колесо: 0,1 Kr  или пиковая нагрузка 0,3 Kr
  • Диаметр колеса: D = 315 мм
  • Скорость перемещения: v = 25 м/мин → частота вращения n = 25,3 об/мин
  • Расстояние между подшипниками: l = 160 мм
  • Диаметр неподвижной оси: d1 = 60 мм
  • Диаметр втулки: d = 90 мм
  • Средняя температура окружающей среды: T = 20 °C (70 °F)
  • Подшипники: 2 × 22218 E (сферические роликоподшипники)
  • Требуемый номинальный ресурс: 12 500 ч (работа 2 ч/день)
  • Требуемый статический коэффициент запаса: > 2
Тип и конструкция подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Из-за очень малого расстояния между двумя подшипниками тепловое расширение оси будет незначительным. В данной конструкции может использоваться плавающий подшипниковый узел.
Узел подвержен воздействию больших радиальных нагрузок, при этом подшипники также должны воспринимать осевые нагрузки. Для таких условий сферические роликоподшипники являются оптимальным выбором.
Размер подшипника
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Для определения размера подшипника необходимо использовать два основных критерия:

  1. Номинальный ресурс
    Каждый подшипник воспринимает только радиальную нагрузку (увеличенную на величину момента, вызываемого осевой нагрузкой) или осевую нагрузку вместе с радиальной (уменьшенной на величину момента, вызываемого осевой нагрузкой). Применимая эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник будет равна среднему значению нагрузки для двух вариантов нагружения.

  2. Статическая нагрузка
    Максимальную эквивалентную статическую нагрузку на подшипник необходимо учитывать при расчёте статического коэффициента запаса.

Грузоподъёмность и расчётные коэффициенты → 22218 Е — информация о продукции

Нагрузка на подшипник — только радиальная

Fr1 = Kr/2 + 0,1Kr D/2l = 130/2 + (0,1 × 130 × 315) / (2 × 160) = 77,8 кН
Fr1 peak = 130/2 + (0,3 × 130 × 315) / (2 × 160) = 103,4 кН
Fa1 = 0 

Эквивалентные нагрузки на подшипник (→ Нагрузки)
Fa1 = 0 ≤ e
P1 = Fr1 = 77,8 кН
P01 = Fr1 peak = 103,4 кН

Нагрузка на подшипник — радиальная и осевая

Fr2 = Kr/2 – 0,1Kr D/2l = 130/2 – (0,1 × 130 × 315) / (2 × 160) = 52,2 кН
Fa2 = 0,1Kr = 13 кН
Fr2 peak = Kr/2 – 0,3Kr D/2l = 26,6 кН
Fa2 peak = 0,3Kr = 39 кН

Эквивалентные нагрузки на подшипник (→ Нагрузки)
Fa2/Fr2 = 0,25 > e
P2 = 0,67 Fr2 + Y2 Fa2 = 0,67 × 52,2 + 4,2 × 13 = 89,6 кН
P02 = Fr2 peak + Y0Fa2 peak = 26,6 + 2,8 × 39 = 136 кН

Номинальный ресурс

На основе среднего значения нагрузки для двух вариантов нагружения (→ Эквивалентная средняя нагрузка)

Pm = (P1 + 2 P2) / 3 = (77,8 + 2 × 89,6) / 3 = 85,7 кН



L10h = 106 / (60 × 25,3) × (331 / 85,7)10/3 = 59 550 ч > 12 500 ч

Статический коэффициент запаса

На основе максимальной пиковой нагрузки P0 = 136 кН:

s0 = C0/P0 = 375 / 136 = 2,76 > 2

Заключение

Подшипник 22218 E имеет подходящие размеры для данной области применения.

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

При низких рабочих частотах вращения, а также для защиты от загрязнений используется смазывание пластичной смазкой. При этом полости подшипников и ступиц заполняются пластичной смазкой на 100 %. Смазка подаётся через каналы в неподвижной оси и втулке.

Выбор пластичной смазки

  • Температура: 20 °C (70 °F) → низкая (L)
  • Частота вращения: nD = 25,3 × 160 ≈ 4050 → очень низкая (VL)
  • Нагрузка: C/P = 3,8 → высокая (H)
  • Пиковые нагрузки
  • Требуются хорошие антикоррозионные свойства

Карта выбора пластичных смазок SKF [PDF] 

SKF LGEP2 является подходящим вариантом. Однако, принимая во внимание частые пуски и остановки, следует рассмотреть возможность использования для опорных колёс альтернативных пластичных смазок LGEV2 и LGEM2.

Интервал повторного смазывания

Рабочие частоты вращения слишком низкие, чтобы использовать диаграмму для определения интервала повторного смазывания. Кроме того, интервал повторного смазывания определяется необходимостью защиты от загрязнений. 

Для данного цехового крана производитель рекомендует начать с ежемесячного повторного смазывания. Если через месяц выходящая пластичная смазка выглядит как новая, интервал повторного смазывания может быть увеличен.

Количество смазки для повторного смазывания

Gp = 0,005 D B = 0,005 x 160 x 40 = 32 г

Рабочая температура и частота вращения

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

Для данных условий применения (особенно учитывая очень низкую частоту вращения и низкую температуру окружающей среды) отсутствует необходимость в проведении расширенного термического анализа.

Сопряжённые детали подшипника

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

Условия вращения:

  • неподвижная нагрузка на внутреннее кольцо → возможна свободная посадка (рекомендуется для облегчения монтажа)
  • вращающаяся нагрузка на наружное кольцо → необходима посадка с натягом
Допуски посадочных мест для стандартных условий можно определить с помощью таблицы 2 и таблицы 4:

Допуск на
размеры
Допуск на общее
радиальное биение
Допуск на общее
осевое биение
Ra
Внутреннее кольцо
g6ⒺIT5/2IT51,6 мкм
Наружное кольцо
P7ⒺIT6/2IT63,2 мкм

Для облегчения монтажа можно использовать допуск N7Ⓔ из-за очень низкой рабочей частоты вращения наружного кольца. В качестве альтернативы допуск h6Ⓔ для внутреннего кольца обеспечит переходную посадку, что позволит минимизировать относительные перемещения между внутренним кольцом и осью/втулкой.

Для плавающего подшипникового узла необходим небольшой осевой зазор между подшипниками и соответствующими упорами. Из-за свободной посадки внутренних колец между ними и упорами втулки должен образоваться зазор.

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

Класс зазоров

В данной конструкции используются подшипники с нормальным начальным внутренним зазором. Посадка наружных колец с натягом уменьшает внутренний зазор. Внутренние и наружные кольца имеют одинаковую температуру. Определим рабочий зазор.



1. Начальный внутренний зазор
мин./средн./макс.60 / 80 / 100 мкм
→ «Технические данные подшипников». Значения получены из таблицы 5.


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
0,56
f2
0,88
Δ2мин./средн./макс.−60/−36/−11 мкм
Δrfitмин./средн./макс.−53−31−10 мкм


3. Внутренний зазор в смонтированном состоянии
мин./средн./макс.7 / 49 / 90 мкм

Этот результат говорит о возможности использования нормального внутреннего зазора.



Другие конструктивные особенности

Стандартное исполнение (стальной сепаратор, размерные допуски по нормальному классу точности, геометрические допуски по классу точности P5) отвечает эксплуатационным требованиям.

Итоговое обозначение подшипника: 22218 E

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

Уплотнения

В данной конструкции используются простые бесконтактные уплотнения. Таких уплотнений достаточно, поскольку полости ступицы полностью заполнены пластичной смазкой, а рабочая частота вращения очень мала. Однако уплотнения требуют повторного смазывания для удаления загрязнений. Общий расход пластичной смазки на протяжении жизненного цикла оборудования можно уменьшить, например, с помощью использования манжетных уплотнений 90x10x10 HMS5 RG.

Общие выводы

Для данной области применения подшипники SKF Explorer 22218 E являются подходящими. Применение пластичной смазки SKF LGEP 2, LGEM 2 или LGEV 2 обеспечит высокие эксплуатационные характеристики. Использование манжетного уплотнение может способствовать снижению расхода пластичной смазки. В качестве альтернативы можно использовать уплотнённый подшипник (BS2-2218-2RS/VT143).

SKF logo