Ce sunt rulmenții cu bile cu contact unghiular și cum funcționează, tipurile și aplicațiile?

Principiul de funcționare al rulmenților cu bile cu contact unghiular

Înțelegerea principiului de funcționare al rulmenți cu bile cu contact unghiular începe cu unghiul de contact, deoarece acest parametru geometric controlează în mod fundamental toate celelalte caracteristici de performanță ale rulmentului. Într-un rulment cu bile adânci standard, contactul dintre bilă și ambele căi de rulare este aproximativ radial, ceea ce înseamnă că linia de transfer al sarcinii dintre punctul de contact interior al căii de rulare, centrul bilei și punctul de contact exterior al căii de rulare este aproape perpendiculară pe axa rulmentului. Geometria căii de rulare într-un astfel de rulment rezistă la sarcini radiale în mod eficient, dar oferă o rezistență limitată la sarcinile axiale, deoarece geometria de contact bilă cu calea de rulare nu prezintă o zonă mare proiectată în direcția axială pentru a rezista forței axiale.

Semnificația unghiului de contact

În proiectarea rulmentului cu contact unghiular , canelurile interioare și exterioare ale canalelor de rulare sunt poziționate asimetric de-a lungul axei lagărului, creând un decalaj între planurile centrale ale canelurii interioare și exterioare. Atunci când o bilă se află în aceste caneluri decalate, linia care leagă punctele sale de contact interioare și exterioare ale căii de rulare este înclinată la unghiul de contact față de planul radial. Această înclinare înseamnă că capacitatea de încărcare a rulmentului este distribuită între direcțiile radiale și axiale în funcție de unghiul de contact: pe măsură ce unghiul de contact crește, proporția capacității de încărcare a rulmentului disponibilă pe direcția axială crește în timp ce capacitatea de sarcină radială scade proporțional.

Mai exact, pentru un rulment cu unghi de contact alfa, capacitatea de sarcină axială este proporțională cu sin(alfa), iar capacitatea de sarcină radială este proporțională cu cos(alfa). La un unghi de contact de 15 grade, sin(15°) este egal cu 0,259 și cos(15°) este egal cu 0,966, indicând un rulment optimizat în primul rând pentru sarcini radiale cu capacitate axială moderată. La un unghi de contact de 40 de grade, sin(40°) este egal cu 0,643 și cos(40°) este egal cu 0,766, indicând o proporție substanțial mai mare a capacității de încărcare pe direcția axială. Unghiul de contact de 40 de grade este selecția standard pentru aplicațiile în care sarcinile axiale sunt motorul principal de proiectare, cum ar fi arborele de mașini-unelte care funcționează sub forțe mari de tăiere într-o singură direcție sau rulmenții axiali de tip șurub.

Înternal Raceway Displacement Along the Bearing Axis

Decalajul dintre planurile centrale ale canelurii interioare și exterioare într-un rulment cu bile cu contact unghiular înseamnă că linia de acțiune a forței lagăre rezultante trece prin rulment într-un punct de pe axa rulmentului care este deplasat față de centrul geometric al rulmentului. Acest punct de aplicare a sarcinii deplasate este numit centru de presiune sau centru de sarcină efectivă al rulmentului. Pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular cu un singur rând, centrul de presiune este situat în afara lățimii rulmentului pe partea din care acționează sarcina axială. Această deplasare a centrului de presiune are consecințe semnificative pentru proiectarea lagărelor, în special în configurațiile de rulmenți perechi, deoarece separarea dintre centrele de presiune a doi lagăre dintr-un sistem determină deschiderea efectivă a lagărelor și, prin urmare, rigiditatea sistemului și reacțiile de moment induse pe arbore.

Manipulare combinată a sarcinilor radiale și axiale

Rulmenții cu bile cu contact unghiular suportă sarcini combinate prin înclinarea liniei de sarcină de contact dintre fiecare bilă și canalele sale de rulare. Când o sarcină radială și axială combinată este aplicată lagărului, forța rezultată la fiecare bilă încărcată la punctul de contact al canalului de rulare are atât componente radiale, cât și axiale care sunt rezolvate prin geometria contactului înclinat. Capacitatea rulmentului de a face față sarcinilor combinate este cuantificată de sarcina dinamică echivalentă, care este o sarcină calculată pe o singură axă care produce aceeași viață la oboseală a rulmentului ca și sarcina combinată reală. Sarcina dinamică echivalentă P este calculată ca P = X × Fr Y × Fa, unde Fr este sarcina radială, Fa este sarcina axială, iar X și Y sunt factori de sarcină radială și axială care depind de unghiul de contact și de raportul dintre sarcina axială și radială. Pentru un unghi de contact de 40 de grade în condiții de încărcare axială pură, factorul Y se apropie de 0,6, ceea ce înseamnă că capacitatea de încărcare axială este de aproximativ 67% din valoarea nominală de sarcină dinamică de bază C, semnificativ mai mare decât factorul Y de aproximativ 1,0 pentru un rulment cu unghi de contact de 15 grade.

Tipuri de rulmenți cu bile cu contact unghiular

Rulmenți cu bile cu contact unghiular sunt produse în mai multe configurații structurale, fiecare optimizată pentru diferite combinații de direcție a sarcinii, constrângeri de spațiu și cerințe de montare. Înțelegerea caracteristicilor fiecărui tip este esențială pentru selectarea rulmentului corect pentru o anumită aplicație.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular cu un singur rând

The rulment cu bile cu contact unghiular cu un rând este configurația fundamentală și cea mai utilizată în familia rulmenților cu contact unghiular. Este alcătuit dintr-un singur rând de bile care rulează în caneluri decalate interioare și exterioare ale căii de rulare, cu o cușcă pentru a menține distanța dintre bile și unghiul de contact caracteristic care definește distribuția capacității de încărcare. Caracteristicile cheie ale rulmenților cu bile cu contact unghiular cu un singur rând sunt:

• Capacitate de mare viteză: Masa redusă și geometria de contact bine definită a designului cu un singur rând, combinate cu toleranțe de fabricație de precizie, permit funcționarea la viteze de rotație foarte mari. Limita de viteză a unui rulment cu bile cu contact unghiular cu un singur rând este exprimată ca produsul dintre diametrul alezajului în milimetri și viteza în rpm (valoarea DN), cu valori de până la 3 milioane DN care pot fi atinse în modelele lubrifiate cu ulei de grad de precizie.
• Capacitate de sarcină axială unidirecțională: Un rulment cu bile cu contact unghiular cu un singur rând poate suporta sarcini axiale într-o singură direcție: direcția care încarcă bilele pe umărul superior al căii de rulare exterioare (sau al căii de rulare interioare, în funcție de orientarea rulmentului). Dacă aplicația necesită suport de sarcină axială în ambele direcții, trebuie utilizați doi rulmenți cu un singur rând într-un aranjament pereche sau trebuie selectat un tip de rulment alternativ.
• Precizie și rigiditate: Rulmenții cu bile cu contact unghiular cu un singur rând sunt fabricați în grade de precizie (ABEC 5, 7 și 9 sau ISO P5, P4 și P2) care oferă precizia dimensională și acuratețea de rulare necesare pentru aplicațiile de precizie pentru ax. Când sunt preîncărcate corespunzător într-un aranjament pereche, ele oferă o rigiditate excepțională și o precizie de poziționare.

Deoarece rulmentul cu bile cu contact unghiular cu un singur rând poate suporta doar sarcini axiale într-o direcție, acesta trebuie să fie asociat cu un alt rulment în aproape toate aplicațiile practice. Sunt utilizate trei aranjamente standard de împerechere:

• Aranjament spate în spate (DB): Cei doi rulmenti sunt montati cu umerii inalti orientati unul fata de celalalt (spate in spate). Acest aranjament are ca rezultat o distanță eficientă largă între centrele de presiune, oferind o rezistență ridicată la moment de înclinare și făcând aranjamentul potrivit pentru aplicații în care sarcinile suspendate creează momente de încovoiere semnificative pe arbore.
• Aranjament față în față (DF): Cei doi rulmenti sunt montati cu umerii inalti fata in fata (fata in fata). Acest aranjament are ca rezultat o deschidere efectivă îngustă și este mai tolerant la dezalinierea arborelui decât aranjamentul DB, făcându-l potrivit pentru arbori care se pot deforma sub sarcină sau unde precizia de montare este limitată.
• Aranjament tandem (DT): Ambii rulmenți sunt montați cu aceeași orientare, astfel încât capacitățile lor de sarcină axială se adună într-o singură direcție. Acest aranjament este utilizat atunci când un singur rulment este insuficient pentru a suporta sarcina axială necesară într-o direcție, iar un al doilea rulment este adăugat în tandem pentru a dubla capacitatea de încărcare axială. Aranjamentul tandem nu poate suporta sarcini axiale în direcția opusă și trebuie combinat cu un alt rulment pentru a asigura constrângere axială în ambele direcții.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular cu două rânduri

The rulment cu bile cu contact unghiular cu două rânduri încorporează două rânduri de bile într-un singur plic de rulmenți, combinând efectiv două rânduri de rulmenți într-un aranjament spate în spate sau față în față în cadrul aceluiași inel exterior și alezaj. Acest design oferă avantaje semnificative în aplicațiile în care constrângerile de spațiu împiedică utilizarea a două lagăre separate pe un singur rând sau în care simplitatea unei singure unități de rulment este de dorit pentru ușurința instalării și complexitatea redusă a asamblarii. Rulmentul cu bile de contact unghiular cu două rânduri suportă în mod inerent sarcinile axiale în ambele direcții, deoarece cele două rânduri ale sale sunt orientate cu unghiuri de contact opuse. În ceea ce privește eficiența spațiului, un rulment cu bile cu contact unghiular cu două rânduri economisește în mod obișnuit 30 până la 40% din spațiul axial necesar pentru doi rulmenți separati pe un singur rând de capacitate echivalentă, făcându-l alegerea preferată pentru modelele compacte de ax și rulmenții pentru instrumente în care dimensiunile anvelopei sunt critice.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular în patru puncte

Rulmenți cu bile cu contact unghiular în patru puncte utilizați un design unic de cale de rulare în care fiecare bilă intră în contact atât cu calea de rulare interioară, cât și pe cea exterioară în două puncte simultan, creând patru puncte de contact per bilă (două pe calea de rulare interioară și două pe calea de rulare exterioară). Acest design este realizat prin utilizarea unui profil de cale de rulare cu arc gotic cu o rază de curbură puțin mai mică decât raza bilei, creând două puncte de contact separate pe fiecare suprafață a căii de rulare, mai degrabă decât contactul central unic al unei caneluri standard de arc circular. Designul de contact în patru puncte permite unui rulment cu un singur rând să suporte sarcini axiale în ambele direcții simultan, ceea ce rulmenții standard cu bile cu contact unghiular cu un singur rând nu le pot realiza, menținând în același timp o anvelopă axială foarte compactă. Capacitatea de încărcare axială a unui rulment de contact în patru puncte per unitate de lățime axială este semnificativ mai mare decât cea a unui rulment standard cu bile de contact unghiular cu un singur rând de același orificiu și diametru exterior, făcând acest design alegerea preferată pentru inele de rotire, rulmenți de plată rotativă și alte aplicații în care sarcinile axiale mari în ambele direcții trebuie să fie găzduite într-o secțiune transversală. Limitarea designului de contact în patru puncte este că contactul simultan în două puncte pe fiecare cale de rulare generează tensiuni interne mai mari la fiecare punct de contact și produce mai multă căldură la viteze mari de rotație, limitând viteza maximă în comparație cu modelele standard cu un singur rând.

Seria de produse pentru rulmenți cu bile cu contact unghiular: 7000, 7200 și 7300

Sistemul de desemnare a seriei dimensionale pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular urmează cadrul ISO de desemnare a rulmentului în care prima cifră a numărului rulmentului indică seria dimensională (relația dintre diametrul alezajului și diametrul exterior) și unghiul de contact este specificat separat. Cele trei serii standard principale pentru rulmenți cu bile cu contact unghiular în aplicații industriale generale și de precizie sunt seriile 7000, 7200 și 7300, care reprezintă serii dimensionale ușoare, medii și, respectiv, grele.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular seria 7000 sunt rulmenți cu un singur rând de mare precizie, viteză mare, proiectați cu un unghi de contact mic, de obicei în jur de 15 grade, făcându-i ideali pentru aplicații în care viteza și precizia sunt mai critice decât capacitatea de încărcare. Geometria lor internă optimizată reduce frecarea și generarea de căldură, permițând performanțe stabile la viteze de rotație foarte mari, menținând în același timp rigiditatea și stabilitatea dimensională excelente. Datorită producției de precizie și materialelor de înaltă calitate, acești rulmenți funcționează cu vibrații și zgomot reduse, făcându-i deosebit de potriviți pentru axuri de mașini-unelte CNC, motoare de precizie, instrumente medicale și sisteme de automatizare de mare viteză, unde funcționarea lină și precizia sunt esențiale.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular seria 7200 sunt proiectate cu un unghi de contact mai mare, de obicei între 20 și 30 de grade, oferind o performanță echilibrată între capacitatea de încărcare axială și radială. Acest design permite rulmenților să suporte sarcini axiale semnificative în ambele direcții, menținând în același timp stabilitatea în condiții de viteză mare. Cu rigiditate puternică, expansiune termică controlată și niveluri precise de toleranță, seria 7200 funcționează fiabil în medii solicitante care necesită atât precizie, cât și durabilitate. Acești rulmenți sunt utilizați pe scară largă în fusurile de mașini-unelte de înaltă precizie, motoarele industriale, liniile de producție automate și sistemele robotizate în care sunt necesare sarcini combinate și performanțe consistente.

Rulmenți cu bile cu contact unghiular seria 7300 sunt proiectate pentru aplicații grele, având un unghi de contact mare de aproximativ 30 de grade care le permite să reziste la sarcini axiale substanțiale și să funcționeze fiabil în condiții de sarcină ridicată. Construcția lor robustă, combinată cu oțel de înaltă calitate și procese avansate de fabricație, asigură o rigiditate excelentă, rezistență la oboseală și o durată lungă de viață chiar și în medii dure de operare. Acești rulmenți mențin performanțe stabile la viteze și temperaturi ridicate, făcându-i ideali pentru sistemele de mașini-unelte mari, echipamente industriale grele, aplicații aerospațiale și mașini de precizie care necesită atât capacitate mare de încărcare, cât și stabilitate operațională pe termen lung.

Seria	Seria dimensională	Unghi de contact tipic	Capacitate de viteză	Caracteristică de încărcare	Aplicații primare
Seria 7000	Lumină suplimentară (00)	15 grade	Foarte mare (până la 3 milioane DN)	Radial ridicat, axial moderat	Fusoare CNC, motoare de precizie, instrumente medicale
Seria 7200	Lumină (02)	20 până la 30 de grade	Ridicat (până la 2 milioane DN)	Sarcină combinată echilibrată	Axe de mașini-unelte, motoare industriale, robotică
Seria 7300	Mediu (03)	30 de grade	Medie (până la 1,5 milioane DN)	Capacitate mare de încărcare axială	Mașini-unelte grele, aerospațiale, echipamente industriale

Specificații tehnice ale rulmenților cu bile cu contact unghiular

Rulmenți cu bile cu contact unghiular sunt fabricate conform specificațiilor tehnice atent controlate care guvernează precizia lor dimensională, precizia de rulare, finisarea suprafeței și proprietățile materialului. Înțelegerea acestor specificații este esențială pentru selectarea rulmenților care vor îndeplini cerințele de precizie și performanță ale aplicațiilor solicitante.

Clase de precizie: Standarde ABEC și ISO

Rulmenții cu bile cu contact unghiular pentru aplicații de precizie sunt fabricați conform claselor de toleranță de precizie definite de ABEC (Annular Bearing Engineers Committee) în America de Nord și de ISO (International Organization for Standardization) la nivel global. Clasa de precizie definește toleranțele privind diametrul alezajului, diametrul exterior, lățimea, deformarea radială a inelelor interioare și exterioare și deformarea axială a fețelor rulmentului. Clasele standard de precizie în ordine crescătoare a preciziei sunt:

• ABEC 1 (ISO Normal sau P0): Precizie standard pentru aplicații industriale generale, adecvată pentru majoritatea motoarelor, pompelor și mașinilor generale unde precizia de poziție nu este o cerință critică.
• ABEC 3 (ISO P6): Clasă de precizie îmbunătățită, cu toleranțe mai strânse privind acuratețea dimensională și precizia de rulare, utilizată în aplicații care necesită un control dimensional mai bun decât standardul și o curgere radială redusă.
• ABEC 5 (ISO P5): Clasa de precizie pentru axuri de mașini-unelte, motoare de precizie și alte aplicații în care precizia rotației și repetabilitatea dimensională sunt critice. Rulmenții ABEC 5 au toleranțe radiale de deformare de ordinul a 5 micrometri pe inelul interior.
• ABEC 7 (ISO P4): Clasă de înaltă precizie pentru aplicații solicitante pentru axul mașinii-unelte și instrumente de precizie. Toleranțele de curgere radială sunt reduse la aproximativ 2,5 micrometri, iar toleranțele pe alezaj și diametrul exterior sunt strânse corespunzător. Rulmenții cu bile cu contact unghiular ABEC 7 și ABEC 9 sunt specificațiile standard pentru axurile mașinilor de șlefuit de înaltă precizie și ale mașinilor de măsurat în coordonate unde este necesară precizia pozițională sub microni.
• ABEC 9 (ISO P2): Clasa de ultra precizie pentru cel mai solicitant giroscop, instrument de precizie si aplicatii cu ax de viteza ultra mare, cu tolerante radiale de ordinul a 1 micrometru.

Materiale cuști: oțel, alamă și poliamidă

Cușca într-un rulment cu bile cu contact unghiular menține distanța circumferențială a bilelor, ghidează bilele în timpul rotației și distribuie lubrifiantul în interiorul rulmentului. Selectarea materialului cuștii are un efect semnificativ asupra capacității de viteză a rulmentului, domeniul de temperatură de funcționare și compatibilitatea cu diferite sisteme de lubrifiere:

• Cușcă din oțel presat: Cel mai comun material de cușcă pentru rulmenți cu bile cu contact unghiular de precizie standard și medie. Cuștile din oțel sunt puternice, stabile dimensional și compatibile atât cu lubrifierea cu grăsime, cât și cu ulei pe o gamă largă de temperaturi de la aproximativ -40 grade Celsius până la 150 grade Celsius. Masa lor mai mare în comparație cu cuștile din poliamidă limitează utilizarea lor în aplicațiile cu cea mai mare viteză.
• Cușcă din alamă (prelucrată): Cuștile din alamă prelucrate sunt utilizate în rulmenții cu bile cu contact unghiular de grad de precizie pentru arbori de mașini-unelte și aplicații la temperaturi înalte. Alama este stabilă dimensional, are o conductivitate termică bună și este compatibilă cu lubrifierea cu ulei la temperaturi de până la 200 de grade Celsius. Masa cuștilor de alamă este mai mare decât poliamidă, dar mai mică decât cuștile de oțel de secțiune echivalentă.
• Cușcă din poliamidă (mulată): Înjection molded polyamide (nylon) cages are the preferred choice for very high speed applications because their low density (approximately one seventh that of steel) significantly reduces centrifugal loading on the cage and the ball to cage contact forces at high rotational speeds. Polyamide cages are compatible with grease lubrication and non aggressive oil lubrication up to approximately 120 degrees Celsius, limiting their use in high temperature applications.

Metode de lubrifiere: Unsoare vs sisteme cu ulei

Sistemul de lubrifiere al unui rulment cu bile cu contact unghiular are un efect profund asupra temperaturii de funcționare, limita de viteză și durata de viață a acestuia. În practică sunt utilizate două metode de lubrifiere primară:

• Lubrifiere cu grăsime: Rulmenții cu bile cu contact unghiular lubrifiați cu grăsime sunt mai simpli în ceea ce privește cerințele sistemului de susținere, deoarece nu au nevoie de o alimentare externă cu ulei, pompă sau sistem de recirculare. Se folosește grăsime de precizie de mare viteză, cu o vâscozitate scăzută a uleiului de bază (15 până la 50 cSt la 40 de grade Celsius) și un agent de îngroșare adecvat (de obicei complex de litiu sau poliuree). Ungerea cu grăsime este potrivită pentru parametrii de viteză (valori DN) de până la aproximativ 1,5 milioane pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular, dincolo de care generarea de căldură în grăsime depășește capacitatea acesteia de a disipa căldura și grăsimea se degradează rapid. Rulmenții lubrifiați cu grăsime sunt pre-umpluți din fabrică și nu necesită întreținere de către utilizator în timpul duratei normale de viață în aplicațiile tipice, realizând de obicei durate de viață de câteva mii de ore înainte de a fi necesară re-ungere.
• Lubrifiere cu ulei (ulei în circulație și ceață de ulei de aer): Pentru aplicații cu viteză foarte mare, cum ar fi arborele de șlefuire și centrele de prelucrare de precizie care funcționează peste limita de viteză a grăsimii, este necesară lubrifierea cu ulei. Se folosesc două metode de lubrifiere cu ulei: ungerea cu ceață de ulei, în care o ceață fină de picături de ulei este transportată în rulment de un curent de aer; și lubrifiere cu ulei și aer (numită și lubrifiere în cantitate minimă), în care volume mici de ulei măsurate cu precizie sunt livrate la rulment la intervale de timp definite de un transportator de aer comprimat. Sistemele de lubrifiere cu aer ulei pot susține valori DN de 2 până la 3 milioane în rulmenții cu bile cu contact unghiular, mai mult decât dublul limitei de lubrifiere cu grăsime, prin furnizarea continuă de ulei proaspăt care elimină căldura din zonele de contact ale rulmenților și previne defalcarea termică a peliculei de lubrifiant.

Aplicații ale rulmenților cu bile cu contact unghiular

Combinația dintre capacitatea de viteză mare, precizia și capacitatea de încărcare combinată face din rulmenții cu bile cu contact unghiular alegerea standard într-un spectru larg de aplicații solicitante pentru mașini rotative. Următoarele secțiuni descriu principalele domenii de aplicare și cerințele specifice ale rulmenților pe care fiecare le prezintă.

Axe de mașini-unelte

Axurile pentru mașini-unelte reprezintă cel mai solicitant din punct de vedere tehnic și cel mai important sector de aplicații pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular de precizie. Un ax trebuie să atingă simultan o precizie de rotație foarte mare (pentru a produce piese de prelucrat de precizie), să funcționeze la viteze mari de rotație (pentru a atinge viteze optime de tăiere cu scule moderne de tăiere din carbură și ceramică), să reziste forțelor combinate de așchiere radiale și axiale generate în timpul prelucrării, să mențină stabilitatea dimensională pe o gamă largă de temperaturi de funcționare și să atingă o durată de viață de zeci de mii de ore de funcționare. Rulmenții cu bile cu contact unghiular îndeplinesc toate aceste cerințe atunci când sunt specificați corect și sunt utilizați în aproape orice tip de ax de mașină-unelte: frezare, strunjire, șlefuire, găurire și alezarea.

În a typical machining center spindle, two or three angular contact ball bearings in a DB or tandem face arrangement at the front, with a single floating bearing at the rear, provide the high rigidity and high speed support required. Front bearings are preloaded to maximize stiffness; the rear bearing floats axially to accommodate thermal expansion.

Pompe și Compresoare

Pompele centrifuge și compresoarele folosesc rulmenți cu bile cu contact unghiular pentru a-și susține arborii rotorului împotriva sarcinilor radiale și axiale combinate de la dezechilibrul rotorului, forțele de reacție a fluidului și diferențele de presiune pe rotor. La pompele care manipulează fluide corozive, rulmenții ceramici hibrid cu bile cu contact unghiular cu bile din nitrură de siliciu asigură rezistența la coroziune necesară pentru o funcționare fiabilă în medii agresive cu fluide.

Sisteme Auto

Rulmenții cu bile cu contact unghiular servesc funcții critice în mai multe subsisteme auto. La unitățile de butuc al roților pentru automobile (în special butucii de tracțiune față), rulmenții cu bile cu contact unghiular în configurație cu două rânduri suportă sarcinile radiale combinate din greutatea vehiculului și sarcinile axiale din forțele de viraj care pot fi de câteva ori greutatea statică a vehiculului la roata încărcată. Rulmenții pentru alternatorul auto și motorul de servodirecție folosesc rulmenți cu bile de contact unghiular de precizie pentru a obține o combinație de zgomot redus, durată de viață lungă și capacitatea de a rezista componentelor sarcinii axiale generate de forțele dinților angrenajului elicoidal și sarcinile de tensiune a curelei.

Motoare de mare viteză și turbine

Motoarele electrice de mare viteză, turbinele cu gaz și turbocompresoarele funcționează la viteze în care numai rulmenții cu bile cu contact unghiular de cea mai înaltă precizie și cu lubrifiere optimizată oferă servicii de încredere. Rulmenții turbocompresorului funcționează cu viteze ale arborelui de până la 300.000 rpm, temperaturi ridicate din partea gazelor de eșapament și variații semnificative ale sarcinii radiale și axiale. Rulmenții specializați cu bile cu contact unghiular cu bile ceramice cu nitrură de siliciu au devenit standard în modelele moderne de turbocompresoare, deoarece masa mai mică și duritatea mai mare a bilelor ceramice reduc încărcarea centrifugă și tensiunile de contact, prelungind semnificativ durata de viață în comparație cu toate modelele din oțel.

Selectarea și întreținerea rulmenților cu bile cu contact unghiular

Selectarea corectă a rulmenți cu bile cu contact unghiular necesită o analiză tehnică sistematică a condițiilor de încărcare ale aplicației, cerințele de viteză, constrângerile de spațiu, cerințele de precizie și condițiile de mediu. Selecția incorectă este cea mai frecventă cauză a defecțiunii premature a rulmentului în funcționare, iar următorul cadru acoperă pașii esențiali dintr-un proces de selecție solidă.

Calcul de sarcină dinamică echivalentă

Punctul de plecare fundamental pentru selectarea rulmentului cu bile cu contact unghiular este calculul sarcinii dinamice echivalente, care convertește sarcina radială și axială combinată reală care acționează asupra rulmentului într-o singură sarcină radială echivalentă care poate fi comparată cu sarcina dinamică de bază a rulmentului. Formula este P = X × Fr Y × Fa, unde X este factorul de sarcină radială și Y este factorul de sarcină axială din catalogul producătorului de rulmenți pentru unghiul de contact specific și raportul de sarcină. Odată ce sarcina dinamică echivalentă P este calculată, durata de viață nominală de bază L10 (în milioane de rotații) poate fi determinată ca L10 = (C/P)^3, unde C este capacitatea de sarcină dinamică de bază. Pentru o durată de viață necesară în ore, capacitatea de sarcină necesară poate fi calculată înapoi pentru a verifica dacă rulmentul selectat oferă o durată de viață adecvată la oboseală la viteza de funcționare și sarcina.

Metode de preîncărcare pentru rigiditate

Preîncărcarea este aplicarea unei forțe axiale interne unei perechi de rulmenți cu contact unghiular pentru a elimina jocul intern și a crea o preîncărcare compresivă asupra elementelor de rulare, crescând rigiditatea de contact a sistemului de rulmenți. Preîncărcarea este esențială în aplicațiile cu ax de precizie pentru a maximiza rigiditatea sistemului și pentru a minimiza deviația arborelui sub sarcinile de tăiere. Sunt utilizate două metode de preîncărcare:

• Preîncărcare pozițională (preîncărcare rigidă): Presarcina este stabilită prin controlul deplasării axiale dintre inelele interioare și exterioare ale perechii de rulmenți prin lungimi precise ale distanțierilor. Presarcina pozițională oferă o rigiditate foarte mare și bine definită, dar poate fi afectată de dilatarea termică diferențială a arborelui și a carcasei, care poate crește presarcina în mod imprevizibil la temperaturi ridicate. Preîncărcarea pozițională este utilizată în fusurile de șlefuire de înaltă precizie și în alte aplicații în care rigiditatea maximă este esențială.
• Preîncărcare arc (preîncărcare forță constantă): Un arc elicoidal sau un arc disc este utilizat pentru a aplica o forță axială constantă perechii de rulmenți, menținând un nivel de preîncărcare definit, indiferent de temperatură sau deformarea arborelui. Preîncărcarea arcului este mai tolerantă la schimbările dimensionale în timpul funcționării și este preferată în aplicațiile în care stabilitatea termică și preîncărcarea constantă în intervalul de temperatură de funcționare sunt mai importante decât rigiditatea maximă. Nivelurile de preîncărcare a arcului pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular din fusurile de mașini-unelte sunt în mod obișnuit în intervalul de 50 până la 500 Newtoni pentru rulmenții cu ax de precizie în intervalul de alezaj de 20 până la 80 de milimetri, cu valoarea specifică determinată de compromisul dintre rigiditate și generarea de căldură care este acceptabil pentru aplicație.

Înstallation Best Practices

Instalarea corectă este la fel de importantă ca și selecția corectă pentru a obține durata de viață estimată a rulmentului. Practicile cheie de instalare pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular sunt:

1. Manipulați rulmenții de precizie cu unelte curate și uscate și lucrați într-un mediu curat. Chiar și particulele mici de contaminare introduse în timpul instalării pot cauza uzură prematură și oboseală pe suprafețele canalelor de rulare finisate cu precizie ale rulmenților de precizie.
2. Nu aplicați niciodată forță prin elementele de rulare în timpul instalării. Forța de montare trebuie aplicată întotdeauna pe inelul rulmentului care este montat prin presare. Pentru o fixare prin interferență pe arbore, aplicați forță de montare pe inelul interior. Pentru o fixare prin interferență în carcasă, aplicați forță pe inelul exterior. Aplicarea forței prin elementele de rulare creează daune de salină pe căile de rulare, care degradează precizia de rulare și crește vibrațiile.
3. Verificați orientarea corectă a rulmenților perechi. Rulmenții cu bile cu contact unghiular cu un singur rând sunt marcați cu un semn de identificare pe inelul exterior pentru a indica direcția unghiului de contact. Rulmenții perechi trebuie să fie orientați corect (spate în spate, față în față sau tandem, după cum este specificat) pentru ca aranjamentul să funcționeze corect. Perechile orientate incorect vor fi supraîncărcate sever pe o parte a aranjamentului și descărcate pe cealaltă.
4. Utilizați încălzirea prin inducție pentru a instala rulmenți mai mari cu potriviri prin interferență. Pentru rulmenți cu un diametru al alezajului de peste 60 de milimetri, încălzirea prin inducție pentru a extinde inelul interior la aproximativ 80 până la 100 de grade Celsius peste temperatura ambiantă este metoda standard de montare pe un arbore cu o potrivire prin interferență, evitând riscul de deteriorare mecanică prin presarea inelelor reci pe arbori.

Monitorizarea vibrațiilor și a temperaturii

Monitorizarea stării rulmenților cu bile cu contact unghiular în funcțiune oferă o avertizare timpurie a defecțiunilor în curs de dezvoltare înainte ca acestea să progreseze spre defecțiune, permițând intervale de întreținere planificate mai degrabă decât opriri de urgență. Sunt utilizați doi parametri primari de monitorizare:

• Monitorizarea vibrațiilor: Accelerometrele montate pe carcasa rulmentului măsoară spectrele de vibrații care se modifică în mod caracteristic odată cu dezvoltarea defecțiunilor lagărului. Frecvențele caracteristice defectelor pentru rulmenții cu bile cu contact unghiular (frecvența de trecere a bilei inelul exterior, frecvența de trecere a bilei inelul interior, frecvența de rotire a bilei și frecvența cuștii) pot fi calculate din geometria rulmentului și viteza de rotație, iar tendința acestor componente de frecvență în spectrul de vibrații asigură detectarea timpurie a oboselii suprafeței căii de rulare, deteriorarea elementului de rulare și uzura cuștii înainte ca acestea să producă un eveniment catastrofic.
• Monitorizarea temperaturii: Temperatura ridicată de funcționare a rulmentului este un indicator fiabil al deteriorării lubrifierii, al preîncărcării excesive sau al deteriorării mecanice. Temperatura normală de funcționare a unui rulment cu bile de contact unghiular bine lubrifiat într-un ax de mașină-unelte este de obicei cu 10 până la 30 de grade Celsius peste mediul ambiant, iar o creștere susținută a temperaturii cu mai mult de 10 grade Celsius peste linia de bază stabilită ar trebui să declanșeze investigarea cauzei înainte ca rulmentul să poată continua să funcționeze.

Întrebări frecvente despre rulmenții cu bile cu contact unghiular

Care este diferența dintre rulmenții cu bile cu contact unghiular și cu caneluri adânci?

Diferența fundamentală dintre rulmenții cu bile cu contact unghiular și rulmenții cu bile adânci constă în geometria căii de rulare și, prin urmare, în direcția și magnitudinea sarcinilor pe care le poate suporta fiecare tip. Rulmenții cu bile adânci au canale de rulare simetrice, relativ adânci, în care bila intră în contact cu canalele interioare și exterioare aproape radial, oferind o bună capacitate de încărcare radială și capacitatea de a suporta sarcini axiale bidirecționale moderate din geometria de autocentrare a canelurii adânci. Rulmenții cu bile cu contact unghiular au canale de rulare asimetrice, mai puțin adânci, deplasate de-a lungul axei rulmentului pentru a crea unghiul de contact, oferind o capacitate de sarcină axială mai mare în direcția unghiului de contact, dar limitând capacitatea de sarcină axială în direcția opusă. Rulmenții cu bile cu contact unghiular sunt, de asemenea, capabili de grade de precizie mai ridicate și sunt proiectați pentru aranjamente pereche preîncărcate, care nu sunt în general rulmenții cu bile adânci, făcând modelele de contact unghiular alegerea pentru aplicațiile care necesită rigiditate maximă a sistemului și precizie de poziție.

Care este cel mai bun unghi de contact pentru aplicațiile de mare viteză?

Pentru aplicațiile în care viteza maximă de rotație este cerința principală, cel mai mic unghi de contact disponibil oferă cea mai bună performanță. Un unghi de contact de 15 grade, așa cum este utilizat în seria 7000, minimizează forțele giroscopice a mingii care rezistă la rotirea mingii și generează căldură la viteze mari. Unghiurile de contact mai mici au ca rezultat, de asemenea, o direcție a sarcinii de contact mai aproape radială, care minimizează alunecarea diferențială dintre bilă și calea de rulare la viteze mari de rotație. La valori DN foarte mari, chiar și designul convențional de 15 grade este înlocuit de design-uri specializate cu bile ceramice și geometrie optimizată a cuștii. Dacă sarcinile axiale semnificative trebuie transportate și la viteze mari, un unghi de contact de 25 de grade este cel mai bun compromis între capacitatea axială și performanța în viteză. Unghiurile de contact de 40 de grade ar trebui utilizate numai în aplicații de mare viteză dacă cerințele de sarcină axială o solicită absolut și temperatura de funcționare mai mare rezultată este acceptabilă.

Rulmenții cu bile cu contact unghiular pot face față sarcinilor axiale bidirecționale?

Un rulment de bile cu contact unghiular cu un singur rând poate suporta sarcini axiale doar într-o singură direcție: direcția care încarcă bilele pe umărul înalt al căii de rulare. Nu poate rezista la sarcini axiale în sens opus. Pentru a suporta sarcinile axiale bidirecționale, proiectantul trebuie să utilizeze una dintre cele trei alternative: o pereche de rulmenți cu bile cu contact unghiular cu un singur rând aranjați spate în spate (DB) sau față în față (DF), un rulment cu bile cu contact unghiular cu două rânduri care combină două rânduri opuse într-o singură unitate sau un rulment cu bile cu contact unghiular cu patru puncte de contact care folosește o configurație de susținere a sarcinii bidirecționale gotic într-o configurație axială. Fiecare dintre aceste alternative are caracteristici diferite în ceea ce privește rigiditatea, capacitatea de viteză și cerințele de spațiu, iar selecția dintre ele ar trebui să se bazeze pe sarcinile specifice, viteza și cerințele dimensionale ale aplicației.

Cum să selectați rulmenții cu bile cu contact unghiular drept?

Selectarea rulmenților cu bile cu contact unghiular pentru o anumită aplicație urmează un proces structurat care începe cu definirea cerințelor aplicației și progresează printr-o serie de decizii pentru a ajunge la specificația corectă a rulmentului. Pașii cheie de selecție sunt următorii:

Definiți condițiile de încărcare: Determinați mărimea și direcția sarcinilor radiale, axiale și momentelor, inclusiv orice amplificare dinamică a sarcinii de la șoc, vibrații sau încărcări excentrice, pe întreaga gamă de condiții de funcționare.

Selectați unghiul de contact: Alegeți unghiul de contact pe baza raportului dintre sarcina axială și radială. Un raport de sarcină Fa/Fr sub 0,35 indică de obicei că este adecvat un unghi de contact de 15 până la 20 de grade; rapoarte între 0,35 și 0,75 indică un unghi de 25 până la 30 de grade; rapoarte de peste 0,75 indică faptul că un unghi de contact de 40 de grade trebuie evaluat pentru capacitatea sa superioară de încărcare axială.

Selectați aranjamentul: Decideți dacă un singur rând pereche, un rând dublu sau un contact în patru puncte este adecvat, pe baza cerințelor privind direcția sarcinii axiale și a spațiului de instalare disponibil.

Verificați capacitatea de viteză: Calculați valoarea DN pentru aplicație și confirmați că seria de rulmenți selectate și metoda de lubrifiere acceptă viteza necesară cu o marjă adecvată.

Verificați durata de viață a rulmentului: Calculați durata de viață nominală de bază folosind sarcina dinamică echivalentă și valoarea nominală de sarcină dinamică de bază din catalogul producătorului. Dacă durata de viață calculată nu îndeplinește cerințele de viață de serviciu ale aplicației, selectați un rulment mai mare sau o serie cu o sarcină mai mare.

Referinta:

Harris T A, Kotzalas M N. Analiza rulmenților: Concepte esențiale ale tehnologiei rulmenților. a 5-a ed. Boca Raton: CRC Press; 2006.

Harris T A, Kotzalas M N. Analiza rulmenților: Concepte avansate de tehnologie a rulmenților. a 5-a ed. Boca Raton: CRC Press; 2006.

Înternational Organization for Standardization. ISO 15:2017: Rolling Bearings — Radial Bearings — Boundary Dimensions, General Plan. Geneva: ISO; 2017.

Înternational Organization for Standardization. ISO 281:2007: Rolling Bearings — Dynamic Load Ratings and Rating Life. Geneva: ISO; 2007.

Înternational Organization for Standardization. ISO 76:2006: Rolling Bearings — Static Load Ratings. Geneva: ISO; 2006.

Jiang B, Zheng L, Wang M. Analiza performanței rulmenților cu bile cu contact unghiular în condiții combinate de încărcare radială și axială. Tribology International. 2014;75:112 până la 121.

Jones A B. O teorie generală pentru rulmenți cu bile și cu role radiali constrânși elastic în condiții arbitrare de sarcină și viteză. Journal of Basic Engineering. 1960;82(2):309 până la 320.

Lundberg G, Palmgren A. Capacitatea dinamică a rulmenților. Acta Polytechnica: Seria de inginerie mecanică. 1947;1(3):7 până la 50.

Palmgren A. Ingineria rulmenților cu bile și cu role. a 3-a ed. Philadelphia: SKF Industries; 1959.

Grupul SKF. Catalogul rulmenților SKF. Göteborg: Grupul SKF; 2018.