Wat is het draagvermogen van een stalen flenslager?

De vraag klinkt eenvoudig: "Hoeveel gaat er in?" Maar voor eenVan een flens voorzien staalkokerlager,er zijn verschillende technische lagen die antwoorden. Het is geen getal op een vel papier. Laadvermogen is hier geen vast onderdeel. Het komt voort uit de vorm, het materiaal, de olie of het vet, de hitte, hoe het wordt gebruikt en hoe de richting van de kracht samenwerkt met de positie van het lager.

De echte bepalende factor voor het draagvermogen van stalen flenslagers wordt in dit artikel uiteengezet. Het laat zien hoe ingenieurs berekenen. Het laat zien waar de grenzen vandaan komen. Het verklaart ook waarom twee lagers van dezelfde maat zeer verschillende belastingen kunnen dragen, afhankelijk van hoe u ze gebruikt.

De component definiëren: geometrie en functie

Het glijlager ondersteunt de roterende of schommelende as door glijdend contact tussen de as en het binnengat van het lager. Een geflensd type voegt een ronde kraag toe aan het ene uiteinde van het cilinderlichaam. Die flens heeft een bijzondere mechanische eigenschap. Het voorkomt dat de as zijwaarts beweegt. Het flensvlak ontvangt stuwkracht langs de as. cilindergat over de as geduwd.

Wat stalen flenslagers onderscheidt van andere lagers is hun structuur. Het heeft een stalen achterkant, meestal koolstofarm staal, dat stabiliteit, sterkte en vorm geeft. Deze stalen rug is bekleed met één of meerdere lagen draagmateriaal. lagermateriaal is gemaakt voor slijtage en vormverandering onder belasting. Stalen ruggen dragen structurele belastingen. De voering doet het werk van wrijven en glijden. Deze bimetaalstructuur is de reden waarom het draagvermogen niet eenvoudig is. De uiteindelijke limiet hangt af van welke laag het eerst faalt. Verschillende lagen hebben verschillende soorten fouten.

De flens zelf voegt een tweede belastingspad toe. Bij een gewone cilinderbus zonder flens moet de zijdelingse beweging op andere manieren worden gestopt. U gebruikt een astrede, een celring of een enkele drukpakking. Het geflensde ontwerp integreert deze banen in één onderdeel. Maar het draagvermogen van de flens is onlosmakelijk verbonden met het cilindergedeelte. Ze delen materialen. Ze delen warmte. Onder een hybride belasting werken ze samen op een manier die eenvoudig bijdraagt ​​aan de onopname.

Radiale belastingscapaciteit: druk-, snelheids- en PV-limieten

Radiale belasting is een kracht die de as van de as zijwaarts duwt. Het drukt zijn schacht tegen de wand van het gat. Dit is het belangrijkste belastingstype dat door de meeste glijlagers wordt gebruikt. Het radiale draagvermogen wordt bepaald door het product van het geprojecteerde lageroppervlak en de toegestane lagerdruk.

De formule is P=F gedeeld door d maal L.

P draagt ​​druk. F is radiale belasting. d is de boringdiameter. L is de draaglengte.

De vergelijking ziet er eenvoudig genoeg uit. Maar P_max, de maximale druk vóór blessure, is geen vast getal. Het varieert afhankelijk van het voeringmateriaal, de snelheid, de hitte en de smering.

Voeringsmateriaal bepaalt de basislijn

Stalen buslagers zijn zelden alleen maar staal in gebruik. Gangbare voeringsystemen en hun typische mobiliteits- en statische limieten zijn afgeleid van standaard testprotocollen, waaronder:

De getalbereiken zijn afkomstig van standaard laboratoriumtests en veldfoutregistraties van de teams van smeertechnici. Dat is het hele punt. Een lager van dezelfde maat kan een druk van 14 tot 38 MPa ondersteunen. Het hangt alleen af ​​van wat er op het binnenoppervlak van de stalen achterkant is gelijmd. De meest voorkomende reden voor vroegtijdig falen is het selecteren van alleen lagers op basis van hun maat en het negeren van de voeringspecificatie.

De PV-limietinteractie

Lagerdruk bestaat niet los van de oppervlaktesnelheid. De bepalende ontwerpbeperking voor glijlagers is de PV-waarde - product van druk (P, MPa) en glijsnelheid (V, m/s):

PV=P × V

Elk voeringmateriaal heeft een maximale continue fotovoltaïsche classificatie waarboven de grensvlaktemperatuur sneller stijgt dan warmte door de stalen behuizing kan worden overgedragen. Bij overmatige fotovoltaïsche energie breekt de smeerfilm (oliesmering) of wordt het polymeersubstraat zacht en extrudeert (drooglopen). ISO 3547-9: 2011 Typische continue PV-limieten en onafhankelijke testgegevens zijn onder meer:

• Loodbrons, olie-gesmeerd:PV Minder dan of gelijk aan 1,8–2,2 MPa·m/s
• Tinbrons, olie-gesmeerd:PV Minder dan of gelijk aan 1,5–1,9 MPa·m/s
• Aluminium-tin-trimetaal, olie-gesmeerd:PV Minder dan of gelijk aan 2,2–2,8 MPa·m/s
• PTFE-stofcomposiet, drooglopen:PV Minder dan of gelijk aan 0,35–0,55 MPa·m/s
• PTFE-bronspoeder, droog of marginaal gesmeerd:PV Minder dan of gelijk aan 1,0–1,6 MPa·m/s

Dit betekent feitelijk een verdubbeling van de assnelheid met ongeveer de helft van de toegestane radiale belasting. Lagers met een nominaal vermogen van 500N bij 100 tpm kunnen 2500N alleen veilig dragen bij 200 tpm. Veel van de storingen die door 'overbelasting' worden veroorzaakt, zijn eigenlijk snelheids--geïnduceerde PV-overschrijdingen, waarbij de operator de doorvoer van de machine verhoogde zonder de toegepaste kracht te veranderen (Hamrock, Schmid & Jacobson, The Machine Components Principle, 3e editie, CRC Press, 2019). .

Temperatuurvermindering

De toegestane druk neemt af naarmate de bedrijfstemperatuur stijgt. Voor bimetaalbronzen bussen wordt de dynamische belastingswaarde met ongeveer 8% tot 12% verminderd voor elke stijging van 20 graden Celsius. Dit komt door dunnere olie, snellere oppervlakteharding en een mismatch tussen warmte-uitzetting van staal en brons. Bij temperaturen boven de 150-180 graden Celsius op lange- termijn kunnen sommige kussens naar de grond bewegen. Dit creëert zachte plekken waar de belastingopname en slijtage versnellen. Lagers met polymeer-voering vertonen een hogere hittegevoeligheid. Op PTFE gebaseerde composieten verliezen ongeveer 40% tot 50% van hun sterkte tussen kamertemperatuur en 120 graden.

Axiaal (stuwkracht) draagvermogen: wat de flens feitelijk draagt

De flens van een geflensd stalen glijlager is speciaal ontworpen om krachten evenwijdig aan de as te weerstaan. Om de capaciteit ervan te begrijpen, is het noodzakelijk om drie fundamentele verschillen tussen het flensvlak en cilindrische gaten te onderkennen.

Ten eerste heeft de flens een plat ringvormig contactoppervlak, in plaats van een cilindrisch contactoppervlak dat eromheen wikkelt. De nominale stuwdruk wordt verdeeld in het ringvormige gebied:

P_axiaal=F_axiaal / [(π/4) × (D_o² – D_i²)]

waarbij D_o de buitenste contactdiameter van de flens is en D_i de binnenste contactdiameter (meestal de buitendiameter van de asschouder).

Ten tweede verschilt de flens van het cilindergat. In het cilindergat produceert het draaien een stabiele oliefilm die het smeermiddel verspreidt en de plaatselijke druk egaliseert. De flens schuift of roteert op elk punt. Er zal geen oliewig worden gevormd tenzij het flensvlak een speciale vorm heeft. Dit is zeldzaam bij standaard bussen. De meeste flenzen werken onder dunne of gemengde olielagen, zelfs als het cilindergat een volle oliefilm heeft. Daarom is voor hetzelfde voeringmateriaal de toegestane druk van de flens gewoonlijk 30% tot 50% lager dan die van het gat.

Ten derde is de flensdikte beperkt. Een typische flensbusflenzen zijn 0,5-1,0 keer dikker dan de cilinderwanddikte. Bij hoge zijdelingse belasting buigt de flens in een kegelvorm. Hierdoor wordt de belasting naar de binnen- of buitenrand van de flens geduwd. Concentreer vervolgens de kracht op een klein deel van het flensoppervlak. Lokaal is de druk veel hoger dan gemiddeld.

Volgens de standaardverhouding is het typische laterale draagvermogen als percentage van het overeenkomende radiale draagvermogen als volgt:

Niet-standaard flensgeometrieën (dunnere, kleinere buitendiameter of overmaatse buitendiameter met verminderde stijfheid) zullen aanzienlijk afwijken van deze percentages.

Gecombineerde belasting: wanneer radiale en stuwkrachten op elkaar inwerken

Echte machines passen zelden alleen radiale of alleen axiale belasting toe. Versnellingsbak, connectorpen, pompas en hydraulische cilindersteunen veroorzaken vaak gemengde belastingen. Deze twee belastingstypen tellen niet zomaar op. Ze delen de achterkant van het staal en vechten voor dezelfde ruimte in het metaal.

radiale belasting duwt de as naar de rand van het gat, en wanneer de axiale belasting naar het flensvlak duwt, gaat het krachtpad door de flenswortel. Dit is de hoek van de cilinderdraaiflens. Computermodellen laten zien dat de spanning in de hoek van de flenswortel 1,3 tot 1,6 keer hoger is dan de simpele som onder beide belastingen.

De meeste fabrikanten hebben hybride belastingen verlaagd. Sommige richtlijnen bevelen aan dat de toegestane belasting met 15 tot 25 procent wordt verminderd wanneer de laterale/radiale verhouding groter is dan 0,3. Eén deskundige stelde een formule voor:

(F_r gedeeld door R_r) is gelijk aan 1,5 keer, plus (F_a gedeeld door R_a) is gelijk aan 1,5 keer

F_r en F_a zijn werkelijke krachten. R_r en R_a zijn afzonderlijke beoordelingen. De exponent boven 1 verklaart de extra spanning in de flenswortelhoek.

Statische versus dynamische capaciteit

Lagercatalogi vermelden meestal statische en dynamische beoordelingen. Deze zijn heel verschillend. Door ze door elkaar te halen, kunnen maatfouten ontstaan.

Statisch draagvermogen is de maximale belasting die een lager kan dragen als het niet in beweging is. Het kan niet verder buigen dan de grens van duurzaamheid. Statische getallen zijn 1.5 -2.5 maal de dynamische beoordeling van met metaal-gevoerde bussen. Geen wrijvingswarmte, geen ophoping van slijtage, geen breuk van de oliefilm.

Dynamisch draagvermogen heeft betrekking op de belasting in een bepaalde bewegingstijd, in een bepaalde levensduur. Voor fabrieksmachines is dat doorgaans 10.000 uur. De dynamische beoordeling moet slijtageaccumulatie, voeringvermoeidheid en stabiele thermische omstandigheden omvatten.

Voor onderdelen die slechts af en toe bewegen, zoals scharnierpennen van boerderijen die meerdere keren per dag zwaaien, kunt u een statische beoordeling voor piekbelastingen gebruiken. De totale glijafstand blijft laag. De dynamische beoordeling is het enige getal dat van belang is voor componenten die hebben gedraaid, zoals transportwielen, ventilatorassen en pomplagers. In de praktijk is het een van de meest voorkomende fouten om statische getallen te gebruiken om de afmetingen van lagers te bepalen.

Smeerregime: de verborgen vermenigvuldiger

Besprekingen over het draagvermogen zijn onvolledig zonder de smering te bespreken. Hetzelfde lager kan tot 10 keer verschillende veiligheidsbelastingen hebben, afhankelijk van of het op volle olie draait, olie mengt of uitdroogt.

Volledige oliesmering. Beweging creëert voldoende vloeistofdruk om het oppervlak volledig te scheiden. In deze toestand wordt het laadvermogen voornamelijk beperkt door het stoompunt van de olie en de sterkte van de schaal. Het voeringmateriaal doet er nauwelijks toe omdat het de schacht nooit raakt. Je hebt vier dingen nodig. Oppervlaktesnelheid boven 0,1-0,3 m/s, voldoende olietoevoer, geschikte spleetgrootte en goede uitlijning. Wanneer alle vier de lagers tevreden zijn, kan een goed glijlager altijd in de buurt van de vloeigrens van het staal teruglopen.

Gemengde smering. Dit is een tussentoestand. Hoewel de meeste ladingen nog steeds door vloeistoffen worden gecontroleerd, kunnen oppervlakken overal worden aangeraakt. Dit is hoe buslagers in de meeste fabrieken werken. Dit gebeurt bij het starten van een stopcyclus, het veranderen van snelheid of een laag brandstofverbruik. Het draagvermogen hangt hier af van de gladheid van het oppervlak, de hardheid van de voering en de vaste smeermiddelbits van de boor.

Droge of grenssmering. De oliefilm was dun. Bijna alle lading wordt rechtstreeks door de voering van metaal naar metaal geleid. PV-limiet is hier verplicht. De capaciteit wordt bepaald door de sterkte, slijtagesnelheid en hittestabiliteit van de voering.

Echte resultaten. Flensbuslagers die 8.000 Newton kunnen weerstaan ​​in goed-gesmeerde rollen kunnen het begeven bij 2.000 Newton in laag-vet, langzaam- bewegende verbindingen. Dezelfde onderdelen, dezelfde afmetingen, vijf keer anders, alleen al afhankelijk van de smeringsstatus.

Faalmodi: wat er gebeurt als limieten worden overschreden

Begrijpen waarom er grenzen bestaan, betekent dat je de faalfysica leert kennen. Fouttypes variëren afhankelijk van de voering en het gebruik.

Vermoeidheid pelde tussen twee metalen voeringen. In herhaalde cycli beginnen kleine scheurtjes onder het oppervlak van de piekschuifspanning. Er kunnen scheuren ontstaan ​​en het busbit kapot gaan. Eenmaal geactiveerd, versnelt de peeling. Deze kuilen braken door de oliefilm heen, waardoor er nieuwe spanningspunten ontstonden. Dit komt vaak voor bij lagers van automotoren.

Maatverlies door slijtage. Versleten schuurmiddelen maken gaten groter. Hierdoor zal de aandrijfas doorbuigen. Hierdoor wordt de belasting in een kleiner gebied gecomprimeerd, waardoor de lokale druk toeneemt. Dit is een cyclus die steeds erger wordt. Alles boven een bepaalde slijtagesnelheid betekent dat u te dicht bij de PV-limiet komt.

Kruipende stromingen of koude stromingen in kunststoffen. Zachte materialen worden geleidelijk geëxtrudeerd onder hoge temperatuur en stabiele belasting. Het hangt van de tijd af, niet van de cyclus.. 80 procent van de lagers op korte- termijn kan 100 uur meegaan, maar gaat na 1.000 uur kapot. Dit is de reden dat met kunststof-bussen met kunststofvoering niet geschikt zijn om langdurig te staan.

De hitte was oncontroleerbaar. Als de wrijvingswarmte de snelheid overschrijdt waarmee de schaal kan weerstaan, zal de temperatuur stijgen. Hierdoor wordt de olie dunner of wordt het plastic zacht. Dit verhoogt de wrijving en zorgt voor meer warmte. Deze cyclus kan het oppervlak binnen enkele minuten over honderden graden duwen. Lagers kunnen worden vergrendeld, aan de as worden gelast of worden losgemaakt. Daarom bestaan ​​er PV-limieten, en daarom is een veiligheidsmarge nodig.

Flens-specifieke fouten. De wortel van delen met flens zal barsten onder de gecombineerde belasting. Er kan druk worden uitgeoefend op het flensvlak als gevolg van slecht smeermiddel. Als de flens te klein is om de belasting te weerstaan, kan deze voor altijd kegelvormig blijven. Dit alles kan worden tegengegaan door het lager onder gemengde belasting op de juiste maat af te stellen.

Normen en testmethoden: waar gegevens vandaan komen

De cijfers over de laadcapaciteit- in dit artikel zijn afgeleid van internationale standaarden en professionele sociale testmethoden die in de loop van tientallen jaren zijn ontwikkeld. Belangrijkste referentiemateriaal voor de specificatie van geflensde stalen glijlagers:

ISO 3547 (Deel 1-11): Met glijlagers omwikkelde bussen Afmetingen, toleranties, materiaalaanduidingen, belasting-/snelheidsrichtlijnen, inclusief flensconfiguraties.

ASTM B438/B438M: Specificatie voor metalen glijlagers (olie-geïmpregneerd gesinterd brons/ijzer; toepasbaar ter vergelijking).

SAE J881: Algemene lagerafmetingen die veel worden gebruikt in auto- en offroad-apparatuur- in Noord-Amerika.

ISO 3547-10:2016: Testmethode voor het verpakken van bussen onder gespecificeerde belastingsnelheidsomstandigheden.

DIN ISO 3547 (gebruikt in Duitsland): Bevat vaak aanvullende richtlijnen over de pasvorm van de behuizing en compressietoleranties die niet in de oorspronkelijke ISO zijn opgenomen.

Als de catalogus van een fabrikant een "draagvermogen" vermeldt, maar geen van de criteria vermeldt of gelijkwaardige details over de testomstandigheden biedt (snelheid, type smeermiddel en viscositeit, temperatuur, inschakelduur, acceptatiecriteria), wordt dit cijfer uitsluitend als indicatief beschouwd en is het niet geschikt voor technische berekeningen zonder onafhankelijke verificatie.

Praktisch selectiekader

Voor ingenieurs die kiezen voor stalen flenslagers kan een stappenplan-voor-stappen de meest voorkomende fouten voorkomen.

Begrijp eerst de belastingsvector. Meet of vind de maximale radiale kracht, axiale krachtpieken en wanneer deze optreden. Piek ze tegelijkertijd? Als de last ten opzichte van de schaal roteert, let dan op het hoekbereik. Slijtage bij gedeeltelijke boogbelastingverlenging verschilt van volledige ringbelasting.

Houd vervolgens rekening met het snelheidsbereik. Registreer de maximale, minimale en gemiddelde rotatie- of swingsnelheid. Voeg indien belangrijk de opstart-stopfrequentie toe. Bereken een snelheidsbereik van V in meter per seconde.

Ten derde kiest u de startmaat. Vind de kleinste gatgrootte afhankelijk van de as en de kleinste gatlengte afhankelijk van de ruimtebeperkingen. Controleer de L/D-verhouding. Een waarde lager dan 0,5 veroorzaakt een probleem met de randbelasting. Een waarde boven de 1,5 veroorzaakt problemen met de uitlijning. Algemeen fabrieksgebruik ligt doorgaans tussen 0,8 en 1,2.

Ten vierde: bereken P en PV. Met deze formules worden de lagerdruk en de fotovoltaïsche waarde bij maximale belasting en maximale snelheid verkregen. Vergelijk het met de beoordeling en veiligheidsfactor van de beoordelingen van het voeringmateriaal. Gebruik 1.5-2.0 voor bekende doeleinden. Gebruik 2,5-4,0 als de belasting of snelheid zeer onzeker is.

Ten vijfde: controleer de hybridebelasting. Als er zowel radiale als axiale krachten aanwezig zijn, wordt een mengformule gebruikt. Controleer of de belasting, alleen of gecombineerd, de reductielimiet niet overschrijdt.

Ten zesde: controleer de calorieën. Controleer het werktemperatuurbereik. Als de met metaal beklede lagers een nominale waarde hebben van meer dan 80 graden of als de lagers met plastic voeringen een nominale waarde hebben van minder dan 60 graden C.

Ten zevende: identificeer glijmiddel. Zorg ervoor dat de brandstofvoorziening in overeenstemming is met het regime. speciale zelfs-smerende voeringen vereist voor droog gebruik. Standaard bimetaalbronzen lagers kunnen snel worden bevestigd zonder smeermiddel van buitenaf.

Ten achtste: controleer de coördinatie en montage. De compressiedichtheid van de buitendiameter van een stalen-bus met steun zal normaal gesproken 0,03% -0,08% van de nominale buitendiameter bedragen. Het hangt af van het materiaal van het huis en de dikte van de muren. Overmatige afdichting zal de bus samendrukken, waardoor het gat kleiner wordt. Te weinig afdichting kan ervoor zorgen dat de bus in de behuizing draait, waardoor slijtage en uiteindelijk loskomen ontstaat.

Conclusie

Het draagvermogen van een stalen flenslager is geen getal. Het varieert afhankelijk van de keuze van het voeringmateriaal, de bedrijfssnelheid, de temperatuur, de smeertoestand en de belastingsrichting. Als u een van deze negeert, kan uw inschatting tien keer verkeerd zijn. Het kan te hoog en gevaarlijk zijn, of te laag en verkwistend.

De juiste manier om lagers te selecteren is het niet reciteren van numerieke tabellen. De sleutel is om te weten welke factoren het belangrijkst zijn voor uw gebruik. Gebruik dan de juiste ontwerpformules en daadwerkelijke veiligheidsmarges. Controleer vervolgens uw gissingen aan de hand van bekende normen, en niet alleen aanspraken van de makers. Wanneer u deze stappen volgt, zorgen stalen flenslagers voor een betrouwbare en stabiele levensduur van alle fabrieksmachines. Van langzame scharnierpennen die honderden Newton kunnen vasthouden tot snelle compressorbussen die op volle snelheid duizenden Newton kunnen ondersteunen. Er was altijd capaciteit. De vraag was altijd of je analyse diep genoeg en correct genoeg was.

Referenties

• Khonsari, MM & Booser, ER (2017).Toegepaste tribologie: lagerontwerp en smering, 2e druk. Cambridge Universiteitspers.
• Internationale Organisatie voor Standaardisatie. (2018).ISO 3547-1:2018 - Glijlagers - omwikkelde bussen - Deel 1: Afmetingen.Genève: ISO.
• Internationale Organisatie voor Standaardisatie. (2011).ISO 3547-9:2011 - Glijlagers - omwikkelde bussen - Deel 9: Met polymeer omwikkelde bussen.Genève: ISO.
• American Society for Testing en Materialen. (2020).ASTM B438/B438M-20 - standaardspecificatie voor metalen glijlagers.West Conshohocken: ASTM International.
• Engel, PA (2002).Lagerontwerp in machines: technische tribologie en smering.New York: Marcel Dekker.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2019).Grondbeginselen van machine-elementen, 3e druk. Boca Raton: CRC-pers.
• Stachowiak, GW en Batchelor, AW (2014).Technische tribologie, 4e druk. Boston: Butterworth-Heinemann.
• andardisering. (2016).ISO 3547-10:2016 - Testmethoden voor omwikkelde gewone bussen.Genève: ISO.