Új SKF Explorer egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak magasabb fordulatszámhoz

Az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyakat általában olyan alkalmazásokban használják, mint a csavar-, a spirál- vagy a centrifugálkompresszorok (1. ábra) és a szivattyúk

2018. november 30., péntek, 06:00

Címkék: csapágy golyóscsapágy hajtás hajtásrendszer hajtástechnika kompresszor SKF SKF Explorer SKF Svéd Golyóscsapágy Zrt. szivattyú

A kompresszor- és a szivattyúalkalmazásoknál egyértelmű tendencia a teljesítménysűrűség növelése a fordulatszám megemelésével. E követelmény teljesítése érdekében az SKF kifejlesztette az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak új sorozatát. A fejlesztés három célt szolgált: a határfordulatszám 40%-kal való növelése, a zajszintek csökkentése és a csapágy robusztusságának növelése kedvezőtlen működési körülmények között (lökésszerű terhelés, egytengelyűségi hiba stb.). Emellett az SKF segítséget nyújt a gyártóknak a magasabb szintű energiahatékonyságra és megbízhatóságra vonatkozó vevői igények kielégítésében.

A tervtanulmányok alapján az új SKF Explorer egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágy-választék a fejlesztés során az alábbi jellemzőkkel módosult:

  • 25°-os hatásszög;
  • új kosárkialakítás, erősebb sárgaréz anyag;
  • javított futópálya-geometria.

Centrifugálkompresszor

25°-os hatásszög

Az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak alapkivitelben 40°-os hatásszöggel rendelkeznek. A tengelyirányban nagy merevséget igénylő alkalmazások esetében – például a szerszámgép csavarorsós hajtásánál – gyakran nagyobb hatásszöggel (pl. 62°) rendelkező golyóscsapágyakat használnak. A nagy fordulatszámon üzemelő alkalmazások közepes axiális terhelésű csapágyai esetén a kisebb hatásszöget (például 15° vagy 25°) részesítik előnyben.

 

A 40°-os és a 25°-os hatásszögek hatása a csapágyjellemzőkre

Jellemző

40°-os hatásszög

25°-os hatásszög

Radiális merevség

0

+(1)

Axiális merevség

0

A hatásszög változása magas fordulatszámon

0

+(2)

Az érintkezési feszültség nagymértékű axiális terhelésnél

0

Az érintkezési feszültség nagymértékű radiális terhelésnél

0

+

Referencia-fordulatszám

0

+

Határfordulatszám

0

+

 

(1) A csapágy nagyobb axiális merevsége növeli a saját frekvenciákat és javítja a tengelyvezetést.

(2) A kisebb hatásszögváltozás csökkenti a csúszást az érintkezési felületen, melynek következményeként a kosárban található gördülőelem-fészekre kisebb erők hatnak, és ezáltal a csapágy határfordulatszáma nő.

Kinematikus hatások a 40°-os és a 25°-os hatásszögű csapágyak esetén

A különböző hatásszögek kinematikus hatásai (2. ábra)

Ha az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak csak tengelyirányú terhelésnek vannak kitéve, a golyók és a gyűrűk között fellépő erők annál nagyobbak lesznek, minél kisebb a hatásszög. Amikor a csapágy forog, a centrifugális erők (Fc) hatására a hatásszög megváltozik. A belső gyűrű és a golyók, valamint a külső gyűrű és a golyók közötti érintkezési pontok kifelé mozdulnak. Ez okozza a hatásszög változását (Δα), következésképpen a golyók és a gyűrűk közötti csúszást. Amikor a különböző hatásszögű egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyakat azonos axiális terhelés éri, a hatásszög változása sokkal kisebb mértékű a kisebb hatásszöggel rendelkező csapágyak esetében. A 3. ábra a 7313 típusú egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak hatásszögének változásait szemlélteti különböző fordulatszámon, 40°-os és 25°-os hatásszög esetén.

Hatásszög-változás különböző fordulatszámokon

A kisebb hatásszögváltozás nemcsak kisebb csúszást eredményez a golyók és a gyűrűk között, hanem csökkenti a kosárban található gördülőelem-fészekre ható erőket is. Ez az oka annak, hogy a 25°-os hatásszöggel rendelkező csapágyak nagyobb fordulatszámon képesek üzemelni anélkül, hogy a kosár eltörne.

A kosárban található gördülőelem-fészek keresztmetszete; balra: korábbi kialakítás, henger (1) és kúp (2) kombinációja; jobbra: új kialakítás, henger (3) és tórusz (4) kombinációja


Optimalizált sárgarézkosár-kialakítás

A nagy fordulatszámon üzemelő alkalmazásoknál a kosár kritikus alkatrész. Ezért a 25°-os hatásszögű csapágyakhoz új sárgaréz kosarat fejlesztettünk ki. Az új kivitelnél az alábbi fejlesztéseket vezettük be:

  • a kosárban található gördülőelem-fészek toroid palástfelülettel rendelkezik (4. ábra);
  • a kosárban található gördülőelem-fészek tengelyszögét csökkentettük;
  • a kosárban található gördülőelem-fészek játékát optimalizáltuk;
  • a kosárban található gördülőelem-fészkek alakját oválisra alakítottuk;
  • a külső felület alakját optimalizáltuk;
  • az új sárgaréz anyag jobb mechanikai tulajdonságokkal és kevesebb ólomtartalommal rendelkezik.

A kosár geometriáját végeselem-analízis alapján határoztuk meg. Mindegyik szimulációt a BEAST elnevezésű, korszerű SKF szabadalmazott szimulációs szoftverrel végeztük. A kosár és a golyók között fellépő erőket különböző üzemi körülmények között és különböző kosárgeometriákkal elemeztük (5. ábra).

A kosárban található gördülőelem-fészekre ható erők

Végeselem-analízist végeztünk a kosárkialakítás különböző változatainak összehasonlítására, azonban egy új termék esetén a mindenre kiterjedő ellenőrzéshez elengedhetetlenül szükség van a fizikai vizsgálatokra. A robusztusságra és a súrlódásra irányuló vizsgálatok mellett számos magas fordulatszámú vizsgálatot végeztünk a kosár teljesítményének ellenőrzésére. A pozitív vizsgálati eredmények alapján az újonnan kifejlesztett sárgaréz kosár határfordulatszáma kb. 30%-kal nőtt (6. ábra).

Határfordulatszám összehasonlítása

Az optimalizált golyó-kosár érintkezésnek (toroid alak) köszönhetően a magas fordulatszámon jelentkező hőmérséklet stabilabb, és javult a kenőanyag-filmképződés. A kosárban található gördülőelem-fészek ovális kialakításának, valamint az axiális irányban csökkentett játéknak köszönhetően a zaj- és a rezgésszinteket 15%-kal sikerült csökkentenünk.

A kosárral kapcsolatos költségek

Egy új termék sikeres bevezetéséhez két tényező alapvető fontosságú: a vevői érték és a költségek. Emiatt a teljes fejlesztési folyamat során kiemelt figyelmet fordítottunk a kosárral kapcsolatos költségekre. A rugalmas gyártási folyamatok lehetővé tették az összetettebb geometriák megvalósítását további megmunkálási költségek nélkül. Emellett a csökkentett keresztmetszetű alapanyagcső (7. ábra) használatának köszönhetően csökkent a megmunkálásra fordított idő.

Alapanyagcsövek keresztmetszete (balra: korábbi kialakítás, jobbra: új kialakítás)

A megnövekedett teljesítmény miatt ez az optimalizált sárgaréz kosár helyettesíti majd a meglévő kosárkialakítást is a 72 B(E) és a 73 B(E) sorozatú 40°-os hatásszögű választékban is, azonban a csapágyjelzés változatlan marad.

Továbbfejlesztett futópálya-geometria

A golyóscsapágyak futópályaprofilja általában körív alakú. Tengelyirányú lökésszerű terheléseknél és egytengelyűségi hiba esetén szélsőséges üzemi körülmények között előfordulhat, hogy az érintkezési ellipszis eléri a váll szélét (csonkolás), ami nagy feszültségcsúcsokat okoz. Ezek a kedvezőtlen terhelések a csapágyak károsodásához és korai csapágy-meghibásodáshoz vezethetnek. Ennek a kockázatnak a csökkentése érdekében továbbfejlesztettük a 25°-os hatásszögű csapágyak futópálya-geometriáját oly módon, hogy hozzáadtunk egy második, nagyobb sugarú körívet (r2) (8. ábra).

Új kialakítás: futópálya-geometria

Az új futópálya-geometriával az ellipsziscsonkolás kockázata jelentősen csökkent. Az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak az új futópálya-geometriával megközelítőleg háromszor nagyobb tengelyirányú erőket képesek felvenni ellipsziscsonkolás nélkül, mint az állandó futópálya-rádiusszal rendelkező csapágyak. Az új futópálya-geometria miatt az érintkezési feszültség kissé magasabb lett, mivel az érintkezési felület csökkent. Az érintkezési feszültség növekedése a csapágyra ható axiális és radiális terhelésektől függ. Tipikus alkalmazási körülmények esetén az érintkezési feszültség növekedése mindig 1% alatt marad.

Összefoglalás

A 25°-os hatásszöggel rendelkező új SKF Explorer egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágy-választék csapágyai az új sárgaréz kosárral és a továbbfejlesztett futópálya-geometriával sokkal magasabb fordulatszámot képesek elviselni (akár n × dm = 1 050 000 mm/perc), és szélsőséges üzemi körülmények között robusztusabbak, mint a 40°-os hatásszögű SKF Explorer egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak.

A 72 AC sorozat 15 mm és 70 mm közötti furatátmérővel rendelkező új 25°-os hatásszögű csapágyainak, valamint a 73 AC sorozat 17 mm és 70 mm közötti furatátmérőjű csapágyainak a piaci bevezetésére 2017 áprilisában került sor, és rövid átfutási idővel raktárkészletről rendelhetők. Az egysorú ferde hatásvonalú golyóscsapágyak moduláris kialakításának köszönhetően a vevők kiválaszthatják a legmegfelelőbb kosarat, tömítést és hatásszöget az új, hatékonyabb és megbízhatóbb kompresszorgenerációk tervezéséhez annak érdekében, hogy csökkentsék az üzemeltetők beszerzési és üzemeltetési összköltségét.

Helmut Landerl projektmenedzser, SKF Ausztria

www.skf.hu

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek