چگونه می توان ظرفیت بار غلتک های استوانه ای رانش را محاسبه کرد؟

در طراحی مکانیکی سنگین و تعمیر و نگهداری تجهیزات صنعتی، محاسبه دقیق ظرفیت بار رولبرینگ استوانه ای رانش هسته اصلی تضمین قابلیت اطمینان سیستم است. این یاتاقان ها به دلیل ظرفیت تحمل بار محوری استثنایی و استحکام بالا شهرت دارند و به طور گسترده در سکوهای حفاری نفت، اکسترودرهای سنگین و گیربکس های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. برای به حداکثر رساندن عمر یاتاقان و جلوگیری از خرابی تجهیزات فاجعه‌بار، مهندسان باید بر روش‌های محاسبه دقیق هم برای رتبه‌بندی بار دینامیک و هم رتبه‌بندی بار استاتیک تسلط داشته باشند.

1. مبانی ظرفیت بار محوری و هندسه باربری

برای درک ظرفیت بار رولبرینگ‌های استوانه‌ای رانش، ابتدا باید تفاوت‌های ساختاری آن‌ها را از یاتاقان‌های ساچمه ای تشخیص داد. غلتک های استوانه ای ارائه می کنند تماس خط به جای نقطه تماس در بلبرینگ ها یافت می شود. این ویژگی هندسی به یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای رانش اجازه می‌دهد تا در یک فضای بسیار کوچک در برابر رانش محوری عظیم مقاومت کنند. با این حال، در مورد کنترل لرزش و تراز کردن نیز به دقت بالاتری نیاز دارد.

1.1 اهمیت استرس تماس با خط

در فرآیند محاسبه، تماس خط به این معنی است که فشار در تمام طول غلتک توزیع می شود. طبق نظریه تنش تماسی هرتزی، محاسبه ظرفیت بار باید طول موثر غلتک ها را در نظر بگیرد. اگر بلبرینگ به درستی نصب شود و منجر به کج شدن شود، بار روی لبه‌های غلطک متمرکز می‌شود و "تنش لبه" ایجاد می‌کند. این می تواند ظرفیت بار نظری را بیش از 50 درصد کاهش دهد. بنابراین، در جستجوهای با فرکانس بالا، "Bearing Misalignment" یک کلمه کلیدی حیاتی مرتبط با محاسبات بار باقی می ماند.

1.2 رتبه بندی پایه پویا در مقابل بار استاتیک

• رتبه بندی بار دینامیکی پایه (Ca): این به بار محوری ثابتی اشاره دارد که یک یاتاقان می تواند در حین چرخش تحمل کند تا به عمر نامی یک میلیون دور برسد. این معیار کلیدی برای ارزیابی عمر عملیاتی تجهیزات است.
• رتبه بندی بار استاتیک پایه (C0a): این به بار حدی اشاره دارد که در آن تغییر شکل دائمی در نقطه مرکز تماس رخ می دهد در حالی که یاتاقان ثابت است یا با سرعت های بسیار پایین می چرخد. ایمنی یاتاقان را تحت بارهای ضربه ای یا در لحظه راه اندازی تعیین می کند. تسلط بر تفاوت بین این دو مقدار اولین قدم در انتخاب بلبرینگ است.

2. محاسبه رتبه بندی بار دینامیکی پایه (Ca) با استفاده از ISO 281

محاسبه رتبه بار دینامیکی مبنایی برای پیش‌بینی عمر خستگی یاتاقان است. برای یاتاقان های غلتکی استوانه ای رانش، استاندارد جهانی شناخته شده است ISO 281 . این فرمول نه تنها ابعاد فیزیکی، بلکه تأثیر فناوری مواد و دقت پردازش را بر ظرفیت بار نیز در نظر می گیرد.

2.1 فرمول استاندارد ISO 281

برای یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای رانش تک ردیفی، رتبه بار محوری دینامیکی پایه Ca (اندازه‌گیری شده بر حسب نیوتن) با استفاده از متغیرهای زیر محاسبه می‌شود:

Ca = fc * (Lw * cos alpha)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27

2.2 تعاریف متغیر و تأثیر آنها

• fc (عامل هندسه): ضریب بسته به هندسه خاص، کلاس تحمل و کیفیت مواد بلبرینگ. فولاد بلبرینگ با کیفیت بالا (مانند GCr15) معمولاً دارای مقدار fc بالاتری است.
• Lw (طول غلتک موثر): طول موثر غلتک. افزایش طول غلتک به طور مستقیم ظرفیت بار را بهبود می بخشد، اما غلتک های بیش از حد طولانی در طول چرخش اصطکاک لغزشی قابل توجهی ایجاد می کنند. بنابراین، طراحان باید نسبت ابعاد را متعادل کنند.
• Z (تعداد غلطک): هرچه غلتک‌ها بیشتر باشد، نیروی کمتری را هر غلتک وارد می‌کند و امتیاز کلی را افزایش می‌دهد.
• Dw (قطر غلتک): قطر غلتک تأثیر نمایی بر ظرفیت بار دارد و حساس ترین متغیر در طراحی است.

2.3 محاسبه عمر رتبه بندی (L10)

پس از بدست آوردن Ca، مهندسان باید مقدار را محاسبه کنند رتبه بندی عمر (L10) . برای یاتاقان های غلتکی رانش، فرمول محاسبه به صورت زیر است:

L10 = (Ca / Pa)^10/3

توان 10/3 (تقریباً 3.33) نشان‌دهنده این واقعیت است که یاتاقان‌های غلتکی در مقایسه با بلبرینگ‌ها (که از توان 3 استفاده می‌کنند) قبل از شکست خستگی بادوام‌تر هستند. در یک وب سایت شرکتی، نشان دادن این پیش بینی دقیق زندگی به طور قابل توجهی اعتماد مشتری را به محصول افزایش می دهد.

3. ظرفیت بار استاتیک (C0a) و عوامل ایمنی

در بسیاری از کاربردها، یاتاقان ها همیشه در حالت کارکرد با سرعت بالا نیستند. به عنوان مثال، هنگام باز کردن یک شیر سنگین یا در لحظه ای که جرثقیل باری را بلند می کند، یاتاقان در حالی که ساکن است تحت فشار زیادی قرار می گیرد. در چنین مواقعی باید به آن تکیه کنیم ISO 76 استاندارد برای محاسبه ظرفیت بار استاتیکی

3.1 جلوگیری از تغییر شکل دائمی (Brinelling)

ظرفیت بار استاتیک به عنوان باری تعریف می شود که منجر به تغییر شکل دائمی کلی در مرکز تماس غلتک و راهروی با بیشترین بارگذاری شده می شود، که از آن بیشتر نباشد. 0.0001 از قطر غلتک اگر از این مقدار تجاوز شود، بلبرینگ در طول چرخش بعدی لرزش و نویز شدید ایجاد می کند. این معمولاً در جستجوهای صنعتی به عنوان "اثر برینلینگ" نامیده می شود.

3.2 فرمول محاسبه ایستا

فرمول کلی برای بار محوری استاتیکی C0a به صورت زیر بیان می شود:

C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alpha

ثابت 220 نشان دهنده سطح عملکرد فولاد بلبرینگ سخت شده استاندارد تحت سطوح تنش تماس خاص است.

• ضریب ایمنی (S0): در مهندسی عملی، ما یک ضریب ایمنی ثابت S0 = C0a / P0a را معرفی می کنیم. برای تجهیزات با بارهای ضربه ای، S0 3 یا بالاتر توصیه می شود. برای تجهیزات دقیق، S0 باید حتی بالاتر باشد تا اطمینان حاصل شود که هیچ تغییر شکل پلاستیکی بر دقت تأثیر نمی گذارد.

4. مقایسه عملیاتی: عوامل تنظیم بار

شرایط واقعی کار بسیار پیچیده تر از شرایط آزمایشگاهی است. روغن کاری، دما و دقت نصب همگی به عنوان "عوامل اصلاح" عمل می کنند که به طور مستقیم بر ظرفیت بار موثر بلبرینگ تأثیر می گذارد.

5. سوالات متداول (سؤالات متداول)

Q1: آیا رولبرینگ های استوانه ای تراست می توانند بارهای شعاعی را تحمل کنند؟

خیر این بلبرینگ ها به شدت برای بارهای محوری طراحی شده اند. از آنجایی که غلتک ها عمود بر محور شفت قرار گرفته اند، نیروهای شعاعی باعث اصطکاک شدید با قفس می شوند یا حتی می توانند منجر به فروریختن مجموعه شوند. در صورت وجود نیروهای شعاعی، لطفاً از یک غلتک سوزنی به صورت ترکیبی استفاده کنید.

Q2: چرا توان L10 با یاتاقان توپ متفاوت است؟

این به دلیل تفاوت در مکانیک تماس است. بلبرینگ‌های توپ از تماس نقطه‌ای استفاده می‌کنند که منجر به تمرکز تنش بالاتر و توان 3 می‌شود. یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای از تماس خطی استفاده می‌کنند که تنش را به طور یکنواخت‌تر توزیع می‌کند، بنابراین از توان برتر 10/3 استفاده می‌کند.

Q3: ویسکوزیته روانکاری چگونه بر بار مؤثر تأثیر می گذارد؟

ضخامت لایه روغن روانکاری تعیین می کند که آیا قله های زبری سطوح تماس با هم برخورد می کنند یا خیر. حتی اگر رتبه بار نظری بالا باشد، اگر ویسکوزیته روغن خیلی کم باشد، عمر مفید واقعی ممکن است کمتر از 10 درصد مقدار محاسبه شده باشد.

6. مراجع و استانداردهای فنی

1. ISO 281:2007 : یاتاقان های نورد - رتبه بندی بار دینامیکی و عمر درجه بندی.
2. ISO 76:2006 : یاتاقان های غلتشی - رتبه بندی بار استاتیک.
3. استاندارد ANSI/ABMA 11 : رتبه بندی بار و عمر خستگی برای بلبرینگ های غلتکی.
4. هریس، تی. ا. و کوتزالاس، ام. ن. : تحلیل بلبرینگ نورد جلد 1 و 2 , CRC Press. (کتاب درسی استاندارد صنعت برای تحلیل بلبرینگ).