Hva er belastningskapasiteten til et hylselager i stål med flens?

Spørsmålet høres enkelt ut: "Hvor mye holder det?" Men for enHylselager i stål med flens,det er flere ingeniørlag svar. Det er ikke et tall på et stykke papir. Lastekapasitet her er ikke en fast del. Det kommer fra form, materiale, olje eller fett, varme, hvordan det brukes og hvordan kraftretningen samhandler med lagerets posisjon.

Den virkelige bestemmende faktoren for bæreevnen til hylselagre i stål med flens er beskrevet i denne artikkelen. Den viser hvordan ingeniører regner. Det viser hvor grensene kommer fra. Den forklarer også hvorfor to lagre av samme størrelse kan bære svært forskjellige belastninger avhengig av hvordan du bruker dem.

Definere komponenten: Geometri og funksjon

Hylselageret støtter den roterende eller gyngende akselen ved å skyve kontakt mellom akselen og lagerets indre hull. En flenstype legger til en sirkulær krage i den ene enden av sylinderkroppen. Den flensen har en spesiell mekanisk egenskap. Det stopper akselen fra å bevege seg sidelengs. Flensflaten mottar trykk langs akselen. sylinderhull skyve over akselen.

Det som skiller hylselagre i stål med flens fra andre lagre er deres struktur. Den har et bakskall av stål, vanligvis lavkarbonstål, som gir stabilitet til styrke og form. Denne stålstøtten er foret med ett eller flere lag med lagermateriale. lagermateriale er laget for slitasje og formendring under belastning. Stålrygger bærer strukturelle belastninger. Fôret gjør jobben med å gni og gli. Denne bimetalliske strukturen er grunnen til at bæreevnen ikke er enkel. Den endelige grensen avhenger av hvilket lag som feiler først. Ulike lag har forskjellige feiltyper.

Selve flensen legger til en andre lastbane. I en felles sylinderhylse uten flens skal sidebevegelse stoppes på andre måter. Du bruker et akseltrinn, en cellering eller en enkelt trykkpakning. Den flensede designen integrerer disse jobbene i én del. Men bæreevnen til flensen er uatskillelig fra sylinderdelen. De deler materialer. De deler varme. Under en hybrid belastning, jobber de sammen på en måte som enkelt øker ufangsten.

Radiell belastningskapasitet: Trykk-, hastighets- og PV-grenser

Radiell belastning er kraft som skyver akselens akse sidelengs. Den presser skaftet mot veggen i hullet. Dette er hovedlasttypen som brukes av de fleste hylselager. Radiell belastningskapasitet bestemmes av produktet av det projiserte lagerområdet og det tillatte lagertrykket.

Formelen er P=F delt på d ganger L.

P bærer trykk. F er radiell belastning. d er boringsdiameter. L er bærelengde.

Ligningen ser enkel nok ut. Men P_max, det maksimale trykket før skade, er ikke et fast tall. Det varierer med foringsmateriale, hastighet, varme og smøring.

Foringsmateriale bestemmer grunnlinjen

Stålbøssingslagre er sjelden bare stål i bruk. Vanlige foringssystemer og deres typiske mobilitets- og statiske grenser er avledet fra standard testprotokoller, inkludert:

Antallet kommer fra standard laboratorietester og smøreingeniørteams feltfeilregistreringer. Det er hele poenget. Samme størrelse lager kan støtte alt fra 14 til 38 MPa. Det avhenger kun av hva som er limt på innsiden av stålryggen. Den vanligste årsaken til tidlig feil er å velge lagre alene i henhold til størrelsen og ignorere foringsspesifikasjonen.

PV-grenseinteraksjonen

Lagertrykk eksisterer ikke isolert fra overflatehastighet. Den styrende designbegrensningen for hylselager er PV-verdien --produktet av trykk (P, MPa) og glidehastighet (V, m/s):

PV=P × V

Hvert foringsmateriale har en maksimal kontinuerlig fotovoltaisk vurdering over hvilken grensesnitttemperaturen stiger raskere enn varme kan overføres gjennom stålhuset. Når den er over fotovoltaisk, brytes smørefilmen (oljesmøring) eller polymersubstratet mykner og ekstruderer (tørrkjøring). ISO 3547-9: 2011 Typiske kontinuerlige PV-grenser og uavhengige testdata inkluderer:

• Blyholdig bronse, olje-smurt:PV Mindre enn eller lik 1,8–2,2 MPa·m/s
• Tinnbronse, olje-smurt:PV Mindre enn eller lik 1,5–1,9 MPa·m/s
• Aluminium-tinntrimetall, olje-smurt:PV Mindre enn eller lik 2,2–2,8 MPa·m/s
• PTFE-stoffkompositt, tørrkjøring:PV Mindre enn eller lik 0,35–0,55 MPa·m/s
• PTFE-bronsepulver, tørt eller marginalt smurt:PV Mindre enn eller lik 1,0–1,6 MPa·m/s

Dette betyr faktisk å doble akselhastigheten med omtrent halvparten av tillatt radiell belastning. Lager klassifisert 500N ved 100 rpm kan trygt bære 2500N bare ved 200 rpm. Mange av feilene forårsaket av "overbelastning" er faktisk hastighets--induserte PV-overskridelser, der operatøren økte gjennomstrømningen til maskinen uten å endre påført kraft (Hamrock, Schmid & Jacobson, The Machine Components Principle, 3. utgave.., CRC Press, 2019). .

Temperaturreduksjon

Tillatt trykk synker når driftstemperaturen øker. For bimetall-bronsebøssing reduseres den dynamiske belastningen med ca. 8 % til 12 % for hver økning på 20 grader C. Dette skyldes tynnere olje, raskere overflateherding, og misforhold mellom varmeutvidelse av stål og bronse. Langvarige-temperaturer over 150-180 grader Celsius kan føre til at noen puter beveger seg til bakken. Dette skaper myke flekker der lastoppsamling og slitasje øker. Polymer-forede lagre viser høyere varmefølsomhet. PTFE-baserte kompositter mister omtrent 40 % til 50 % av styrken mellom romtemperatur og 120 grader.

Aksial (skyvekraft) belastningskapasitet: Hva flensen faktisk bærer

Flensen på et flenset stålhylselager finnes spesielt designet for å motstå krefter parallelt med akselens akse. For å forstå dens kapasitet, er det nødvendig å gjenkjenne tre grunnleggende forskjeller mellom flensflaten og sylindriske hull.

For det første har flensen en flat ringformet kontaktflate, i stedet for en sylindrisk en som vikler seg rundt den. Nominelt skyvetrykk er fordelt i det ringformede området:

P_aksial=F_aksial / [(π/4) × (D_o² – D_i²)]

hvor D_o er flensens ytre kontaktdiameter og D_i er den indre kontaktdiameteren (typisk akselens skulder OD).

For det andre er flensen forskjellig fra sylinderhullet. I sylinderhullet gir spinning en stabil oljefilm som sprer smøremiddelet og jevner ut lokalt trykk. Flensen glir eller roterer ved hvert punkt. En oljekile vil ikke bli dannet med mindre flensflaten har en spesiell form. Dette er sjelden i standard foringer. De fleste flenser fungerer under tynne eller blandede oljelag, selv om sylinderhullet har en full oljefilm. Derfor, for det samme foringsmaterialet, er det tillatte trykket til flensen vanligvis 30 % 50 % lavere enn trykket til hullet.

For det tredje er flenstykkelsen begrenset. En typisk flenset bøsningsflens er 0,5-1,0 ganger tykkere enn sylinderveggtykkelsen. Under høy sidebelastning bøyer flensen seg til en kjegleform. Dette skyver last til den indre eller ytre kanten av flensen. Konsentrer deretter kraften på en liten del av flensområdet. Lokalt er trykket mye høyere enn gjennomsnittet.

I henhold til standardforholdet er den typiske laterale bæreevnen som en prosentandel av den tilsvarende radielle kapasiteten som følger:

Ikke-standard flensgeometrier (tynnere, mindre OD eller overdimensjonert OD med redusert stivhet) vil avvike betydelig fra disse prosentene.

Kombinert belastning: Når radial- og skyvekrefter samvirker

Ekte maskiner påfører sjelden bare radial eller bare aksial belastning. Girkasse, koblingsstift, pumpeaksel og hydrauliske sylinderfester produserer ofte blandede belastninger. Disse to belastningstypene går ikke bare sammen. De deler baksiden av stålet og kjemper om samme plass i metallet.

radiell belastning skyver akselen til kanten av hullet, og når den aksiale belastningen skyver til flensflaten, går kraftbanen gjennom flensroten. Dette er hjørnet av sylinderens dreieflens. Datamodeller viser at spenningen i flensrothjørnet er 1,3 til 1,6 ganger høyere enn den enkle summen under begge belastningene.

De fleste produsenter nedgraderte hybridlaster. Noen retningslinjer anbefaler at den tillatte belastningen reduseres med 15 til 25 prosent når det laterale til radielle forholdet overstiger 0,3. En ekspert foreslo en formel:

(F_r delt på R_r) er lik 1,5 ganger, pluss (F_a delt på R_a) er lik 1,5 ganger

F_r og F_a er faktiske krefter. R_r og R_a er enkeltvurderinger. Eksponenten over 1 forklarer tilleggsspenningen i flensrothjørnet.

Statisk vs. dynamisk kapasitet

Lagerkataloger viser vanligvis statiske og dynamiske klassifiseringer. Disse er veldig forskjellige. Å blande dem kan føre til størrelsesfeil.

Statisk belastningskapasitet er den maksimale belastningen et lager kan tåle når det ikke er i bevegelse. Den kan ikke bøye seg utover grensen for varighet. Statiske tall er 1.5 -2.5 ganger den dynamiske vurderingen til metall-forede bøssinger. Ingen friksjonsvarme, ingen opphopning av slitasje, ingen brudd på oljefilmen.

Dynamisk bæreevne refererer til belastningen i en viss bevegelsestid, i en viss levetid. For fabrikkmaskiner er det vanligvis 10 000 timer. Dynamisk vurdering må inkludere slitasjeakkumulering, utmatting av foringen og stabile termiske forhold.

For deler som bare beveger seg av og til, for eksempel gårdhengselstifter som svinger flere ganger om dagen, kan du bruke en statisk vurdering for toppbelastninger. Den totale glideavstanden forblir lav. Den dynamiske vurderingen er det eneste tallet som betyr noe for komponenter som har rotert, for eksempel transporthjul, vifteaksler og pumpelagre. I praksis er det en av de vanligste feilene å bruke statiske tall for å bestemme lagerdimensjoner.

Smøreregime: Den skjulte multiplikatoren

Lastekapasitetssamtaler er ufullstendige uten å dekke smøring. Det samme lageret kan ha opptil 10 ganger forskjellig sikkerhetsbelastning, avhengig av om det går i full olje, blander olje eller tørker ut.

Full oljesmøring. Bevegelse skaper nok væsketrykk til å skille overflaten fullstendig. I denne tilstanden er lastekapasiteten hovedsakelig begrenset av damppunktet til oljen og styrken til skallet. Foringsmaterialet spiller ingen rolle fordi det aldri berører skaftet. Du trenger fire ting. Overflatehastighet over 0,1-0,3 m/s, tilstrekkelig oljetilførsel, passende spaltestørrelse og god innretting. Når alle fire lagrene er oppfylt, kan et godt hylselager alltid løpe nær flytegrensen stålryggen.

Blandet smøring. Dette er en mellomtilstand. Mens de fleste laster fortsatt kontrolleres av væsker, kan overflater berøres overalt. Slik går bøsningslager i de fleste fabrikker. Dette skjer ved start av astop-syklus, endring av hastighet eller lavt drivstofforbruk. Bæreevnen her avhenger av overflateglatthet, foringshardhet og solide smørebiter på borkronen.

Tørr- eller grensesmøring. Oljefilmen var tynn. Nesten all lasten føres gjennom foringen direkte fra metall til metall. PV-grense er obligatorisk her. Kapasiteten bestemmes av styrken, slitasjehastigheten og varmestabiliteten til foringen.

Virkelige resultater. Hylselagre med flenser som tåler 8000 Newton i godt-smurte valser kan svikte ved 2000 Newton i ledd med lavt-fett, sakte-bevegende ledd. Samme deler, samme dimensjoner, fem ganger forskjellig avhengig av smøretilstand alene.

Feilmoduser: Hva skjer når grensene overskrides

Å forstå hvorfor grenser eksisterer betyr å lære feilfysikken. Typer av feil varierer i henhold til fôr og bruk.

Tretthet avskallet mellom to metallforinger. I gjentatte sykluser starter små sprekker under overflaten av toppskjærspenning. Sprekker kan dannes og ødelegge foringsbiten. Når den er aktivert, øker peelingen. Disse jettegrytene brøt gjennom oljefilmen og skapte nye stresspunkter. Dette er vanlig i bilmotorlager.

Dimensjonstap på grunn av slitasje. Slitte slipemidler gjør hullene større. Dette vil avbøye drivakselen. Dette komprimerer lasten til et mindre område, og øker lokalt trykk. Dette er en syklus som blir verre. Alt over en viss slitasjehastighet betyr at du kommer for nær PV-grensen.

Krypestrømmer eller kalde strømmer i plast. Myke materialer ekstruderes gradvis under høy temperatur og stabil belastning. Det avhenger av tid, ikke syklusen. 80 prosent av kort-klassifiserte lagre kan vare i 100 timer, men svikte etter 1000 timer. Dette er grunnen til at plast-forede bøssinger ikke egner seg til å stå over lengre perioder.

Varmen var ukontrollerbar. Hvis friksjonsvarmen overstiger hastigheten som skallet tåler, vil temperaturen stige. Dette tynner ut oljen eller mykgjør plasten. Dette øker friksjonen og skaper mer varme. Denne syklusen kan presse overflaten over hundrevis av grader på minutter. Lagre kan låses, sveises til akselen eller løsnes. Det er derfor PV-grenser eksisterer, og det er derfor sikkerhetsmarginen er nødvendig.

Flensspesifikke-feil. Roten til flensede deler vil sprekke under den kombinerte belastningen. Trykk kan påføres flensflaten på grunn av dårlig smøremiddel. Hvis flensen er for liten til å tåle belastningen, kan den forbli kjegleformet for alltid. Alt dette kan stoppes ved å justere lageret til riktig størrelse under en blandet belastning.

Standarder og testmetoder: Hvor data stammer fra

Laste-kapasitetstallene i denne artikkelen er avledet fra internasjonale standarder og profesjonelle sosiale testmetoder utviklet over flere tiår. Hovedreferansemateriale for spesifikasjon av flensede stålhylselager:

ISO 3547 (Del 1-11): Bøsninger med glidelager Dimensjoner, toleranser, materialbetegnelser, retningslinjer for belastning/hastighet, inkludert flenskonfigurasjoner.

ASTM B438/B438M: Metalliske glidelagerspesifikasjoner (olje-impregnert sintret bronse/jern; gjelder for sammenligning).

SAE J881: Vanlige lagerdimensjoner mye brukt i bil- og terrengutstyr i Nord-Amerika.

ISO 3547-10:2016: Testmetode for pakking av bøssing under spesifiserte lasthastighetsforhold.

DIN ISO 3547 (brukt i Tyskland): Inkluderer ofte tilleggsveiledning om hustilpasninger og kompresjonstoleranser som ikke er inkludert i den originale ISO.

Hvis en produsents katalog viser en "lastvurdering", men ikke nevner noen av kriteriene eller gir tilsvarende testtilstandsdetaljer (hastighet, smøremiddeltype og viskositet, temperatur, driftssyklus, akseptkriterier), behandles dette tallet kun som veiledende og er ikke egnet for teknisk beregning uten uavhengig verifisering.

Praktisk utvalgsramme

For ingeniører som velger hylselager i stål med flens, kan en trinn-for-trinnsplan unngå de vanligste feilene.

Forstå først lastvektor. Mål eller finn toppradialkraften, aksialkrafttoppene og når de oppstår. Topper de samtidig? Hvis lasten roterer i forhold til skallet, vær oppmerksom på vinkelområdet. Slitasje for forlengelse av delvis lysbue er forskjellig fra full ringbelastning.

Deretter må du være oppmerksom på hastighetsområdet. Registrer maksimal, minimum og gjennomsnittlig rotasjons- eller svinghastighet. Hvis det er viktig, inkluderer oppstart-stoppfrekvens. Beregn et hastighetsområde på V i meter per sekund.

For det tredje, velg startstørrelsen. Finn den minste hullstørrelsen i henhold til skaftet og den minste hulllengden i henhold til plassbegrensninger. Sjekk L/D-forholdet. En verdi under 0,5 forårsaker et kantbelastningsproblem. En verdi over 1,5 forårsaker feiljusteringsproblemer. Generell fabrikkbruk er vanligvis mellom 0,8 og 1,2.

For det fjerde, beregn P og PV. Lagertrykket og fotovoltaisk verdi ved maksimal belastning og maksimal hastighet oppnås ved hjelp av disse formlene. Sammenlign det med vurderingen og sikkerhetsfaktoren til foringsmaterialets vurderinger. Bruk 1.5-2.0 til velkjente formål. Bruk 2,5-4,0 når last eller hastighet er svært usikker.

For det femte, sjekk hybridlasten. Hvis både radielle og aksiale krefter eksisterer, brukes en blandingsformel. Kontroller at lasten, alene eller kombinert, ikke overskrider reduksjonsgrensen.

For det sjette, sjekk kaloriene. Bekreft arbeidstemperaturområdet. Hvis metallforede lagre er klassifisert over 80 grader eller plastforinger er klassifisert til under 60 grader C.

For det syvende, identifiser glidemiddel. Sørg for at drivstofftilførselen er i tråd med regimet. spesielle selv-smøreforinger som kreves for tørr drift. Standard bimetall bronse lagre kan festes raskt uten utvendig smøremiddel.

For det åttende, sjekk koordinering og montering. Kompresjonstettheten til den ytre diameteren til en stål-støttet bøssing skal normalt være 0,03 % -0,08 % av den nominelle ytre diameteren. Det avhenger av husets materiale og tykkelsen på veggene. Overdreven tetning vil komprimere bøssingen, noe som gjør hullet mindre. For lite tetning kan føre til at bøssingen roterer i huset, noe som forårsaker slitasje og eventuelt løshet.

Konklusjon

Bærekapasiteten til et flenset stålhylselager er ikke et tall. Det varierer med valg av foringsmateriale, driftshastighet, temperatur, smøretilstand og lastretning. Hvis du ignorerer noen av dem, kan du gi ti ganger feil. Det kan være for høyt og farlig, eller for lavt og sløsing.

Den riktige måten å velge lagre på er ikke å resitere numeriske tabeller. Nøkkelen er å vite hvilke faktorer som er viktigst for bruken din. Bruk deretter de riktige designformlene og faktiske sikkerhetsmarginer. Sjekk deretter gjetningene dine mot kjente standarder, ikke bare produsentpåstander. Når du følger disse trinnene, vil hylselager med flens i stål gi en pålitelig og stabil levetid for alle fabrikkmaskiner. Fra trege hengselstifter som kan holde hundrevis av newton til raske kompressorforinger som kan støtte tusenvis av newton i full hastighet. Kapasiteten var alltid der. Spørsmålet var alltid om analysen din var dyp nok og riktig nok.

Referanser

• Khonsari, MM & Booser, ER (2017).Anvendt tribologi: lagerdesign og smøring, 2. utg. Cambridge University Press.
• International Organization for Standardization. (2018).ISO 3547-1:2018 - glidelagre - omviklede foringer - Del 1: Dimensjoner.Genève: ISO.
• International Organization for Standardization. (2011).ISO 3547-9:2011 - glidelagre - omviklede foringer - Del 9: Polymeromviklede foringer.Genève: ISO.
• American Society for Testing and Materials. (2020).ASTM B438/B438M-20 - standardspesifikasjon for metalliske glidelagre.West Conshohocken: ASTM International.
• Engel, PA (2002).Lagerdesign i maskineri: ingeniørtribologi og smøring.New York: Marcel Dekker.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2019).Grunnleggende om maskinelementer, 3. utg. Boca Raton: CRC Press.
• Stachowiak, GW & Batchelor, AW (2014).Ingeniørtribologi, 4. utg. Boston: Butterworth-Heinemann.
• andardisering. (2016).ISO 3547-10:2016 - Testmetoder for viklede vanlige busker.Genève: ISO.