Pentru ce sunt folosiți rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri?

Rulmenți cu role cu contact unghiular cu două rânduri sunt utilizate în principal în aplicații care necesită manipulare simultană a sarcini radiale mari, sarcini axiale substanțiale din ambele direcții și sarcini de moment — totul într-un aranjament compact, cu o singură unitate. Ele sunt soluția de inginerie de alegere ori de câte ori un arbore sau un ansamblu rotativ trebuie susținut rigid într-o singură locație, fără complexitatea împerecherii a doi rulmenți separați pe un singur rând.

În termeni practici, acești rulmenți apar în fusurile de mașini-unelte, gâturile rolelor de laminoare, cutiile de viteze industriale grele, arborii pompelor și compresoarelor, sistemele de pas ale turbinelor eoliene și actuatoarele aerospațiale de precizie - oriunde trebuie să coexiste într-o singură poziție a rulmentului capacitatea de încărcare combinată, rigiditatea axială și precizia de rulare. Unghiurile lor de contact variază de obicei între 25° și 40° , cu unghiuri mai mari care oferă o capacitate de încărcare axială mai mare și unghiuri mai mici favorizând viteze mai mari și capacitate radială.

Înțelegerea designului: de ce două rânduri fac diferența

Pentru a înțelege aplicațiile, vă ajută să înțelegeți ce diferențiază structural acest tip de rulmenți. Un rulment cu role cu contact unghiular cu două rânduri este format din două rânduri de elemente de rulare – fie role conice, fie role cilindrice cu canale de rulare unghiulare – dispuse într-o configurație opusă (fie spate în spate, fie față în față) într-un singur inel exterior și adesea într-un singur ansamblu inel interior.

Acest aranjament opus creează două linii de sarcină care converg (față în față / aranjament O) sau diverg (spate în spate / aranjament X) în raport cu axa lagărului. Rezultatul este o unitate de rulment care poate:

• Transportați sarcini radiale pe care un rulment pur axial nu le poate suporta
• Rezistați forțelor axiale în ambele direcții pozitive și negative ale arborelui simultan
• Opuneți momentelor de înclinare (sarcini de încovoiere) care ar duce la defectarea prematură a rulmenților cu un singur rând
• Asigurați o împrăștiere efectivă a sarcinii mai mare decât doi rulmenți separați la aceeași distanță axială

Aranjamentul spate în spate (X) oferă rezistență superioară la sarcina momentului deoarece liniile de sarcină diverg spre exterior, creând o deschidere de rulment virtuală mai largă. Aranjamentul față în față (O) este mai tolerant la dezalinierea arborelui și la dilatarea termică. Alegerea dintre aceste configurații determină adecvarea pentru medii specifice de aplicație.

Axe de mașini-unelte: aplicația de precizie

Una dintre cele mai solicitante și obișnuite aplicații pentru rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri este în axele mașinilor-unelte - arborii rotativi care țin și antrenează sculele de tăiere sau piesele de prelucrat în strunguri, mașini de frezat, mașini de șlefuit și centre de prelucrare.

În acest context, rulmentul trebuie să satisfacă simultan cerințe contradictorii: trebuie să fie suficient de rigid pentru a rezista forțelor de tăiere (care creează atât sarcini radiale, cât și axiale plus momente de încovoiere) în timp ce rulează cu suficientă precizie pentru a produce suprafețe prelucrate în limitele toleranțelor micrometrice. Lagărele axului în mașinile de șlefuit de precizie pot fi necesari pentru a menține deformarea radială sub 1 micrometru (0,001 mm) la viteze de funcționare care pot depăși 15.000 RPM.

Rulmenții cu bile cu contact unghiular cu două rânduri în intervalul de unghi de contact de la 15° la 25° domină capătul de mare viteză al acestei aplicații, în timp ce rulmenții cu role conice cu două rânduri cu unghiuri de contact de 30° până la 40° servesc arborele mai grele, cu viteză mai mică, care se găsesc în centrele de strunjire grele și morile de alezat. Avantajul cheie în ambele cazuri este că o singură poziție a rulmentului gestionează toate direcțiile de sarcină - simplificând proiectarea axului, reducând lungimea carcasei și îmbunătățind managementul termic în comparație cu aranjamentele cu doi rulmenți.

Laminoare: Manipularea forțelor radiale și axiale extreme

Laminoarele utilizate în producția de oțel, aluminiu și cupru supune rulmenții unora dintre cele mai severe condiții de încărcare combinată din mașinile industriale. Rolele de lucru și rolele de rezervă dintr-o laminoare la cald sau la rece suferă forțe radiale enorme de la presiunea de laminare — forţe care pot atinge câteva milioane de Newtoni în mori de plăci grele — concomitent se confruntă cu forțe axiale semnificative de la coroana laterală a rolei și materialul care urmează să fie modelat.

Rulmenții cu role conice cu patru rânduri (care sunt, în esență, două unități cu două rânduri asamblate împreună) sunt alegerea dominantă pentru pozițiile gâtului rolei laminoare grele, dar rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri au un rol critic în pozițiile intermediare, pozițiile de tracțiune și sistemele de reglare ale acestor mori. Capacitatea lor de a se adapta la deplasarea axială de la creșterea termică, purtând încă o sarcină radială completă, le face deosebit de potrivite pentru sistemele de poziționare a rolei de rezervă, unde este necesară o locație axială precisă a rolei.

În aplicațiile de laminare la rece, în care calitatea finisării suprafeței este primordială, deformarea scăzută și rigiditatea ridicată a rulmenților cu role cu contact unghiular cu două rânduri contribuie direct la consistența spațiului de rulare - ceea ce se traduce prin uniformitatea grosimii benzii pe toată lățimea produsului laminat.

Cutii de viteze și sisteme de transmisie

În cutiile de viteze industriale și grele, angrenarea angrenajului generează atât forțe radiale (perpendiculare pe arbore) cât și forțe axiale (de-a lungul axei arborelui) simultan. Roțile dințate elicoidale, angrenajele conice spiralate și angrenajele melcate produc toate tracțiunea axială care trebuie absorbită de rulmenții arborelui. Rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri sunt potriviți în mod ideal pentru aceste poziții ale arborelui deoarece suportă sarcina combinată într-o singură unitate compactă fără a necesita un rulment axial separat alături de un rulment radial.

Într-o cutie de viteze elicoidală tipică, unghiul helix al dinților creează o componentă de forță axială proporțională cu forța tangențială înmulțită cu tangenta unghiului helix. Pentru un unghi de spirală de 20° și o forță tangențială de 50 kN, forța axială ar fi de aproximativ 18 kN - o sarcină semnificativă care trebuie să reacționeze continuu prin rulment în carcasă. Un rulment de contact unghiular cu două rânduri la această poziție a arborelui elimină necesitatea unui guler de tracțiune separat sau a unui rulment suplimentar, reducând atât numărul de piese, cât și întinderea totală a cutiei de viteze.

Cutiile de viteze de propulsie marină, cutiile de viteze principale ale turbinelor eoliene, transmisiile de tracțiune ale locomotivelor și cutiile de viteze mari mixer industriale sunt toate aplicații în care rulmenții cu role unghiulare cu două rânduri asigură această funcție combinată de manipulare a sarcinii în pozițiile arborelui critice pentru fiabilitatea sistemului.

Pompe și compresoare: împingere axială în funcționare continuă

Pompele centrifuge și compresoarele generează forțe de împingere axiale substanțiale pe arborii lor rotorului ca urmare a diferențelor de presiune pe rotor. Într-o pompă centrifugă cu o singură treaptă, forța axială netă este absorbită de obicei de un lagăr de tracțiune dedicat la capătul nemotor al arborelui. Pentru pompele cu mai multe etape sau compresoarele de înaltă presiune, această tracțiune axială poate atinge zeci de kilonewtoni și poate inversa direcția în anumite condiții de funcționare - făcând rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri tipul de rulment adecvat pentru această poziție.

Avantajele cheie în aplicațiile cu pompe și compresoare includ:

• Capacitate de sarcină axială bidirecțională elimină necesitatea unor coliere de împingere separate atunci când condițiile de funcționare a pompei pot produce împingere axială inversă (de exemplu, în timpul tranzitorii de pornire sau inversarea debitului)
• Rigiditatea ridicată reduce deformarea arborelui la rotor, îmbunătățind performanța etanșării și reducând nivelurile de vibrații care ar accelera uzura etanșării
• Învelișul axial compact reduce lungimea totală a pompei, simplificând instalarea în medii de instalații de proces cu spațiu limitat
• Durată lungă de viață în condiții de funcționare continuă atunci când sunt lubrifiate corespunzător - unitățile bine întreținute în aplicațiile cu pompe obțin în mod obișnuit Durată de viață a L10 care depășește 50.000 de ore

Sisteme de înclinare și înclinare a turbinelor eoliene

Turbinele eoliene prezintă un set unic de provocări lagăre datorită combinației dintre viteze de rotație mici, sarcini foarte mari, direcții inverse ale sarcinii și nevoia de decenii de viață fără întreținere. Rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri sunt utilizați pe scară largă în două subsisteme critice ale turbinelor eoliene: rulmentul de pas al palelor și rulmentul de rotire a nacelei.

Rulmenți cu pasul lamei

Fiecare paletă a rotorului este conectată la butuc printr-un rulment de pas care permite lamei să se rotească în jurul axei sale longitudinale, ajustând unghiul de pas al paletei pentru a controla puterea de ieșire și pentru a proteja turbina în cazul vântului puternic. Lagărul cu pas trebuie să suporte întreaga greutate a lamei (care poate depăși 20 de tone pentru lame mai lungi de 60 de metri ) ca o sarcină radială/de moment, în timp ce găzduiește simultan forța aerodinamică axială și permițând rotația controlată pentru reglarea pasului.

Rulmenții cu inel de rotire cu contact unghiular cu două rânduri - versiuni în esență cu diametru mare (1,5 până la 3 metri) ale principiului contactului unghiular cu două rânduri - sunt soluția standard pentru această aplicație. Rigiditatea momentului lor previne înclinarea lamei sub sarcină asimetrică, în timp ce capacitatea lor axială gestionează forțele de împingere a vântului.

Rulmenți de orientare a nacelei

Rulmentul de rotire conectează nacela (carcasa care conține generatorul și transmisia) la turn, permițând întregii nacele să se rotească și să urmărească direcțiile schimbătoare ale vântului. Acest rulment cu diametru mare - de obicei 2 până la 4 metri în diametru pe turbine la scară de utilitate — trebuie să suporte întreaga greutate a ansamblului nacelei și rotorului (adesea 100 de tone sau mai mult) rezistând în același timp la momentul de răsturnare de la încărcarea vântului și permițând o rotație lentă, controlată, condusă de motoarele de antrenare în sens de rotire. Configurațiile de contact unghiular cu două rânduri oferă combinația necesară de capacitate de încărcare radială, axială și momentă într-o singură structură de rulment integrată.

Aplicații aerospațiale și de apărare

În ingineria aerospațială, greutatea, fiabilitatea și densitatea de performanță sunt esențiale - iar rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri le oferă pe toate trei. Utilizarea lor include accesorii pentru motoare de aeronave, dispozitive de comandă de zbor, puncte de pivotare a trenului de aterizare, componente ale capului rotorului elicopterului și cardanele sistemului de ghidare a rachetelor.

Cutiile de viteze accesorii pentru motoarele de aeronave, care antrenează pompe hidraulice, pompe de combustibil, generatoare și pompe de evacuare a uleiului din miezul motorului, se bazează în mare măsură pe rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri de pe arborii lor de angrenaj. Acești rulmenți trebuie să funcționeze fiabil în intervale extreme de temperatură - de la -54°C la croazieră la mare altitudine până la peste 150°C în mediul cu ulei de cutie de viteze — în timp ce manevrați întreaga gamă de sarcini combinate cu ochiuri de viteze.

În mecanismele de acţionare pentru controlul zborului, în care acţionarea suprafeţei creează sarcini axiale bidirecţionale pe ansamblurile şurubului cu bile şi tijei de acţionare, rulmenţii cu contact unghiular cu două rânduri asigură rigiditatea axială necesară pentru a minimiza eroarea poziţiei suprafeţei de control sub sarcină - o cerinţă critică pentru siguranţă în sistemele primare de control al zborului.

Utilaje pentru minerit si constructii

Echipamentele grele pentru minerit și construcții funcționează în condiții severe de șoc și suprasarcină care ar distruge rapid tipurile de rulmenți mai ușori. Rulmenții cu role conice cu contact unghiular cu două rânduri sunt utilizați pe scară largă în aceste medii, deoarece contactul lor între rolele conice și canalele de rulare oferă capacitate de încărcare la șoc semnificativ mai mare decât rulmenții cu bile de dimensiuni echivalente .

Aplicațiile specifice includ:

• Butuci de roți ale camioanelor de transport și excavatoarelor: Rulmentul roții trebuie să suporte greutatea vehiculului ca sarcină radială, forțele de viraj ca sarcină de moment și forțele de frânare/tracțiune ca sarcini axiale - scenariul clasic de sarcină combinată pe care rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri se ocupă într-o singură unitate.
• Cutii de viteze planetare cu transmisie finală: Pozițiile angrenajului inel și al purtătorului de planete suferă o încărcare combinată radială și axială ridicată de la ochiurile angrenajului planetar, necesitând rulmenți cu sarcini combinate mari.
• Lagărele arborelui principal al concasorului: Concasoarele cu falci și concasoarele cu con impun sarcini radiale excentrice, de mare magnitudine, cu componente axiale simultane pe rulmentul arborelui principal, necesitând configurații robuste cu două rânduri, evaluate pentru sarcini mari de șoc
• Îmbinări pivotante ale instalației de foraj și sisteme de antrenare superioară: Componentele rotative de foraj trebuie să suporte simultan greutatea garniturii de foraj (sarcină axială), reacțiile cuplului de foraj (încărcare momentană) și forțele de formare laterală (sarcină radială) simultan

Aplicații pentru autovehicule și vehicule comerciale

În inginerie auto, rulmenții cu bile cu contact unghiular cu două rânduri sunt tipul de rulment standard pentru butucii roților din față de pe autoturisme și vehicule comerciale ușoare. Rulmentul butucului roții din față trebuie să susțină simultan greutatea vehiculului (radial), forțele laterale în viraje (axiale și moment) și forțele de frânare (axiale) - toate în timp ce se rotește la viteze corespunzătoare conducerii pe autostradă și supraviețuiește întreaga durată de viață a vehiculului fără înlocuire.

Unitățile moderne de rulmenți pentru butucul roții (HBU — Generațiile 1, 2 și 3 de unități de rulment pentru butuc) integrează rulmentul de contact unghiular cu două rânduri cu flanșa butucului roții, inelul senzorului ABS și, uneori, interfața articulației CV într-un singur ansamblu sigilat, fără întreținere. Aceste unități sunt proiectate pentru o durată de viață de 200.000 km sau mai mult și sunt proiectate să funcționeze fără niciun serviciu de lubrifiere pe toată durata de viață.

În vehiculele comerciale grele - camioane, autobuze și echipamente de construcții - rulmenții pentru roți cu contact unghiular pe două rânduri, pe bază de role conice, rămân obișnuiți, în special în pozițiile axelor motoare în care încărcarea combinată radială, axială și momentă este mai severă decât condițiile tipice ale autoturismelor. Aceste unități necesită inspecție periodică și reajustare a preîncărcării, spre deosebire de unitățile auto sigilate.

Compararea rulmenților cu contact unghiular cu două rânduri cu tipuri alternative de rulmenți

Selectarea tipului de rulment potrivit necesită înțelegerea modului în care rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri se compară cu alternativele pentru cerințele de sarcină și viteză ale unei aplicații date.

Principalul diferențiere al rulmentului cu contact unghiular cu două rânduri este că gestionează toate cele trei tipuri de sarcină - radială, bidirecțională axială și moment - într-o singură unitate cu o anvelopă axială compactă. Acolo unde un rulment cu role cilindrice necesită un rulment axial suplimentar alături de el și acolo unde doi rulmenți cu contact unghiular cu un singur rând necesită o reglare atentă a preîncărcării și spațiu axial suplimentar, unitatea cu două rânduri atinge performanțe de sarcină combinată echivalente sau superioare, cu mai puține componente și o instalare mai simplă.

Capacitatea de încărcare și selecția: Considerații tehnice cheie

Atunci când selectează un rulment cu role unghiulare cu două rânduri pentru o anumită aplicație, inginerii evaluează mai mulți parametri interdependenți pentru a asigura o durată de viață și o performanță adecvate.

Selectarea unghiului de contact

Unghiul de contact este cel mai fundamental parametru de proiectare. Unghiurile de contact standard pentru rulmenții cu bile de contact unghiular cu două rânduri sunt de obicei 25°, 30° sau 40° . Un unghi de 25° oferă o capacitate de viteză mai mare și o rigiditate axială mai mică - potrivit pentru axele de mașini-unelte unde vitezele sunt mari, dar sarcinile axiale sunt moderate. Un unghi de 40° oferă o capacitate de încărcare axială mai mare și o rigiditate mai mare cu prețul unei viteze reduse - potrivite pentru aplicațiile de strunjire lentă cu încărcare mare, cum ar fi sistemele de poziționare a laminoarelor.

Preîncărcare și rigiditate

Rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri sunt furnizați de obicei cu o preîncărcare internă definită - o ușoară forță de compresiune aplicată elementelor de rulare care elimină tot jocul intern și crește rigiditatea rulmentului. Nivelurile de preîncărcare sunt clasificate ca ușoare (C), medii (CA) sau grele (CB), cu preîncărcare mai grea crescând rigiditatea, dar și creșterea generării de căldură și reducerea capacității de viteză. Pentru axurile de mașini-unelte de precizie, preîncărcarea medie este cea mai comună , oferind rigiditatea necesară pentru precizia dimensională fără acumulare excesivă de căldură la viteze de funcționare.

Capacitate de sarcină dinamică și durată de viață L10

Selectarea rulmentului pentru o aplicație specifică începe cu calcularea sarcinii dinamice echivalente a rulmentului P din forța radială reală Fr și forța axială Fa, folosind formula P = X·Fr Y·Fa, unde X și Y sunt factori de sarcină care depind de unghiul de contact și de raportul Fa/Fr. Această sarcină echivalentă este apoi utilizată cu cota de sarcină dinamică C a rulmentului pentru a calcula durata de viață L10 - durata de viață (în milioane de rotații sau ore de funcționare) pe care o va atinge sau o depășește 90% dintr-o populație de rulmenți identici.

Pentru majoritatea aplicațiilor industriale, un minim Durată de viață L10 de 20.000 până la 50.000 de ore vizează condițiile de funcționare; aplicațiile critice, cum ar fi gâturile de rulouri ale fabricii de oțel și echipamentele de generare a energiei, vizează adesea durate L10 care depășesc 100.000 de ore, conducând la selecția rulmenților cu diametru mare, cu două rânduri de mare capacitate, cu marje de siguranță generoase la sarcina dinamică.

Cerințe de lubrifiere pentru aplicații

Metoda de lubrifiere și selectarea lubrifianților pentru rulmenții cu role cu contact unghiular cu două rânduri depind în mare măsură de viteza aplicației, sarcina, temperatură și accesul la întreținere. Cele trei abordări principale de lubrifiere sunt:

• Lubrifiere cu grăsime (lagăre etanșați sau ecranați): Folosit în butuci de roți auto, cutii de viteze industriale generale și multe aplicații de pompe. Unitățile sigilate pe viață sunt pre-umplute cu unsoare de înaltă calitate și nu necesită întreținere. Ungerea cu grăsime este potrivită până la aproximativ 70–80% din viteza de limitare a rulmentului .
• Lubrifiere prin circulație cu ulei: Folosit în fusurile de mașini-unelte, cutiile de viteze de mare viteză și aplicațiile laminoarelor unde îndepărtarea căldurii este critică. Uleiul circulă prin carcasa rulmentului, ducând căldura generată de frecare și oferind continuu lubrifiere proaspătă. Vâscozitatea uleiului este selectată în funcție de viteza și sarcina rulmentului - de obicei ISO VG 32 până la VG 68 pentru aplicații cu ax și VG 68 până la VG 220 pentru cutii de viteze industriale grele.
• Lubrifiere aer-ulei (ceață de ulei): Folosit la axurile de mașini-unelte de foarte mare viteză, unde minimizarea frecării este esențială. Picăturile de ulei microscopice transportate de aer comprimat asigură suficientă lubrifiere pentru a preveni uzura, generând în același timp căldură minimă. Această metodă poate permite operarea la viteze până la viteza maximă nominală a rulmentului sau mai mult atunci când este combinat cu un design adecvat al rulmenților.

Considerații privind instalarea și montarea

Instalarea corectă este esențială pentru atingerea duratei de viață nominale a rulmenților cu role cu contact unghiular cu două rânduri. Instalarea defectuoasă – în special toleranțe de potrivire incorecte, preîncărcare inadecvată sau montare nealiniată – este una dintre cauzele principale ale defecțiunii premature a rulmentului în funcționare.

Cerințele cheie de instalare includ:

• Potrivire arbore și carcasă: Inelul interior necesită de obicei o fixare prin interferență pe arbore pentru a preveni fluajul sub sarcina rotativă - interferența standard pentru sarcini medii este de aproximativ 0 până la 0,013 mm pentru arbori de până la 100 mm diametru. Potrivirea inelului exterior în carcasă este de obicei o interferență ușoară sau o potrivire de tranziție.
• Aplicarea fortei de montare: Forța trebuie aplicată numai inelului care se montează (inel interior pentru montarea arborelui), niciodată transmisă prin elementele de rulare, care ar deteriora canalele și elementele de rulare în timpul instalării.
• Montare termică pentru rulmenți mai mari: Rulmenții cu diametre ale alezajului peste aproximativ 80 mm sunt de obicei încălziți la 80–100°C înainte de montare pentru a extinde alezajul și pentru a permite montarea cu alunecare peste arbore, evitând nevoia de forțe axiale mari care ar putea deteriora componentele rulmentului.
• Verificare preîncărcare: După montare, preîncărcarea trebuie verificată prin măsurarea cuplului arborelui sau a rigidității lagărului în raport cu specificațiile rulmentului pentru a confirma că geometria interioară este corectă și nu a fost modificată în timpul instalării.

Semne de uzură și indicatori de sfârșit de viață

În serviciu, rulmenți cu role cu contact unghiular cu două rânduri furnizează mai mulți indicatori detectabili atunci când se apropie de sfârșitul duratei de viață utilă sau se confruntă cu condiții anormale de funcționare. Monitorizarea stării acestor rulmenți este deosebit de importantă în aplicațiile în care timpul de oprire neplanificat este costisitor.

• Vibrații crescute: Analiza vibrațiilor folosind accelerometre poate detecta defecte ale rulmentului - defectele inelului interior apar la frecvența de trecere a bilei interioară (BPFI), defecte ale inelului exterior la BPFO și defecte ale elementului de rulare la BSF. A Creștere cu 3-6 dB în banda de frecvență a rulmentului, energia semnalează de obicei debutul oboselii de suprafață.
• Temperatura de functionare crescuta: O creștere susținută a temperaturii cu 10–15°C peste linia de bază stabilită (măsurată la suprafața exterioară a carcasei rulmentului) este un indicator sigur al degradării lubrifierii, supraîncărcării sau deteriorarea precoce prin oboseală.
• Creșterea dimensională a poziției arborelui: În aplicațiile de mașini-unelte de precizie, deviația dimensională a pieselor prelucrate poate indica pierderea de preîncărcare a rulmentului sau uzura căii de rulare care permite o deformare crescută a arborelui sub forțele de tăiere.
• Contaminarea sau întunecarea lubrifianților: La rulmenții lubrifiați cu grăsime, întunecarea sau conținutul de particule metalice din grăsime (detectabil în timpul inspecțiilor periodice) indică faptul că în interiorul rulmentului are loc oboseală sau uzură abrazivă.

Înlocuirea planificată la sau înainte de durata de viață calculată a L10 – combinată cu monitorizarea regulată a stării – este cea mai rentabilă strategie de întreținere pentru rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri în aplicații critice în care costul timpului de oprire neplanificat depășește semnificativ costul rulmentului în sine..