Nella progettazionne meccanica pesante e nella manutenzione delle apparecchiature industriali, calcolo accurato della capacità di carico di Cuscinetti assiali a rulli cilindrici è il fulcro per garantire l’affidabilità del sistema. Questi cuscinetti sono rinomati per la loro eccezionale capacità di carico assiale e l'elevata rigidità, che li rendono ampiamente utilizzati nelle piattaforme di trivellazione petrolifera, negli estrusori per carichi pesanti e nei riduttori industriali. Per massimizzare la durata operativa dei cuscinetti ed evitare guasti catastrofici alle apparecchiature, gli ingegneri devono padroneggiare i metodi di calcolo precisi sia per i coefficienti di carico dinamico che per quelli statici.
1. Fondamenti di capacità di carico assiale e geometria dei cuscinetti
Per comprendere la capacità di carico dei cuscinetti assiali a rulli cilindrici, bisogna prima distinguere le loro differenze strutturali rispetto ai cuscinetti a sfere. I rulli cilindrici forniscono Contatto di linea piuttosto che il Punto di contatto si trova nei cuscinetti a sfera. Questa caratteristica geometrica consente ai cuscinetti assiali a rulli cilindrici di sopportare massicce spinte assiali in uno spazio molto ridotto. Tuttavia, richiede anche una maggiore precisione per quanto riguarda il controllo delle vibrazioni e l'allineamento.
1.1 Il significato dello stress da contatto della linea
Nel processo di calcolo, il contatto lineare significa che la pressione è distribuita su tutta la lunghezza del rullo. Secondo la teoria hertziana delle sollecitazioni da contatto, il calcolo della capacità di carico deve considerare la lunghezza effettiva dei rulli. Se il cuscinetto è installato in modo improprio, causandone l'inclinazione, il carico si concentrerà sui bordi dei rulli, creando "sollecitazione sui bordi". Ciò può ridurre la capacità di carico teorica di oltre il 50%. Pertanto, nelle ricerche ad alta frequenza, “disallineamento del cuscinetto” rimane una parola chiave critica a coda lunga correlata ai calcoli del carico.
1.2 Valori di carico dinamico e statico di base
- Coefficiente di carico dinamico di base (Ca): Si riferisce al carico assiale costante che un cuscinetto può sopportare durante la rotazione per raggiungere una durata nominale di un milione di giri. Questa è la metrica chiave per valutare la vita operativa delle apparecchiature.
- Coefficiente di carico statico di base (C0a): Si riferisce al carico limite al quale si verifica una deformazione permanente nel punto centrale di contatto mentre il cuscinetto è fermo o ruota a velocità molto basse. Determina la sicurezza del cuscinetto sotto carichi d'urto o durante l'istante di avviamento. Padroneggiare la differenza tra questi due valori è il primo passo nella selezione del cuscinetto.
2. Calcolo del coefficiente di carico dinamico di base (Ca) utilizzando ISO281
Il calcolo del coefficiente di carico dinamico è la base per prevedere la durata a fatica del cuscinetto. Per i cuscinetti assiali a rulli cilindrici, lo standard riconosciuto a livello mondiale è ISO 281 . Questa formula considera non solo le dimensioni fisiche ma anche l'impatto della tecnologia dei materiali e della precisione di lavorazione sulla capacità di carico.
2.1 La formula standard ISO 281
Per i cuscinetti assiali a rulli cilindrici ad una corona, il coefficiente di carico assiale dinamico di base Ca (misurato in Newton) viene calcolato utilizzando le seguenti variabili:
Ca = fc * (Lw * cos alfa)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 Definizioni di variabili e loro impatto
- fc (fattore di geometria): Un coefficiente che dipende dalla geometria specifica, dalla classe di tolleranza e dalla qualità del materiale del cuscinetto. L'acciaio per cuscinetti di alta qualità (come GCr15) ha in genere un valore fc più elevato.
- Lw (Lunghezza effettiva del rullo): La lunghezza effettiva del rullo. Aumentando la lunghezza dei rulli si migliora direttamente la capacità di carico, ma rulli eccessivamente lunghi generano un notevole attrito radente durante la rotazione; pertanto, i progettisti devono bilanciare le proporzioni.
- Z (Numero di rulli): Più rulli ci sono, minore è la forza portata da ogni singolo rullo, aumentando la valutazione complessiva.
- Dw (diametro del rullo): Il diametro del rullo ha un impatto esponenziale sulla capacità di carico ed è la variabile più sensibile nella progettazione.
2.3 Calcolo della durata nominale (L10)
Dopo aver ottenuto Ca, gli ingegneri devono calcolare il Durata nominale (L10) . Per i cuscinetti assiali a rulli, la formula di calcolo è:
L10 = (Ca/Pa)^10/3
L'esponente di 10/3 (circa 3,33) riflette il fatto che i cuscinetti a rulli sono più durevoli prima della rottura per fatica rispetto ai cuscinetti a sfere (che utilizzano un esponente di 3). Su un sito web aziendale, dimostrare questa precisa previsione di vita aumenta significativamente la fiducia dei clienti nel prodotto.
3. Capacità di carico statico (C0a) e fattori di sicurezza
In molte applicazioni, i cuscinetti non sono sempre in uno stato operativo ad alta velocità. Ad esempio, quando si apre una valvola pesante o nel momento in cui una gru solleva un carico, il cuscinetto è soggetto ad un'enorme pressione mentre è fermo. In questi casi, dobbiamo fare affidamento su ISO76 standard per calcolare la capacità di carico statico.
3.1 Prevenzione della deformazione permanente (brinellatura)
La capacità di carico statico è definita come il carico che provoca una deformazione permanente totale al centro di contatto del rullo e della pista maggiormente caricati, non superiore a 0.0001 del diametro del rullo. Se questo valore viene superato, il cuscinetto genererà forti vibrazioni e rumore durante la rotazione successiva. Questo è comunemente indicato nelle ricerche industriali come “effetto Brinelling”.
3.2 La formula di calcolo statico
La formula generale per il coefficiente di carico assiale statico C0a è espressa come:
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alfa
La costante 220 rappresenta il livello di prestazione dell'acciaio per cuscinetti temprato standard sotto specifici livelli di sollecitazione da contatto.
- Fattore di sicurezza (S0): Nell'ingegneria pratica introduciamo un fattore di sicurezza statico S0 = C0a / P0a. Per apparecchiature con carichi d'urto si consiglia un S0 pari o superiore a 3; per le apparecchiature di precisione, S0 dovrebbe essere ancora più elevato per garantire che nessuna deformazione plastica influenzi la precisione.
4. Confronto operativo: fattori di adeguamento del carico
Le condizioni di lavoro effettive sono molto più complesse di quelle di laboratorio. La lubrificazione, la temperatura e la precisione di installazione agiscono tutti come “fattori di correzione” che influiscono direttamente sulla capacità di carico effettiva del cuscinetto.
| Fattori di impatto | Variabile | Impatto sulla capacità | Raccomandazioni |
|---|---|---|---|
| Temperatura operativa | piedi | Diminuzione significativa sopra i 120°C | Utilizzare acciaio stabilizzato al calore |
| Condizioni di lubrificazione | Kappa | Una scarsa lubrificazione provoca il contatto con i metalli | Assicurarsi che il rapporto di viscosità kappa > 1,5 |
| Errori di allineamento | beta | Piccoli angoli di inclinazione causano la concentrazione del carico | Utilizzare rondelle sferiche o sedi autoallineanti |
| Purezza materiale | aISO | Le impurità portano alla scheggiatura precoce | Scegli l'acciaio degasato sotto vuoto o l'acciaio ESR |
| Velocità operativa | n | La forza centrifuga aumenta lo stress | Verificare le specifiche della velocità limite |
5. Domande frequenti (FAQ)
D1: I cuscinetti assiali a rulli cilindrici possono sopportare carichi radiali?
No. Questi cuscinetti sono progettati esclusivamente per carichi assiali. Poiché i rulli sono disposti perpendicolarmente all'asse dell'albero, le forze radiali provocano un forte attrito con la gabbia o possono addirittura portare al collasso del gruppo. Se sono presenti forze radiali, utilizzare in combinazione un cuscinetto a rullini.
D2: Perché l'esponente della durata L10 è diverso dai cuscinetti a sfere?
Ciò è dovuto alla differenza nella meccanica di contatto. I cuscinetti a sfere utilizzano il contatto puntuale, che si traduce in una maggiore concentrazione di sollecitazione e un esponente di 3. I cuscinetti a rulli cilindrici utilizzano un contatto lineare, che distribuisce lo stress in modo più uniforme, utilizzando quindi l'esponente superiore di 10/3.
D3: In che modo la viscosità della lubrificazione influisce sul carico effettivo?
Lo spessore del film di olio lubrificante determina se i picchi di rugosità delle superfici di contatto entreranno in collisione. Anche se il coefficiente di carico teorico è elevato, se la viscosità dell'olio è troppo bassa, la durata effettiva potrebbe essere inferiore al 10% del valore calcolato.
6. Riferimenti e norme tecniche
- ISO281:2007 : Cuscinetti volventi: coefficienti di carico dinamico e durata nominale.
- ISO76:2006 : Cuscinetti volventi: coefficienti di carico statico.
- Norma ANSI/ABMA 11 : Valori di carico e durata a fatica dei cuscinetti a rulli.
- Harris, T.A. e Kotzalas, M.N. : Analisi dei cuscinetti volventi, volumi 1 e 2 , CRC Press. (Il libro di testo standard del settore per l'analisi dei cuscinetti).
