Calcolo della durata dei cuscinetti: I segreti della previsione della durata dei cuscinetti

Calcolo pratico della durata di vita dei cuscinetti

In precedenza, abbiamo discusso come calcolare la durata di vita di un cuscinetto. In questi articoli abbiamo introdotto principalmente gli aspetti teorici della durata dei cuscinetti e la formula di calcolo.

Oggi, ci proponiamo di applicare la teoria a scenari pratici. Dopo tutto, l'obiettivo finale dell'acquisizione di conoscenze teoriche è quello di servire le esigenze pratiche dell'ingegneria. Alcuni ingegneri hanno richiesto esempi di calcolo reali, quindi approfondiamo l'argomento utilizzando l'esempio del nostro precedente articolo.

Riprendiamo l'esempio del motore verticale. Ecco i dettagli dei cuscinetti:

• Modello di cuscinetto: 6208
• Carico dinamico di base del cuscinetto: 29kN
• Carico dinamico equivalente del cuscinetto: P=5,83kN

Forniamo anche alcuni parametri aggiuntivi per questo cuscinetto:
Velocità del cuscinetto: n=1500 giri/min.

Utilizzando la formula della durata dei cuscinettiotteniamo la durata di vita del cuscinetto:

In questo caso, p è il coefficiente di calcolo del cuscinetto. Quando l'elemento volvente del cuscinetto è una sfera, p è pari a 3, mentre quando l'elemento volvente è un rullo, p è pari a 10/3. La durata del cuscinetto risultante è 123,08, in milioni di giri. Convertito in un'unità di tempo più comune, si ottiene:

La durata calcolata dei cuscinetti è di circa 1368 ore.

In questo esempio, abbiamo utilizzato uno scenario in cui il cuscinetto è sottoposto a un carico elevato. Il risultato calcolato suggerisce che il cuscinetto non è adatto a questa applicazione a causa della sua breve durata. Se il motore funziona ininterrottamente, la vita nominale di base può garantire solo meno di due mesi di funzionamento del cuscinetto.

In altre parole, se scegliamo questo cuscinetto, possiamo solo garantire che 90% dei cuscinetti possano funzionare ininterrottamente per due mesi in queste condizioni.

Questo è il valore di durata dei cuscinetti ottenuto utilizzando la teoria di base della durata dei cuscinetti.

Tuttavia, come avrete notato, come nei nostri articoli precedenti, l'intero processo di calcolo considera solo il carico sul cuscinetto. In altre parole, la cosiddetta durata nominale dei cuscinetti considera solo l'impatto del carico. Come abbiamo discusso nei nostri articoli precedenti, dopo molti anni di sviluppo della moderna teoria della durata dei cuscinetti, questo calcolo non soddisfa più le nostre esigenze. Pertanto, è necessario modificare ulteriormente questo valore.

In altre parole, dobbiamo calcolare il valore di vita modificato del cuscinetto. La maggior parte dei calcoli successivi non utilizza metodi formulaici perché questi calcoli possono essere complessi, molti dei processi o delle teorie di riferimento derivano da esperimenti e, in terzo luogo, diversi fornitori di cuscinetti e norme internazionali sui cuscinetti ci hanno fornito uno strumento di riferimento migliore: i grafici. Quindi, come si usano questi grafici? Vediamo di analizzarli con il nostro esempio.

Vita nominale rettificata dei cuscinetti

Come illustrato nei nostri precedenti articoli, la formula per la vita regolata è la seguente:

Per determinare il valore finale L_10mh dobbiamo definire a1 e a_iso.

01 In primo luogo, definiamo a1.

Come abbiamo detto in precedenza, a1 è noto come il coefficiente di affidabilità della vita regolata. Quando l'affidabilità è 90%, il valore di a1 è 1. Per le macchine di uso generale utilizzate nell'industria, a meno che non sia espressamente richiesto, la vita del cuscinetto è sempre basata su un'affidabilità di 90%. Pertanto, in questo esempio, possiamo prendere direttamente a1.

02 In secondo luogo, troviamo un_iso.

Il metodo standard per il calcolo del coefficiente di vita corretto a_iso di un cuscinetto considera i seguenti fattori:

• Carico del cuscinetto
• Condizioni di lubrificazione (tipo e viscosità del lubrificante, velocità, dimensioni del cuscinetto, utilizzo o meno di additivi)
• Limite di fatica del cuscinetto
• Tipo di cuscinetto
• Sollecitazione residua del cuscinetto
• Condizioni ambientali
• Contaminazione nel lubrificante

In sintesi, un_iso è una funzione dei seguenti parametri:

Dove:

• η_c è il fattore di contaminazione del cuscinetto,
• C_u è il limite di carico a fatica del cuscinetto,
• k è il rapporto di viscosità del lubrificante del cuscinetto.

In primo luogo, si seleziona il fattore di contaminazione ηc del cuscinetto. Nella norma ISO281 e in tutte le produttore di cuscinetti cataloghi, c'è una tabella di riferimento per i criteri di selezione come segue:

Nell'applicazione dei motori verticali, in base alla nostra precedente esperienza, il fattore di contaminazione per i cuscinetti dovrebbe essere scelto tra l'inquinamento luminoso e la pulizia generale. In questo caso, abbiamo scelto un fattore di contaminazione di 0,6, leggermente superiore alla pulizia generale.

Mi permetto di aggiungere,

La selezione del fattore di contaminazione non ha una formula matematica specifica a cui fare riferimento. In genere si basa su anni di applicazione del cuscinetto esperienza. Più applicazioni incontriamo, più approfondimenti otteniamo in questa selezione.

Poiché il cuscinetto selezionato è il 6208, il limite di carico a fatica C_u di questo cuscinetto è riportato nel catalogo dei cuscinetti come: 1,05kN

Il valore del carico dinamico equivalente del cuscinetto è stato calcolato nel capitolo precedente come P=5.83kN

Pertanto, possiamo ottenere un valore approssimativo:

Successivamente, è necessario effettuare una scelta leggermente più complessa del rapporto di viscosità k. A causa dello spazio limitato in questo capitolo, non ci soffermeremo sul significato specifico di k e su come scegliere questo valore. Scriveremo un altro articolo per approfondire l'argomento in seguito. Per ora, vogliamo solo sottolineare che per i cuscinetti la scelta della giusta lubrificazione è molto importante. Ciò non riguarda solo la qualità del grasso in sé, ma anche l'impatto della lubrificazione sui cuscinetti.

Per quanto riguarda il rapporto di viscosità,

In generale, ci auguriamo che il valore di lubrificazione finale scelto di k possa essere selezionato tra 1 e 4, con diverse considerazioni.

Se il valore k calcolato del valore di lubrificazione selezionato è:

• Se il valore è inferiore a 1, significa che la lubrificazione non ha raggiunto l'effetto desiderato. Lo scopo di un lubrificante è quello di separare il contatto acciaio-acciaio tra la pista del cuscinetto e il corpo volvente. Se k<1, significa che il lubrificante non ha separato il contatto acciaio-acciaio e che il cuscinetto continua a generare attrito durante il funzionamento.
• Un valore superiore a 4 significa che è stato aggiunto troppo lubrificante. Anche se separa perfettamente il contatto metallico, l'eccesso di lubrificante nel cuscinetto genererà la cosiddetta coppia di "perdita per trascinamento". Si tratta di una parte molto importante del modello di attrito dei cuscinetti. In parole povere, lo scopo principale della lubrificazione è ridurre l'attrito e abbassare ulteriormente la temperatura del cuscinetto. Tuttavia, una quantità eccessiva di lubrificante può anche generare "attrito" e quindi calore.

Pertanto, abbiamo selezionato un valore di lubrificazione adeguato e il valore finale di k è 1,5.

Con questi due parametri, possiamo trovare la seguente tabella nella ISO281 o nel catalogo del produttore di cuscinetti.

Attenzione!

Esistono diversi schemi simili, ciascuno per diversi tipi di cuscinetti. Noi abbiamo scelto il cuscinetto a sfere a gola profonda, che è un tipo di cuscinetto radiale a sfere. Pertanto, selezionare il diagramma appropriato in base al tipo specifico di cuscinetto.

Dal diagramma scelto, possiamo determinare che, in questa applicazione, aiso=12.

In questo esempio, la vita nominale finale corretta del cuscinetto 6208 è:

L_10mh = a₁×a_iso×L_10h = 1×12×1367.6 = 16411.2

In questo motore verticale, in condizioni di lubrificazione adeguate, il cuscinetto può funzionare per 16.410 ore.

Scopo del calcolo

Poiché il risultato del calcolo della durata del cuscinetto non può riflettere con precisione la durata effettiva del cuscinetto, qual è lo scopo di questo calcolo?

In effetti, molti ingegneri fraintendono il calcolo della durata di vita come "indovinello", probabilmente a causa del suo nome. In origine, lo scopo dello studio della vita a fatica dei cuscinetti era quello di stabilire un valore di riferimento, una durata di vita di riferimento. Nel tempo, questo valore di riferimento è diventato un parametro per confrontare e verificare la ragionevolezza della scelta dei cuscinetti.

In realtà, il calcolo della durata dei cuscinetti è una verifica della capacità di carico del cuscinetto scelto. In altre parole, si tratta di scegliere il cuscinetto più piccolo in grado di soddisfare i requisiti di durata. In questo senso, il calcolo della durata dei cuscinetti è un requisito per il limite inferiore della capacità di carico dei cuscinetti.

Come possiamo capirlo? Partiamo dal processo di controllo della vita:

Quando gli ingegneri verificano la durata dei cuscinetti, i manuali di progettazione meccanica e i materiali delle apparecchiature forniscono sempre alcuni valori minimi per i requisiti di durata. Un esempio è il seguente:

Certamente, alcuni produttori di apparecchiature prevedono requisiti di durata diversi. Spesso, questi valori di durata sono soddisfatti dai cuscinetti dei progetti tradizionali.

Pertanto, quando si progettano nuove apparecchiature e si verifica la durata di vita dei cuscinetti, si può utilizzare il seguente approccio:

• Se la durata di vita del nuovo cuscinetto scelto è inferiore alla durata di vita richiesta: La capacità di carico (e la corrispondente durata di vita sotto questo carico) del cuscinetto selezionato è inferiore a quella dei cuscinetti che hanno precedentemente soddisfatto questa condizione. In altre parole, il cuscinetto scelto è troppo piccolo;
• Se la durata di vita calcolata del nuovo cuscinetto scelto è maggiore o uguale alla durata di vita richiesta: La capacità di carico (e la corrispondente durata di vita sotto questo carico) del cuscinetto selezionato è maggiore di quella dei cuscinetti che hanno precedentemente soddisfatto questa condizione. In altre parole, il cuscinetto scelto è troppo grande;

La scelta di un valore troppo piccolo o troppo grande deve rientrare in un intervallo ragionevole e non si deve perseguire l'uguaglianza assoluta. Pertanto, quando si osserva la "durata di vita richiesta", si scopre che questo valore è un intervallo, non un valore assoluto.

Pertanto, il calcolo implicito della durata dei cuscinetti prevede la verifica della capacità di carico del cuscinetto in base a requisiti di durata ragionevoli. In altre parole, scegliere un cuscinetto di dimensioni ragionevoli in determinate condizioni di lavoro.

Nella vita reale, a causa di fraintendimenti dei concetti sopra esposti, si verificano molte "operazioni sbagliate":

(1) La durata di vita calcolata di un cuscinetto deve corrispondere al periodo di garanzia dell'apparecchiatura.

Questa pratica confonde la verifica del carico del cuscinetto con la durata di vita dell'apparecchiatura. In realtà, la verifica della durata di un cuscinetto non è equivalente alla "cartomanzia", come spiegato nell'articolo precedente.

Le condizioni reali dei cuscinetti sono diverse e gli ingegneri non possono calcolare ogni macchina singolarmente. Questo è un malinteso dei produttori di apparecchiature sul "calcolo della durata dei cuscinetti".

Il concetto di periodo di garanzia attribuisce tutta la responsabilità al produttore dell'apparecchiatura, un concetto di "garanzia" che è molto più ampio di quello coperto dal "calcolo della durata dei cuscinetti", rendendo inappropriata un'applicazione diretta.

Naturalmente, alcuni ingegneri, a causa delle pressioni esercitate dal cliente, sono costretti a soddisfare un requisito di durata "ventennale". In base a tale mandato, i cuscinetti scelti sono spesso sovradimensionati, il che non solo comporta un'inefficienza economica, ma anche l'incomprensione del fatto che i calcoli di durata più grandi o più lunghi non sono sempre migliori per i cuscinetti.

(2) Quanto più lunga è la durata di vita calcolata di un cuscinetto, tanto meglio suona.

In realtà, anche questo è fuorviante per la scelta dei cuscinetti. Come ho già detto, il calcolo della durata dei cuscinetti è una verifica della capacità di carico minima dei cuscinetti in condizioni di lavoro.

D'altra parte, dovrebbe esistere anche un limite alla capacità di carico massima dei cuscinetti, che rappresenta il limite superiore della capacità di carico dei cuscinetti in condizioni di lavoro. Se il risultato del calcolo supera questo valore, si verificheranno problemi con il cuscinetto.

Questo è ciò che spesso viene definito "carico minimo del cuscinetto". Se il cuscinetto scelto è troppo grande e la durata di vita calcolata del cuscinetto in condizioni di lavoro è lunga, il che significa che la capacità di carico del cuscinetto è molto elevata, potrebbe non soddisfare il requisito di carico minimo del cuscinetto.

Se il carico sopportato dal cuscinetto è inferiore al carico minimo richiesto, possono verificarsi problemi come lo slittamento dei corpi volventi all'interno del cuscinetto, rendendolo più incline a bruciarsi.

Infatti, la comprensione del concetto di durata dei cuscinetti può portare a numerose ottimizzazioni nella progettazione. Queste includono:

Valutare se è possibile ridurre le dimensioni del cuscinetto rispettando i requisiti di durata;

Tenere un registro della durata di vita di numerosi cuscinetti e prendere in considerazione un'ulteriore riduzione delle dimensioni se c'è costantemente una vita residua.

In sintesi, nella pratica ingegneristica, il calcolo della durata dei cuscinetti viene utilizzato per verificare la capacità di carico del cuscinetto, non per massimizzarla. Inoltre, la durata calcolata non riflette la "vera" durata del cuscinetto.

Una comprensione precisa dei concetti di durata dei cuscinetti aiuta a scegliere correttamente le dimensioni dei cuscinetti.

Purtroppo, nel lavoro reale, a volte dobbiamo sottostare alle richieste dei nostri clienti, anche se riteniamo che le loro richieste siano tecnicamente irragionevoli. Pertanto, sentitevi liberi di condividere questo articolo con loro.

Questo potrebbe essere l'articolo più difficile da capire del sito finora, soprattutto per gli ingegneri elettrici. Se qualcuno ha domande, è libero di lasciare un commento per la discussione.