Каков крутящий момент поворотного подшипника? Трение, формулы и руководство по выбору

Когда верхняя конструкция крана колеблется при первом повороте холодным утром, проблема редко заключается только в двигателе. Гораздо чаще никто не рассчитывал привод с учетом крутящего момента, скрывающегося внутри самого подшипника. Крутящий момент поворотного подшипника не является фиксированной цифрой, указанной рядом с номинальной нагрузкой в ​​таблице технических данных. Это сопротивление, которое подшипник создает против вращения: трение от тел качения, несущих нагрузку, от кромок уплотнения, движущихся по кольцу, и от зубьев шестерни, на которой установлена ​​встроенная шестерня. Краткий ответ таков: крутящий момент поворотного подшипника представляет собой переменную фрикционную нагрузку, обычно в 1,5–2 раза выше при трогании с места, чем при установившемся движении, и он находится в центре размера привода, а не на его краях.

Три разных «крутящих момента» путаются в приложениях поворота

Прежде чем что-либо рассчитывать, разделите три величины, которые инженеры небрежно называют «поворотным моментом», потому что значение одной из них почти ничего не говорит вам о других.

• Момент трения подшипника — сопротивление, создаваемое внутри самого подшипника телами качения, уплотнениями и шестернями. Обычно этот термин означает именно это.
• Требуемый крутящий момент — все, что должен обеспечивать двигатель или шестерня: трение подшипника плюс инерция во время ускорения плюс рабочее сопротивление, такое как ветровая нагрузка или реакция копания.
• Удерживающий или тормозной момент — статический крутящий момент, которому может противостоять привод без повреждений. Это характеристика привода, а не подшипника.

В технических характеристиках поворотных подшипников редко указывается одно значение момента трения, и это упущение намеренно. Трение зависит от фактически приложенной осевой нагрузки, радиальной нагрузки и опрокидывающего момента, заказанного вами зазора или класса предварительной нагрузки, вязкости смазочного материала и температуры. Два одинаковых кольца могут различаться в три раза по измеренному сопротивлению в зависимости от режима работы, поэтому считать его константой — вот где начинается большинство ошибок при выборе.

Три компонента момента трения поворотного подшипника

Производители моделируют общий момент трения как сумму трех частей: M = Мф г-жа мг. Каждый ведет себя в службе по-разному, поэтому разделение имеет значение.

Момент трения несущей нагрузки (Mf)

Сопротивление качению возникает там, где шарики или ролики встречаются с дорожками качения под действием приложенной осевой нагрузки, радиальной нагрузки и опрокидывающего момента. Он увеличивается с нагрузкой, причем резко, при больших моментных нагрузках, которые сильно прижимают одну сторону дорожки качения к контакту. В конструкции шаров наблюдается точечный контакт и, как правило, более низкое сопротивление; Конструкции роликов выдерживают большую нагрузку в зависимости от размера за счет более высокого трения при полной загрузке.

Момент трения уплотнения (Ms)

Кромки уплотнения, скользящие по поверхности кольца, создают сопротивление, практически не зависящее от нагрузки. В небольшом или слегка нагруженном подшипнике на уплотнения может приходиться большая часть общего трения, и каждая дополнительная кромка увеличивает его. Поэтому два подшипника с одинаковыми корпусами, но с разным расположением уплотнений могут потребовать существенно разных приводов.

Трение в зубчатой сетке (Мг)

Зубчатые кольца увеличивают трение на стыке шестерни и кольца, что зависит от качества шестерни, модуля, смазки и выравнивания зацепления. В агрегатах с внешним редуктором несоосность шестерни проявляется как повышенным крутящим моментом, так и локальным износом зубьев.

Поскольку эти компоненты по-разному масштабируются в зависимости от размера и режима работы, выбор конструкции определяет баланс крутящего момента. В оборудовании легкой и средней мощности, таком как солнечные трекеры, небольшие позиционеры и пищевое оборудование, однорядный шарико-поворотный подшипник сохраняет трение качения и уплотнения достаточно низким, чтобы компактные маломощные приводы оставались жизнеспособными.

Однорядный шарико-поворотный подшипник для легкого вращения Благодаря одному ряду шариков из закаленной стали этот подшипник обеспечивает низкое трение качения и уплотнения, поэтому компактные приводы в солнечных трекерах, небольших позиционерах и оборудовании для пищевой промышленности остаются жизнеспособными. Термически обработанные дорожки качения, варианты уплотнения и простота установки обеспечивают длительную и стабильную эксплуатацию. Посмотреть продукт →

Как рассчитать крутящий момент поворотного подшипника

Серьезные проекты работают с цифрами в обе стороны.

От доступной мощности

Практическая формула со стороны привода: M = P / ω, где P — мощность, передаваемая на кольцо, а ω — угловая скорость в радианах в секунду. Платформа, вращающаяся со скоростью 1 об/мин, поворачивается со скоростью ω = 2π/60 ≈ 0,105 рад/с. Если 1,5 кВт достигает кольца на этой скорости, доступный крутящий момент составит около 1500/0,105 ≈ 14 300 Н·м, примерно 14 кНм. Выполните арифметические действия в обратном порядке, чтобы проверить, действительно ли предлагаемые двигатель и коробка передач могут обеспечить то, что требует приложение, на реальных скоростях вращения.

От трения

При оценке первого прохода эквивалентная контактная нагрузка умножается на радиус дорожки качения и общий коэффициент трения: M ≈ µ × F × d/2. Рабочие значения µ составляют примерно от 0,005 до 0,015 для покрытия контакта качения плюс уплотнения, с нижним пределом для шариковых конструкций с легким предварительным натягом в теплых, хорошо смазанных условиях и верхним пределом для агрегатов с большой нагрузкой или холодным ходом. Формулы производителя преобразуют это в полиномы, которые взвешивают осевые, радиальные и моментные составляющие отдельно, поэтому используйте их для окончательной проверки, а не для оценки.

Добавление остальных обязанностей

Общий спрос равен M_drive = M_трения M_инерции M_работы. В быстродействующих системах автоматизации и слежения доминирует инерционный крутящий момент; Рабочее сопротивление преобладает на экскаваторах и кранах. Там, где червячный поворотный привод заменяет открытую шестерню, закрытое передаточное число преобразует скромный крутящий момент двигателя в большой выходной крутящий момент, необходимый кольцу, и как передаточное число влияет на крутящий момент и скорость заслуживает отдельного этапа проверки, прежде чем вы зафиксируете размер двигателя.

Пусковой крутящий момент и рабочий крутящий момент

Измеренный момент срыва на поворотном подшипнике обычно в 1,5–2 раза превышает его установившееся рабочее значение, а в холодную погоду этот зазор увеличивается. Это вызывается тремя эффектами: статическое трение под нагрузкой выше, чем трение при движении, смазка застывает до тех пор, пока тела качения не прорываются сквозь более толстую пленку в течение первых нескольких оборотов, а кромки уплотнения сжимаются сильнее, прежде чем они нагреются и примут форму. При выборе привода это означает, что настройки двигателя, коробки передач и предохранительного клапана должны сбрасывать пик трогания, а не среднее рабочее значение — проверка, которая наиболее важна для оборудования, которое запускается под полной нагрузкой, такого как верхние конструкции экскаваторов и держатели ковшей.

Что увеличивает или уменьшает крутящий момент поворотного подшипника

• Класс зазора или преднатяга: кольца с предварительным натягом работают жестче и больше сопротивляются вращению; они покупают точность за счет крутящего момента.
• Величина нагрузки и опрокидывающий момент: более тяжелые нагрузки со смещением от центра повышают контактное давление и трение на дорожках качения.
• Температура и смазка: Низкотемпературная или высоковязкая смазка повышает как пусковой, так и рабочий крутящий момент.
• Конструкция уплотнения: дополнительные губы и более плотный контакт увеличивают постоянное сопротивление.
• Точность монтажа: Неровная монтажная поверхность или неравномерная затяжка болтов приводит к деформации колец и неравномерной нагрузке на дорожку качения.
• Выравнивание зубчатого зацепления: несоосная шестерня увеличивает трение в шестерне и ускоряет износ.

Характер нагрузки имеет такое же значение, как и ее размер. Рабочие циклы с качанием или реверсом заставляют зону контакта перемещаться по дорожке качения, поэтому сопротивление меняется на протяжении всего цикла; это стоит пересмотреть как однорядные шариковые конструкции справляются с переменными нагрузками до окончательного оформления профиля обязанностей.

На тяжелом конце шкалы — портовые краны, туннельные машины, большие экскаваторы — более высокое трение считается ценой мощности, и именно здесь Трехрядный роликоповоротный подшипник серии 13 занимает свое место: отдельные дорожки качения независимо воспринимают осевые, радиальные и моментные нагрузки, поэтому ни один ряд не подвергается риску.

Трехрядный роликоповоротный подшипник серии 13 для тяжелых нагрузок Отдельные дорожки качения независимо воспринимают осевые, радиальные и моментные нагрузки, что делает этот подшипник серии 13 подходящим для портовых кранов, туннельных машин и больших экскаваторов, где мощность перевешивает дополнительное трение. Конструкция из легированной стали и упрощенная поддержка технического обслуживания в сложных рабочих циклах. Посмотреть продукт →

Что необходимо уточнить у поставщика перед заказом

1. Данные о моменте трения при ваших нагрузках — пусковые и рабочие значения, а не одна смешанная цифра.
2. Условия испытаний — нагрузка, скорость и температура, при которых были измерены эти значения.
3. Класс зазора или предварительной нагрузки — и как он влияет на ожидаемое сопротивление.
4. Спецификация уплотнений и смазки — количество кромок, тип смазки и уровень заполнения, а также поведение в холодном климате.
5. Качество шестерни и люфт — для зубчатых колец, так как качество зацепления напрямую влияет на Mg.
6. Критерии приемки — измеренный предел крутящего момента при испытании на вращение перед отправкой.

Когда трение плюс рабочий крутящий момент перерастает в экономическую эффективность механизма шестерни и редуктора, многие покупатели переходят на интегрированные агрегаты; а горизонтальный поворотный привод упаковывает подшипник, закрытую зубчатую передачу и монтажный корпус как один согласованный узел, поэтому крутящая цепь спроектирована как система, а не собрана из частей.

Горизонтальный поворотный привод с функцией самоблокировки Этот интегрированный блок объединяет подшипник, закрытую зубчатую передачу и монтажный корпус в один согласованный узел, поэтому крутящая цепь спроектирована как единая система. Самоблокирующийся удерживает положение под нагрузкой без подачи энергии, что полезно, когда трение и рабочий крутящий момент превышают конструкцию пальца и редуктора. Посмотреть продукт →

Крутящий момент поворотного подшипника лучше всего рассматривать как свойство системы, а не как константу каталога. Это сумма нагрузки, трения уплотнения и шестерни; он резко возрастает при запуске; и он движется с учетом предварительной нагрузки, температуры, смазки и качества монтажа. Заблаговременно сообщите изготовителю подшипников о реальных случаях нагрузки — осевой, радиальной, моментной, скорости и температурном диапазоне — и запросите данные о пусковом и рабочем крутящем моменте для этих нагрузок. Этот единственный шаг предотвращает самый дорогостоящий отказ в поворотных приложениях: машина, которая поворачивается, но никогда не так легко, как обещано на чертеже.