Stosunki wymiarowe w łożach kulowych

Rys. 3.23. Przykład łożyskowania słupowego ze słupem stałym – żuraw offshore (PROTEA) i tuleja nadwozia

3.5. Stosunki wymiarowe w łożach kulowych

W projektowaniu łożyska konieczny jest wstępny dobór parametrów geometrycz-nych.

Najbardziej istotnymi parametrami wpływającymi na nośność łożyska są:

 wskaźnik średnicowy ws definiowany jako stosunek średnicy podziałowej łoży-ska Dp do średnicy elementu tocznego d,

 współczynnik wypełnienia rzędu łożyska ww równy ilorazowi sumy średnic

ele-mentów tocznych leżących na okręgu podziałowym z  d przez długość okręgu Dp,

 w przypadku łożysk kulowych, współczynnik przystawania kuli do bieżni s (sto-sunek promienia kuli rk do promienia rowka bieżni rb),

 kąt działania elementów tocznych , mierzony od płaszczyzny łożyska.

W tabeli 3.4 zestawiono wartości parametrów geometrycznych dla kilkudziesięciu eksploatacyjnie sprawdzonych łożysk wieńcowych ze szczególnym uwzględnieniem łożysk kulowych stosowanych w maszynach podstawowych górnictwa odkrywkowe-go w Polsce i w Niemczech.

Tabela 3.4. Podstawowe parametry geometryczne łożysk wieńcowych Parametr geometryczny Liczba rzędów kul Łożyska wieńcowe katalogowe wg [99, 194, 246, 297]

Łoża kulowe w maszynach podstawowych górnictwa odkrywkowego wg [380]

min średnia max min średnia max

Średnica łożyska Dp [m] 6 1,8 9,37 20 Średnica kul dk [mm] 70 60 169 320 Liczba kul z 44 162 315 Wskaźnik średnicowy ws = Dp/dk 2 41 85 1 20 77 18,68 56 90,09 Współczynnik wypełnienia rzędu łożyska ww = zdk/Dp 2 0,71 0,86 0,99 1 0,50 0,75 0,96 0,496 0,766 0,99 Współczynnik przystawania kulki do bieżni s = dk/2rb 2 0,96 0,97 1 0,90 0,97 0,952 0,954 0,962

Łoża kulowe stosowane w maszynach podstawowych górnictwa odkrywkowego różnią się od typowych katalogowych łożysk wieńcowych. Przyjmuje się w nich większy wskaźnik średnicowy ws, natomiast współczynnik wypełnienia rzędu łożyska

ww jest dla obydwu rodzajów łożysk porównywalny. W łożach kulowych można za-uważyć wraz ze wzrostem średnicy podziałowej tendencję wzrostową współczynnika średnicowego ws (rys. 3.24) oraz zmniejszenie spadku współczynnika wypełnienia ww (rys. 3.25).

Wartość współczynnika przystawania kulki do bieżni s w łożach kulowych jest stała, niezależnie od producenta i średnicy łożyska, i wynosi ok. 0,96 (rys. 3.25).

Rys. 3.25. Współczynnik przystawania (trójkąty – linia przerywana) i współczynnik wypełnienia rzędu (kwadraty – linia ciągła) a średnica podziałowa

Na przykładzie łoża kulowego z jednym szeregiem kul można pokazać wpływ poszczególnych parametrów geometrycznych na parametry łożyska.

Nośność jednej kuli Ck jest proporcjonalna do kwadratu średnicy elementu toczne-go d:

2

k

C d (3.4)

Liczba elementów tocznych z w rzędzie zależy od obwodu łożyska, średnicy kuli i współczynnika wypełnienia ww, i jest równa:

π w D z w d  (3.5)

Nośność całego łożyska Cjest proporcjonalna do:

2 π 2 w D C zd w d d   (3.6)

Po uwzględnieniu definicji wskaźnika średnicowego:

2 π w s w C D w  (3.7)

Im mniejszy jest wskaźnik średnicowy, tym większa jest nośność łożyska. Ważną zaletą stosowania dużych elementów tocznych jest zmniejszenie wrażliwości na od-chyłki wykonania podzespołów wsporczych oraz deformacje giętne podzespołów wsporczych po obciążeniu. Zwiększenie wielkości elementów tocznych okupione jest jednak mniej spokojnym ruchem oraz znacznym zwiększeniem masy łożyska. Jednak gdy masa nadwozia jest rzędu od kilkuset do kilku tysięcy ton, nie wydaje się to istot-ne. Znacznie ważniejsza jest możliwość zachowania lub nawet zmniejszenia średnicy łożyska, która jest wymiarująca dla całego ustroju nośnego podwozia oraz dużej czę-ści nadwozia.

Wzrost współczynnika wypełnienia rzędu łożyska liniowo zwiększa jego nośność. Jego wartość jest ograniczona ze względu na wytrzymałość koszyków.

Wzrost współczynnika przystawania kuli do bieżni zmienia geometrię strefy kon-taktu i zwiększa nośność pojedynczego elementu tocznego, z tym że przy dużych jego wartościach rosną opory ruchu i co jest najistotniejsze rośnie prawdopodobieństwo zakleszczania kul w wyniku względnych przemieszczeń poprzecznych pierścieni łoży-ska oraz ich deformacji.

W łożyskach dwurzędowych nominalne kąty działania elementów tocznych 

przyjmowane są w granicach 4580° [194]. Im większy w obciążeniu łożyska udział sił poprzecznych, tym mniejsza powinna być wartość kąta działania elementów tocz-nych. W łożyskach jednorzędowych najczęściej przyjmuje się  = 0°. W wyniku dzia-łania luzów i odkształceń układu bieżnia–element toczny oraz deformacji pierścieni (ugięcia konstrukcji wsporczej) następuje zmiana kąta działania elementów tocznych. W łożyskach dwurzędowych wynieść ona może od 9 do 17° [194]. W łożyskach jed-norzędowych (bieżnie kulowe) w dużych łożyskach odchyłki kąta działania  mogą wynieść nawet do 25°. Należy podkreślić, że kąt działania jest wartością zmienną i jest różny dla poszczególnych elementów tocznych w obrębie jednego szeregu, co zostało potwierdzone na drodze numerycznej i doświadczalnej. Na rysunku 3.26 po-kazano przykładowy rozkład kątów działania elementów tocznych po obwodzie łoży-ska.

Rys. 3.26. Zakres zmienności kąta działania elementów tocznych w łożysku zwałowarki ZGOT–12500.75 (symulacja numeryczna)

3.6. Podsumowanie

Wielkogabrytowe toczne węzły obrotowe charakteryzują się zróżnicowaną budo-wą. Obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem konstrukcyjnym do łożyskowania typowych maszyn roboczych i dźwigowych, takich jak koparki jednonaczyniowe,

żurawie budowlane itp. są katalogowe łożyska wieńcowe. Przedstawione w rozdziale przykłady rozwiązań katalogowych łożysk wieńcowych obejmują najczęściej stoso-wane ich postaci. Oferta producentów łożysk katalogowych jest silnie zunifikowana, mimo braku skodyfikowanych norm. Różnice występują w rozmiarach charaktery-stycznych typoszeregów i sposobie obróbki cieplnej bieżni. W przypadku poszukiwa-nia zamienników praktycznie niemożliwe jest zastąpienie uszkodzonego łożyska kata-logowego nowym łożyskiem katalogowym oferowanym przez innego producenta, szczególnie w łożyskach z wieńcem zębatym. „Mniejsi” producenci oferują niekiedy wykonanie łożysk „na wymiar” przez dostosowanie rozmieszczenia śrub montażo-wych.

Duże łożyska, o średnicach podziałowych powyżej 5 m, są wykonywane jednost-kowo na specjalne zamówienie. Najczęściej eksploatator łożyska ma uproszczoną dokumentację zawierającą wymiary gabarytowe łożyska, liczbę i średnicę kul. Identy-fikacja geometrii nie stanowi wówczas problemu. W przypadku braku dokumentacji otwory pod śruby montażowe w bieżniach można wykonać podczas montażu łożyska. Odrębnym zagadnieniem jest odtworzenie waunków obróbki cieplnej biezni łożyska oraz uzębienia i uzyskanie odpowiedniej nośności. W przypadku stosowania zamien-ników od innego producenta konieczne jest ponowne przeliczenie nośności łożyska. Problemem jest długi czas oczekiwania na zamówione łożysko.

Rozwiązania wykorzystujące słupy mogą zawierać maszynowe łożyska katalogo-we lub łożyska projektowane indywidualnie. Ze względu na przenoszenie momentów wywrotnych przez słup, łożyska te charakteryzują się stosunkowo małą średnicą i są relatywnie tanie.

Pozostałe rozwiązania, takie jak wózki jezdne i inne rozwiązania niestandardowe sosowane są rzadko, ze względu na ich archaiczność lub brak zdefiniowanych proce-dur obliczeniowych. Niektórzy klienci z krajów trzeciego świata preferują takie roz-wiązania z uwagi na ich niską cenę, łatwość naprawy i możliwość jej realizacji na miejscu.

Przedstawione postaci niekatalogowych rozwiązań konstrukcyjnych obejmują wszystkie podstawowe ich grupy, co może stanowić podstawę do syntezy nowych rozwiązań.