Trwałość eksploatacyjna łożysk tocznych przekładni zębatych maszyn górniczych

(1)

ZESZYTY N A U K O W E POLITECHNIKI Ś LĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 93

________ 1973 Nr kol. 590

J AC EK SPAŁSK ANTONI SKOfc

Jt>ZE? M A J

I NS TY TU T ME CH ANIZACJI GuICJICTWA p o l i t e c h n i k i Śl i s k i e j

GLIWICE

TRWAŁ0S'C EKSPLOATACYJNA ŁOŻYSK

T OCZNYCH PRZEKŁADNI ZgBATYCH M A S Z Y N GÓRNICZYCH

W opracowaniu omówiono spoaób uw z gl ędnienia czynników eksploatacyj

n yc h przy doborze łożysk tocznych. Przedstawiono zmodyfikowaną postać równania trwałości eksploatacyjnej łoży sk tocznych, ujmującego w pływ prawdopodobieństwa uszkodzenia, materiału i warunków smarowania.

1. Wprowadzenie

Niezawodność, trwałość oraz sprawność energetyczna przekładni zęba

tych m a s z y n rob o cz yc h w zn acznym stopniu zależy od właściwego rozwią

zania konstrukcyjnego w ę złów łożyskowych oraz trwałości łożysk tocz

nych. 0 typie dobieranego łożyska tocznego decyduje charakter sił dz i a

ł ających w' zazębieniu, sztywność w a łó w oraz warunki zabudowy łożyska wynikające z funkcjonalności napędu, natomiast o wielkości łożysk odpo

wiedniego typu dec yd uj ą wartości sił działających na łożysko oraz za

kładana trwałość eksploatacyjna.

■V przypadku przekładni zębatych m a s zy n górniczych urabiających i tran

sportujących, jedną z p od s tawowych p rzyczyn awaryjnych postojów tych m a s z yn stanowią przedwczesne u sz kodzenia łożysk tocznych. Przeprowadzo-.

ne badania [i]wskazują, że uszkodzenia te p o chłaniają około 30% suma

rycznego czasu awarii przekładni napędowych. T a k znaczną awaryjność węzłów łożyskowych w yn i ka z trudnych, omówionych szerzej w pracy [2] , g órniczych warunków eksploatacji maszy n przodkowych. Warunki te ogólnie m ożna scharakteryzować następująco:

- dbciążenie robocze przekładni określa widmo stochastycznie zmienne z dużym u działem przeciążeń o charakterze dynamicznym. Stąd węzły łożyskowe zazwyczaj prac u ją w wa runkach tarcia mieszanego względnie

(2)

110 J . S p a ł e k , A. S k o ć, J . Uaj

» -warunkach określonych pracami elastohydrodynamicznego smarowania, - wskutek dużego zapylenia powietrza kopalnianego węzły łożyskowe p r a 

cują często przy silnie zanieczyszczonym smarze. Stężenie pyłu w ole

ju smarującym zarówno uzębienia kół oraz łożyska sięga nawet 25%

objętościowo^

- 7. wyniku podwyższonej temperatury oraz wilgotności powietrza w prz o  dku /.'ilgotność względna wynosi 30 - 95%/ procesy tarciowe pr ze biega

ją jednocześnie z udziałem procesów korozyjnych.

duże awaryjność łożysk, spowodowana przez wymienione trudne warunki eksploatacyjne, nasuwa propozycje uwzględnienia tych czynników na eta

pie konstruowanie przekładni i sprawdzania war un ku tr-ałości łożysk.

■V opracowaniu niniejszym przedstawiono sposób uwzględnienia 1 czynników eksploatacyjnych przy doborze łożysk tocznych ze szczególnym u wz gl ę

dnieniem wpływu środowiska kopalnianego. •

2.fOkreślenie trwałości eksploatacyjnej łożysk tocznych przekładni ze be tych

katalogowy sposób doboru łożysk tocznych polega no -yznaczeniu no mi  nalnej trwałości li10jprzyjmując powszechnie znaną zależność:

^ = ( 4 ) q w

idzie: ł i q - nominalna trwałość łożyska przy założeniu prawdopodo

bieństwa jej spełnienia P = 30;i C - nośność ruchowa łożyska

q - wykładnik potęgowy; dla łożysk kulkowych - q = 3, dla łożysk wałeczkowych - q = 10/3

? - obciążenie zastępcze łożyska wyziaozone z zależności:

P = X F p + ' (2)

przy czym: 2, Y - współczynniki obciążenia poprzecznego i. wzdłużnego, zeleżne od typu łożyska Pp, 3?w - obciążenie poprzeczne i wzdłużne łożyska.

Jak łatwo zauważyć^ sposób ten nie uwzględnia eksploatacyjnych warunków pracy łożysk. Liczne prace prowadzone w ostatnich latach w wielu ośro

dkach naukowo-badawczych nad wpł yw em czynników eksploatacyjnych dopro

wadziły do określenia w projekcie normy ISO zmodyfikowanej postaci za

leżności pozwalającej na określenie trwałości eksploatacyjnej łożysk L £ :

L a " a 1 a2 a3 ( 4 ) q

W

gdzie: - współczynnik zależny od wymaganej niezawodności łoży sk okre-

(3)

T r w a ł o ś ć e k s p l o a t a c y .i n a ł o ż y s k . . 111

ślonej przez zakładane prawdopodobieństwo u z ys kania trwało

ści. '.iy brane wartości w spółczynnika s.^ podano w tablicy 1, w sp ół czynnik zależny od jakości mat e ri ał u łożyska. .7 p r z y  pa d ku standardowego m a teriału łożyskowego odpowisdającego wy m ag a n i o m ścisłej kontroli jakości aj = 1j

w sp ół c z y n n i k zależny od wa runków pracy łożyska, głównie od warunków smarowania.

Tablica 1 ..artosci współczynnika a^ dla zakładanego prawdop od o bi eń  stwa uzyskania wymaganej trwałości łożyska

i re w d 0 p 0 d 0 b i e ń s t w 0 u zy skania trwałości

t ,

90 95 96 97 98 99

2 1 1 , 0 0 , 6 2 0,53 0,44 0,33 0 , 2 1

„spo bezwymi

łćzy aro w

nn i k -arunków. pracy łożyska a, można ustalić w zależności od ego parametru tarcia

h_

określonego jako:

X = (4)

a z -

minimalne grubość warstwy smaru pomiędzy elementami toczny

mi a bieżnią, określona na podstawie teorii elsstohydrody- r.anicznego smarowania łożysk [4 ]

średnia kwadratowa wysokości mi k ronierówności powierzchni elementów tocznych R e1 i bieżni

a z = f ® ! 7 z2 (5j

Zależność s-, = f(A) dla łoży sk kulkowych i wałeczkowych przedstawiono na rysunku 1, z którego wynika, że w zależności od rodzaju łożys k dla w artości X = 1,0 - 1,5 w s pó łczynnik a, = 1; poniżej tych wartości 3 , 1, natomiast dla w y ż s zy ch wa rtości X , a^ > 1. Oznacza to inaczej, że trwałość ek sp loatacyjna przy tarciu m i e s za ny m w łożyskach jest niższa od nominalnej trwałości określonej wzor em (1) a wyższa od nominalnej w zakresie tarcia płynnego.

Z uwagi na złożoną postać wzorów określa ją cy ch m in i ma ln ą grubość fi l

m u smarowego h Q a w związku z tym trudność prostego określenia parametru tarcia X w pracy [j] proponuje się wprowadzenie w zależności (3) uogól

nionego w spółczynnika ma te riału łożyska oraz warunków smarowania a 2,3"

wówczas zależność określająca trwałość e ks ploatacyjną łożysk przyjmuje postać:

C

L a “ a 1 B r2.3. (Sj

(4)

11? ; _______________ J . S p e ł e k . A. S k o ć . J . Mą.j

(C#\

•MO

rMO fO +■>t

c Ti Xto

aa

>>

NO.:

>oAt a

0,6 0,8 1 2 3 4 5 6 7 B 9 B 15 h Q Parametr t a r c i a — •— A = ---

Ryś.1. Zależność współczynnika warunków smarowania łożysk a-, od bezwymiarowego parametru tarcia X

1 - krzywa dla łożysk kulkowych na podstawie wyników J. 3 kurki

2 - krzywa dla łożysk wałeczkowych na podstawie wyników T.Talliana

J/spółczynnik a 2>3 jest funkcją rodzaju m a te ri ał u orsz wskaźnika w a ru n

ków smarowania ^ w y r a ż a j ą c e g o stosunek lepkości kinematycznej oleju smarującego ^ t w ustalonej temperaturze pracy łożyska do wymaganej lepkości ^ s z uwagi na kryterium tarcia płynnego (A. > 1>5) •

Wartości wymaganej lepkości smaru w zależności od średniej średnicy ł o  żyska dm = 1/2 ( d + d) dla różnych prędkości obrotęwych m ożna wyzna- czyć z rysunku 2, a zależność współczynnika a 0 ^ od wskaźnika t r u n k ó w smsrowania przedstawiono na rysunku 3.

Uwzględniając fakt, że przekładnie napędowe maszyn górniczych cechu

je praca przy dużych współczynnikach przeciążenia oraz znacznych współczynnikach sił dynamicznych Kd otrzymujemy ostateczną postać, zale

żności określającej trwałość eksploatacyjną łożysk:

C t - r C

L e = a 1 a 2,3 a 1 a 2,3 W

Kp Kd F

gdzie: P e - obciążenie zastępcze łożysk z uwzględnieniem przeciążenia i sił dynamicznych.'

(5)

Trwałość.e,łęgpl_oa_tgcyting ło ż y sk ^ .

1 1 1

aa>

H

hO

<c e Ś 1

10 20 50 100 200

średnia średnica łożyska -

500

~dśr*

1000

mm

Kys.2. Zależność wymaganej lepkości kinematycznej ' J o d średnicy łożyska dffl dla różnych prędkości obrotowych n, m i n -1 .

Współczynniki pr ze c iążenia Kp oraz sił d y na micznych m o żn a w o gólno

ści ustalić na podstawie [6] lub dokładnie na podstawie badań eksp lo a

tacyjnych obciążeń m a s z y n roboczych.

3. Przykład obliczeniowy

Do ułoż ys k ow an ia jednego z wałów przekładni dobrano łóżysko walcowe IJU 318 ze standardowej stali łożyskowej o geometrii: średnica otworu d = 90 mm, średnica zewnętrzna D = 190 mm. Eośność ruchowa tego ło ży  ska C = 220 000 N.

Warunki eksploatacyjne pracy łożyska określają:

- prędkość obrotowa wa łu n = 500 m i n ^ ,

- obciążenie promieniowe łożyska = 25 ooo Hj.

- u stalona temperatura oleju smarującego t = 60°Cj

- smarowanie olejem Transol 40 o lepkości kinematycznej w temperaturze ustalonej = ^sf {oSt)'

1000

(6)

H A

J . S p a ł e k . A. S k o ć . J . Mai

Współczynnik warunków s m a r o w a n i a — k

Rys.3. Zależność współczynnika a„ , od wartości wskaźnika

• * ^

smarowania k dla łożys k wykonanych ze standardowej stali łożyskowej.

- współczynnik przeciążenia Kp = 1,20, - współczynnik sił dynamicznych Kj = 1,5,

Obliczyć trwałość eksploatacyjną £ g łożyska przy prawdopodobieństwie P = 98%.

Rozw ią z an ie :

- obciążenie zastępcze F = = 25 000

- dla P = 98% z tablicy 1 współczynnik a 1 = 0,33,

- dla średnicy średniej łożyska dm = 1/2 (d + d) = 1/2 (90 + 1 9 0 ) =

= 140 m m oraz prędkości obrotowej n = 500 m i n -1 wartości wymaganej lepkości oleju V w = 21 f 2 (cStj/

/

(7)

T r w a ł o ś ć e k s p l o a t a c y j n a ł o ż y s k . . 115

dla wskaźnika k = = 38/21 = 1,80 z rysunku 3 odczytujemy wartość współczynnika a 2 ^ = 1,4 do 2,2#

trwałość eksploatacyjna L g wynosi:

■ o : ['■• * M / k i , , ; i ° g r M o ) ^ J O

' 1 =

"p"

= 9 0 do 145 min obrotów co przy prędkości obrotowej n « 500 min-1 odpowiada trwałości godzinowej

L e ^ = (3 000 do 4835) godz. pracy

Nie u w zg lę dniając w arunków eksploata cy jn y ch i nie zakładając wyższej n iezawodności pracy łożyska niż określonej przez prawdopodobieństwo P = 90/j no.riinalna trwałość katalogowa tego łożyska wynosi:

L = (-§— ) q= ( ż g j .ffi ) * 3 = 1405,6 min obrotów;' co odpowiada n o m i n a l n e j •trwałości godzinowej

= 46 850 godz. pracy

Tak :■ Łęc stosunek trwałości eksploatacyjnej do nominalnej trwałości katalogowej wynosi:

3000 do 4835

■45353"

-eh - =(0,064 do 0,103)

4 .

Podsumowanie

Z przeprowadzonej analizy oraz p rz ykładu obliczeniowego wynika, że trwałość eksploatacyjna łożys k może .być znacznie niższa aniżeli n o mi n a

lna trwałość katalogowa określona dla pr awdopodobieństwa zachowania tej trwałości P = 90>t.. Stąd zachodzi konieczność stosowania w obliczeniach zmodyfikowanej postaci równania trwałości uwzględniającej wpływ w a r u n  ków i wymagań eksploatacyjnych. Zagadnienie to jest szczególnie isto

tne dla pr z ypadku złożonych, szeregowo-równoległych niezawodnościowych układów i zespołów m as z yn ow yc h o dużej liczbie węzłów łożyskowych, gdzie dla poprawy niezawodności uk ładu w y m a g a n a jest wysokie praw do po  d obieństwo poprawnej pracy każdego węzła. P r o b le m ten jest również bardzo ważny w konstruowaniu m as zy n roboczych pr acujących w trudnych warunkach e ks p lo at ac y jn yc h, j ak przekładnie napędowe maszyn przodkowych.

Należałoby również w tym pr zy padku uwzględnić niekorzystny wpływ atmo

sfery kopalnianej, a więc dużej wilgotności i zanieczyszczeniu powietrza.

J ak wyk az u ją badania [7 ] zawartość wody w oleju w istotnym stopniu obni

ża trwałość ł oż y sk £rys.4}. Zagadnienie w p ł yw u wilgotności powietrza oraz zapylenia n a trwałość eksploatacyjną łoży sk jest przedmiotem do

t ychczasowych badań p ro w adzonych w Instytucie M ec h anizacji Górnictwa Politechniki śląskiej.

(8)

I l i J . S p a ł e k . A. S k o ć . J . Ma.1

Zawartość wody w o l e j u — — x,

j i

R ys .4. '.Ipływ zawartości wody w oleju na trwałość

eksploatacyjną łożysk ,

LITERATURA

[1^ Praca zbiorowa: Zwiększenie- trwałości i niezawodności przekładni napędowych przenośników zgrzebłowych i strugów. Praca naukowo- badawcza Instytutu Mechanizacji Górnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1976r. Praca niepublikowana.

[2], Spałek J.: Problemy trybologiczne w maszynach górniczych przodko

wych. Technika Smarownicza - Trybologia, nr 3, 1977,

[3^ Andreason S., Snare B.: Modifizierte Lebensdauergleichung für walzlager. Kugellager - Zeitschrift,>nr 184, 1975,

[4^ Dowson D.: Die elastohydrodynamische Schmierung von Wälzlagern.

Kaschinenbautechnik, 18, nr 2, 1969,

[5]. Harris T.A.: The influence of SED lubrication on rolling selection and design. Paper ASI/I2, KDE - 3, 197lr. Tłumaczenie rosyjskie:

"Detali maszin - Ekspres's Informacija", ref. 106, nr 23, 1972, [6], Müller L.: Przekładnie zębate, obliczenia wytrzymałościowe. WUT,

Karszawa 1972,

[7} Gantley R.E.: The Effect of w at er in lubricating oil on bearing fatique life. Asie Trans., 20, nr 3, 1977.

(9)

T r w a lo sc e k a p lo a t a c y .ln a i o z y a k . . . m

BKCnJiyATAIWOHHAH nPO'fflOCTL nOJfflHIIHMOB KA'JEHHH 3y£qA To2 nEPKaAqi'i p o ph h x maimh

P e 3 » u e

B C T aT te oC cyaaaeT C H c n o co fi n p m sm iH b o BHHaaHne 3KcnjiyaTaunoHHtjx

$ a K io p o B npn noflfiope noaiimnHiiKOB KaqeHHfl. flaeTCH uoaa$!mnpoBaHHHft . Biia ypaBHSHMH sKciuiyaTapnoH H oii n p o v H o cra noamnnnHKOB KaRSHMH,

K O T o p o e 3 a K Jiio q a o T b jih h h h c B s p oh t h o c t h n o B p e s a o H iiH , M a T e p n a jia h y cjicB H H _ CHa3Kli .

SERVICE L IF E OF ROLLING BEARINGS USED IN MINING GEARS S u m m a r y '

The p ap er gives a method of including the exploitation factors in the se

lection of rolling bearings. The authors present a modyfied form of equa

tion determining the service life of rolling bearings with effect of f a i l * e probability,material and lubrication conditions taken into account.