Разбиране на предварителното натоварване на лагерите
Предварително натоварване на лагера — наричано още предварително натоварване или начално натоварване — представлява контролирано натоварване при натиск, което умишлено се прилага върху лагера с цел да се елиминират вътрешните разрешение и създава леко триене между търкалящите се елементи и пътеките. Като поддържа всеки търкалящ се елемент в постоянен контакт с пътеките при всички експлоатационни условия, предварителното натоварване елиминира малкия вътрешен люфт, който иначе би съществувал, като по този начин се получава по-твърда и по-прецизна лагерна система с по-добро разпределение на натоварването и по-голяма устойчивост на вибрация. Той е незаменим навсякъде, където дадено приложение изисква висока твърдост, прецизно позициониране на вала или плавна работа при променящи се или колебаещи се натоварвания, и се използва стандартно в шпинделите на металорежещи машини, прецизните инструменти и високоскоростните машини, където предотвратяването на нестабилност е от решаващо значение.
1. Определение: Превръщане на свободното пространство в твърдост
Повечето лагери с търкалящи се елементи се произвеждат с малък вътрешен зазор, за да могат да бъдат монтирани и смазвани. Този зазор е полезен при сглобяването, но вреден за прецизността: той позволява на вала да се огъне леко, преди търкалящите се елементи да поемат натоварването, и дава възможност на слабо натоварените елементи да се плъзгат, вместо да се търкалят. Предварителното натоварване умишлено обръща този процес — то притиска пръстените един към друг (или ги притиска радиално), докато люфтът изчезне и се получи определена сила на контакт при всеки елемент, дори преди да се появи външното натоварване. Всъщност, предварителното натоварване заменя малко допълнително триене и топлина за голяма печалба в скованост и точност на позициониране.
2. Цел и ползи
1. Повишена твърдост
Това е основното предимство на предварителното зареждане:
- Елиминира хлабината, която позволява огъване под товар
- Поддържа всички търкалящи се елементи в контакт, като разпределя натоварването върху целия комплект.
- Може да повиши твърдостта на лагера с около 2–5 пъти в сравнение с лагер без предварително натоварване.
- Намалява деформацията на вала и подобрява общата твърдост на системата.
2. Повишена точност и прецизност
- Елиминира биене на вала произтичащи от зазора на лагера.
- Осигурява прецизно и повторяемо позициониране на вала.
- От решаващо значение за прецизната техника, като например металорежещи машини и измервателни уреди.
- Намалява вибрациите, причинени от удари, свързани с клирънса.
3. Предотвратяване на занасянето
- Гарантира, че търкалящите се елементи наистина се търкалят, а не се плъзгат
- Особено важно при леки натоварвания или високи скорости
- Занасянето води до бързо износване на лагерите и повреди по повърхността.
- Преднапрежението поддържа достатъчна сила на контакт за чисто търкаляне.
4. Намаляване на шума
- Премахва тракането, причинено от вътрешния люфт.
- Осигурява по-тиха и плавна работа.
- Не го поставяйте в близост до персонал или чувствителна апаратура.
5. Повишаване на стабилността
В динамика на ротора, предварителното натоварване допринася за стабилността:
- Повишената твърдост на лагера води до критични скорости.
- Той подобрява затихване характеристики.
- Това спомага за предотвратяване на нестабилности, причинени от лагерите.
- Това намалява чувствителността към външни вибрации.
3. Видове предварително натоварване
1. Фиксирано (твърдо) предварително натоварване
Постоянно предварително натоварване, независимо от температурата или скоростта:
- Метод: Дистанционери, подложки или контрагайки, настроени на определено положение
- Характеристики: висока твърдост и прецизен контрол.
- Ограничения: тя може да се увеличи с повишаването на температурата, което създава риск от претоварване.
- Приложения: шпиндели за металорежещи машини и прецизно оборудване.
2. Пружинно (еластично) предварително напрежение
Предварително натоварване, поддържано от пружини, което позволява термична компенсация:
- Метод: вълнови пружини, шайби тип „Белвил“ или спирални пружини.
- Характеристики: позволява термично разширение, без да се претоварва.
- Предимства: много по-устойчив на температурни колебания.
- Приложения: оборудване с колебания в температурата и по-ниски изисквания за точност.
4. Методи за предварително зареждане
Аксиално предварително натоварване (най-често срещано)
Монтаж лице в лице или гръб в гръб
- Два ъглови лагера, монтирани един срещу друг.
- Аксиална сила притиска лагерите един към друг.
- Премахва аксиалния зазор и в двете посоки.
- Стандартното решение за металорежещи машини и приложения, изискващи висока прецизност.
Регулируемо предварително напрежение
- Контрагайка или фиксиращ елемент с резба, с които се регулира предварителното напрежение.
- Проверява се чрез въртящ момент, аксиална сила или повишаване на температурата на лагера.
- Може да се настрои по време на монтажа или да се преразгледа при техническото обслужване.
Радиално предварително натоварване
- Плътното прилягане между втулките и вала или корпуса създава радиално налягане.
- Ролковите елементи са притиснати радиално между пътеките.
- По-рядко срещано от аксиалното предварително натоварване.
- Използва се в някои херметични лагери и при специални приложения.
5. Избор на величината на предварителното натоварване
Леко предварително натоварване
- Сила: 1–5 % от динамичната номинална натоварваемост на лагера.
- Предимства: повишена твърдост при минимално допълнително триене.
- Приложения: машини за общо предназначение.
Средно предварително натоварване
- Сила: 5–10 % от динамичния номинален капацитет.
- Предимства: висока твърдост и добра точност.
- Приложения: шпиндели за металорежещи машини и прецизни задвижвания.
Голямо предварително натоварване
- Сила: 10–20 % от динамичната номинална мощност.
- Предимства: максимална твърдост и стабилност.
- Ограничения: високо триене, отделяне на топлина и съкратен експлоатационен срок.
- Приложения: работа с изключителна прецизност и изисквания за ниска скорост и висока твърдост.
Тъй като точната стойност зависи от номиналния капацитет на лагера, е полезно да се знае тази стойност, преди да се определи предварителното натоварване; инструменти като Калкулатор за експлоатационен срок на лагери L10 (ISO 281) да се разгледат в контекста номиналната динамична натовареност и очаквания експлоатационен срок, така че избраният процент на предварително натоварване да може да се прецени с оглед на неговото въздействие върху експлоатационния срок.
6. Недостатъци и компромиси
Повишено триене и нагряване
- Предварителното натоварване увеличава контактните натоварвания и съответно триенето.
- Работната температура обикновено се повишава с 5–20 °C в сравнение с лагер без предварително натоварване.
- По-високите температури ускоряват разграждането на смазочния материал
- Подобрено охлаждане или смазване може да се наложи.
Намален експлоатационен срок на лагерите
- Предварителното натоварване увеличава експлоатационните натоварвания.
- При изчисляването на експлоатационния срок на лагерите трябва да се отчита ефектът от предварителното натоварване.
- Прекомерното предварително натоварване може значително да съкрати експлоатационния срок.
- Основният компромис е между твърдост и прецизност, от една страна, и дълготрайност, от друга.
Термична чувствителност
- Фиксираното предварително натоварване нараства с повишаването на температурата в резултат на различното разширение.
- Неконтролираното термично разширение може да доведе до претоварване на лагера.
- Преднапрежението на пружината компенсира тези температурни промени.
- Проектът трябва да отчита целия диапазон на работните температури.
7. Приложения
Когато предварителното натоварване е от съществено значение
- Шпиндели за металорежещи машини: шлифовъчни, фрезови и стругови шпиндели, изискващи прецизност и твърдост.
- Високоскоростно оборудване: за да се предотврати занасяне и нестабилност.
- Прецизни инструменти: измервателна апаратура и оптични системи.
- Колебаещи се натоварвания: приложения с промяна на посоката на натоварване или променящи се натоварвания.
- Моментни натоварвания: лагери, подложени на накланящи моменти.
Когато предварителното натоварване не се препоръчва
- Приложения при високи температури, при които съществува риск от термично претоварване.
- Много високи скорости, при които триенето и топлината играят решаваща роля.
- Силни ударни натоварвания.
- Случаи, в които дългият експлоатационен срок на лагерите има предимство пред твърдостта.
- Общопромишлено приложение, при което прецизността не е от решаващо значение.
Преднапрежението има и диагностична функция. Въртящ се елемент, който е загубил преднапрежението си вследствие на износване или е бил подложен на термично претоварване, променя вибрационния си профил — често като измества критичните скорости или повишава нивото на широколентовите вибрации — така че ефектите от преднапрежението стават видими за специалиста по вибрации много преди възникването на повреда. Преносим двуканален анализатор като Балансет-1а може да улови въртенето на шпиндела вибрационен спектър и общото ниво при работна скорост, като осигурява базова линия сравнителен показател, спрямо който може да се проследи всяка последваща промяна в предварителното натоварване или състоянието на лагера — и когато основният проблем се окаже дисбаланс а не лагерите, балансирани на същата машина.
Предварителното натоварване на лагерите е ефективен метод за повишаване на експлоатационните характеристики на лагерната система, като осигурява по-голяма твърдост, подобрена точност и защита срещу пробукване и нестабилност. То обаче трябва да се определя внимателно, като се претеглят тези предимства спрямо недостатъците, свързани с допълнителното триене, нагряването и намаления експлоатационен срок, така че да се постигне оптимален баланс за всяко конкретно приложение.
