คุณจะคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักของแบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับได้อย่างไร?

ในการออกแบบเครื่องจักรกลหนักและการบำรุงรักษาอุปกรณ์อุตสาหกรรม คำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักได้อย่างแม่นยำ แบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับ เป็นแกนหลักในการรับรองความน่าเชื่อถือของระบบ ตลับลูกปืนเหล่านี้มีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการรับน้ำหนักตามแนวแกนที่ยอดเยี่ยมและมีความแข็งแกร่งสูง ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในแท่นขุดเจาะน้ำมัน เครื่องอัดรีดงานหนัก และกระปุกเกียร์อุตสาหกรรม เพื่อยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืนให้สูงสุดและหลีกเลี่ยงความล้มเหลวของอุปกรณ์ที่เป็นภัยพิบัติ วิศวกรจะต้องเชี่ยวชาญวิธีคำนวณที่แม่นยำสำหรับทั้งพิกัดโหลดแบบไดนามิกและพิกัดโหลดคงที่

1. พื้นฐานของความสามารถในการรับน้ำหนักตามแนวแกนและเรขาคณิตของแบริ่ง

เพื่อให้เข้าใจถึงความสามารถในการรับน้ำหนักของแบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแบบแรงขับ ก่อนอื่นต้องแยกแยะความแตกต่างทางโครงสร้างจากตลับลูกปืนเม็ดกลมก่อน ลูกกลิ้งทรงกระบอกให้ ติดต่อทางไลน์ แทนที่จะเป็น จุดติดต่อ พบในตลับลูกปืน ลักษณะทางเรขาคณิตนี้ช่วยให้แบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับสามารถทนต่อแรงขับตามแนวแกนขนาดใหญ่ภายในพื้นที่ขนาดเล็กมาก อย่างไรก็ตาม ยังต้องการความแม่นยำที่สูงกว่าเกี่ยวกับการควบคุมการสั่นสะเทือนและการจัดตำแหน่งด้วย

1.1 ความสำคัญของความเครียดจากการสัมผัสสาย

ในกระบวนการคำนวณ หน้าสัมผัสของเส้นหมายถึงการกระจายแรงกดตลอดความยาวของลูกกลิ้ง ตามทฤษฎีความเค้นสัมผัสของ Hertzian การคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักจะต้องพิจารณาถึงความยาวที่มีประสิทธิภาพของลูกกลิ้ง หากติดตั้งแบริ่งไม่ถูกต้องจนทำให้เกิดการเอียง โหลดจะมุ่งไปที่ขอบของลูกกลิ้ง ทำให้เกิด "ความเค้นที่ขอบ" ซึ่งสามารถลดความสามารถในการรับน้ำหนักตามทฤษฎีได้มากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้น ในการค้นหาความถี่สูง “แนวแบริ่งที่ไม่ตรง” จึงยังคงเป็นคำหลักหางยาวที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับการคำนวณโหลด

1.2 อัตราการโหลดไดนามิกพื้นฐานเทียบกับแบบคงที่

• คะแนนการโหลดแบบไดนามิกพื้นฐาน (Ca): : : : : นี่หมายถึงภาระตามแนวแกนคงที่ที่ตลับลูกปืนสามารถรับได้ขณะหมุนเพื่อให้มีอายุการใช้งานที่กำหนดหนึ่งล้านรอบ นี่คือตัวชี้วัดหลักในการประเมินอายุการใช้งานของอุปกรณ์
• คะแนนโหลดคงที่พื้นฐาน (C0a): นี่หมายถึงโหลดขีดจำกัดซึ่งการเสียรูปถาวรเกิดขึ้นที่จุดศูนย์กลางหน้าสัมผัสในขณะที่ตลับลูกปืนอยู่กับที่หรือหมุนด้วยความเร็วต่ำมาก จะกำหนดความปลอดภัยของแบริ่งภายใต้แรงกระแทกหรือระหว่างการเริ่มต้นทันที การเข้าใจความแตกต่างระหว่างค่าทั้งสองนี้เป็นขั้นตอนแรกในการเลือกตลับลูกปืน

2. การคำนวณคะแนนโหลดแบบไดนามิกพื้นฐาน (Ca) โดยใช้ ISO281

การคำนวณพิกัดโหลดแบบไดนามิกเป็นพื้นฐานในการทำนายอายุความล้าของตลับลูกปืน สำหรับแบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับ มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับทั่วโลกคือ ISO 281 . สูตรนี้ไม่เพียงพิจารณามิติทางกายภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลกระทบของเทคโนโลยีวัสดุและความแม่นยำในการประมวลผลต่อความสามารถในการรับน้ำหนักด้วย

2.1 สูตรมาตรฐาน ISO 281

สำหรับแบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับแถวเดียว อัตราโหลดตามแนวแกนแบบไดนามิกพื้นฐาน Ca (วัดเป็นนิวตัน) คำนวณโดยใช้ตัวแปรต่อไปนี้:

Ca = fc * (Lw * cos อัลฟา)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27

2.2 คำจำกัดความของตัวแปรและผลกระทบ

• fc (ปัจจัยทางเรขาคณิต): ค่าสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับรูปทรงเฉพาะ ระดับพิกัดความเผื่อ และคุณภาพวัสดุของตลับลูกปืน โดยทั่วไปแล้ว เหล็กแบริ่งคุณภาพสูง (เช่น GCr15) จะมีค่า fc ที่สูงกว่า
• Lw (ความยาวลูกกลิ้งที่มีประสิทธิภาพ): ความยาวที่มีประสิทธิภาพของลูกกลิ้ง การเพิ่มความยาวของลูกกลิ้งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้โดยตรง แต่ลูกกลิ้งที่ยาวเกินไปจะทำให้เกิดแรงเสียดทานในการเลื่อนอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการหมุน ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องรักษาสมดุลของอัตราส่วนภาพ
• Z (จำนวนลูกกลิ้ง): ยิ่งมีลูกกลิ้งมากเท่าใด แรงที่แต่ละลูกกลิ้งแต่ละลูกกลิ้งรับส่งก็น้อยลงเท่านั้น ส่งผลให้คะแนนโดยรวมเพิ่มขึ้น
• Dw (เส้นผ่านศูนย์กลางลูกกลิ้ง): เส้นผ่านศูนย์กลางลูกกลิ้งมีผลกระทบแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลต่อความสามารถในการรับน้ำหนักและเป็นตัวแปรที่ละเอียดอ่อนที่สุดในการออกแบบ

2.3 การคำนวณอายุการใช้งาน (L10)

หลังจากได้รับ Ca แล้ว วิศวกรจะต้องคำนวณหาค่า Ca อายุการใช้งาน (L10) . สำหรับแบริ่งลูกกลิ้งแรงขับ สูตรการคำนวณคือ:

L10 = (แคลเซียม/ปาสคาล)^10/3

เลขชี้กำลัง 10/3 (ประมาณ 3.33) สะท้อนถึงความจริงที่ว่าแบริ่งลูกกลิ้งมีความทนทานมากกว่าก่อนที่จะเกิดความเสียหายจากความล้าเมื่อเปรียบเทียบกับตลับลูกปืนเม็ดกลม (ซึ่งใช้เลขชี้กำลัง 3) บนเว็บไซต์ของบริษัท การสาธิตการคาดการณ์ชีวิตที่แม่นยำนี้ช่วยเพิ่มความไว้วางใจของลูกค้าในผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก

3. ความสามารถในการรับน้ำหนักแบบคงที่ (C0a) และปัจจัยด้านความปลอดภัย

ในการใช้งานหลายประเภท ตลับลูกปืนไม่ได้อยู่ในสถานะการทำงานที่ความเร็วสูงเสมอไป ตัวอย่างเช่น เมื่อเปิดวาล์วหนักหรือในขณะที่เครนยกของหนัก แบริ่งจะถูกรับแรงกดดันมหาศาลในขณะที่อยู่กับที่ ในกรณีเช่นนี้เราจะต้องพึ่งพา ISO76 มาตรฐานในการคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักคงที่

3.1 การป้องกันการเสียรูปถาวร (Brinelling)

ความสามารถในการรับน้ำหนักคงที่ถูกกำหนดให้เป็นภาระที่ส่งผลให้เกิดการเสียรูปถาวรโดยรวมที่ศูนย์กลางการสัมผัสของลูกกลิ้งและทางวิ่งที่รับน้ำหนักมากที่สุด โดยไม่เกิน 0.0001 ของเส้นผ่านศูนย์กลางลูกกลิ้ง หากเกินค่านี้ ตลับลูกปืนจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนอย่างรุนแรงในระหว่างการหมุนครั้งต่อไป โดยทั่วไปจะเรียกสิ่งนี้ในการค้นหาทางอุตสาหกรรมว่า "Brinelling Effect"

3.2 สูตรคำนวณแบบคงที่

สูตรทั่วไปสำหรับพิกัดโหลดตามแนวแกนคงที่ C0a แสดงเป็น:

C0a = 220 * Z * Lw * Dw * บาปอัลฟ่า

ค่าคงที่ 220 แสดงถึงระดับประสิทธิภาพของเหล็กแบริ่งชุบแข็งมาตรฐานภายใต้ระดับความเค้นสัมผัสเฉพาะ

• ปัจจัยด้านความปลอดภัย (S0): ในทางปฏิบัติวิศวกรรม เราแนะนำปัจจัยด้านความปลอดภัยแบบคงที่ S0 = C0a / P0a สำหรับอุปกรณ์ที่มีแรงกระแทก แนะนำให้ใช้ S0 เท่ากับ 3 หรือสูงกว่า สำหรับอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ S0 ควรสูงกว่านี้อีกเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการเสียรูปพลาสติกส่งผลต่อความแม่นยำ

4. การเปรียบเทียบการปฏิบัติงาน: ปัจจัยการปรับโหลด

สภาพการทำงานจริงมีความซับซ้อนมากกว่าสภาพห้องปฏิบัติการมาก การหล่อลื่น อุณหภูมิ และความแม่นยำในการติดตั้ง ล้วนทำหน้าที่เป็น "ปัจจัยแก้ไข" ที่ส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการรับน้ำหนักที่มีประสิทธิภาพของตลับลูกปืน

5. คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

คำถามที่ 1: แบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกแรงขับสามารถรับน้ำหนักในแนวรัศมีได้หรือไม่

ไม่ ตลับลูกปืนเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการรับน้ำหนักตามแนวแกน เนื่องจากลูกกลิ้งถูกจัดเรียงตั้งฉากกับแกนเพลา แรงในแนวรัศมีจึงทำให้เกิดการเสียดสีอย่างรุนแรงกับกรงหรืออาจนำไปสู่การพังทลายของชุดประกอบได้ หากมีแรงในแนวรัศมี โปรดใช้แบริ่งลูกกลิ้งเข็มร่วมกัน

คำถามที่ 2: เหตุใดเลขชี้กำลังอายุ L10 จึงแตกต่างจากตลับลูกปืนเม็ดกลม?

นี่เป็นเพราะความแตกต่างในกลไกการสัมผัส ตลับลูกปืนเม็ดกลมใช้การสัมผัสแบบจุด ซึ่งส่งผลให้ความเข้มข้นของความเค้นสูงขึ้นและมีเลขชี้กำลังเป็น 3 แบริ่งลูกกลิ้งทรงกระบอกใช้การสัมผัสแบบเส้น ซึ่งกระจายความเครียดได้เท่าๆ กันมากขึ้น จึงใช้เลขชี้กำลังที่เหนือกว่าที่ 10/3

คำถามที่ 3: ความหนืดของการหล่อลื่นส่งผลต่อภาระที่มีประสิทธิภาพอย่างไร

ความหนาของฟิล์มน้ำมันหล่อลื่นจะเป็นตัวกำหนดว่าจุดสูงสุดของความหยาบของพื้นผิวสัมผัสจะชนกันหรือไม่ แม้ว่าพิกัดการรับน้ำหนักตามทฤษฎีจะสูง แต่หากความหนืดของน้ำมันต่ำเกินไป อายุการใช้งานจริงอาจน้อยกว่า 10 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่คำนวณได้

6. ข้อมูลอ้างอิงและมาตรฐานทางเทคนิค

1. ISO 281:2007 : แบริ่งกลิ้ง — พิกัดการรับน้ำหนักแบบไดนามิกและอายุการใช้งานพิกัด
2. ISO76:2006 : แบริ่งกลิ้ง — อัตราโหลดแบบคงที่
3. มาตรฐาน ANSI/ABMA 11 : อัตราโหลดและอายุความล้าสำหรับแบริ่งลูกกลิ้ง
4. Harris, T. A. และ Kotzalas, M. N. : การวิเคราะห์ตลับลูกปืนกลิ้ง เล่ม 1 และ 2 ,สำนักพิมพ์ซีอาร์ซี. (ตำราเรียนมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการวิเคราะห์ตลับลูกปืน)