Bilim.techО проекте

Подшипник ступицы и его ресурс

Сколько моточасов проживет подшипник колеса самосвала и почему его убивают повороты, а не прямая дорога? Задавай загрузку, повороты, затяжку гайки и чистоту смазки и смотри, когда планировать замену.

01 Что это такое

Колесо самосвала вращается на двух конических роликоподшипниках. Они держат и вес, и боковую силу, и рано или поздно устают.

Переднее колесо груженого самосвала несет около 26 т. Ступица с колесом надета на неподвижную цапфу поворотного кулака и опирается на два подшипника: большой внутренний ближе к машине и меньший наружный. Конические ролики стоят наклонно, поэтому подшипник держит силу и поперек оси, и вдоль нее. На прямой дороге работает почти один вес. В повороте шина тянет колесо вбок у самой земли, на плече 1,35 м, и эта боковая сила перекладывает нагрузку на один подшипник. Металл дорожек от миллионов перекатываний устает и начинает выкрашиваться. Сколько оборотов он выдержит, считают по формуле ресурса, а как ресурс считают вообще, разобрано в теме «Подшипники качения и их ресурс».

РАЗРЕЗ СТУПИЦЫвнутренний подшипникнаружный подшипникфланец ободауплотнениегайка затяжкицапфа стоит,ступица вращаетсяповоротный кулакКОНИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИКсила идет наклонновнутреннее кольцо (конус)наружное кольцо в ступицероликодна часть силы радиальная Fr,другая осевая Fa: подшипникдержит обе сразу
Два подшипника стоят навстречу друг другу. Внутренний принимает осевую силу, которая толкает колесо к машине, наружный обратную.
P
Эквивалентная нагрузка, кН. Одна радиальная сила, которая устает подшипник так же, как настоящие радиальная и осевая вместе.
C
Динамическая грузоподъемность, кН. Число из каталога: при такой нагрузке подшипник выдержит миллион оборотов. Здесь 1300 кН у внутреннего и 900 кН у наружного.
L10
Ресурс, миллионов оборотов. Столько проработают 90 % подшипников, а 10 % откажут раньше. Для плана ТО переводим его в моточасы.
02 Опыт
Задай условия карьера. Смотри, какой режим съедает подшипник. РЕСУРС В МОТОЧАСАХ
НАГРУЗКИ НА МАШИНУ

Когда менять подшипники ступицы?

Рис. 13.4
до 70 % 70–100 % выше 100 % нагрузки, при которой ресурс 20 000 ч доля износа доля пути
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Ресурс L10 ступицы
Загрузка слабого подшипника
Плановая замена

ⓘ Ступица переднего правого колеса обобщенного самосвала класса 90 т из темы «Колеса и оси». Половина пути груженый, половина пустой, повороты налево и направо поровну. Грузоподъемность подшипников учебная, толчки дороги учтены коэффициентом 1,25.

03 Формулы по буквам

Эквивалентная нагрузка, ресурс и поправки

Формулы те же, что в теме «Подшипники качения и их ресурс», только силы берем из настоящей работы самосвала в карьере. Числа под формулами пересчитываются вместе с опытом.

Как сложить радиальную и осевую силу?

P = X · Fr + Y · Fa

Подшипник устает от обеих сил, но по-разному. Пока осевая сила мала по сравнению с радиальной, ее не считают. Когда Fa / Fr больше e, берут часть радиальной и добавляют осевую с коэффициентом Y из каталога.

Fr
радиальная сила на подшипник, кН. В повороте у внутреннего подшипника наружного колеса она почти вдвое больше веса на колесо
Fa
осевая сила, кН: боковая сила шины плюс сила, которую конические ролики сами создают от радиальной
X, Y
коэффициенты из каталога. Для конического подшипника X = 0,4, Y = 1,6
e
граница, с которой осевую силу уже учитывают, здесь 0,37

Сколько оборотов выдержит подшипник?

L10 = (C / P)^(10/3)

Ресурс в миллионах оборотов. Степень 10/3 у роликовых подшипников означает: нагрузка больше на 20 %, ресурс меньше почти вдвое. Если режимов несколько, P берут как среднее со степенью 10/3, взвешенное по доле оборотов.

C
динамическая грузоподъемность из каталога, кН
P
эквивалентная нагрузка, кН
Lh
ресурс в моточасах: Lh = L10 · 10⁶ / n, где n оборотов колеса за моточас
n
n = v · 1000 / (2π · 1,35), v средняя скорость за моточас вместе со стоянками, км/ч

Что еще укорачивает жизнь подшипника?

Lnm = aпр · aсм · L10

Формула L10 верна для чистой смазки и правильной затяжки. Настоящий подшипник в карьере портят пыль, вода и неверная регулировка. Это учитывают поправочными множителями.

aпр
затяжка: 1 при легком преднатяге, 0,6 при зазоре 0,3 мм, 0,45 при перетяжке
aсм
чистота смазки: 1 чистая, 0,5 обычный карьер, 0,15 пыль, 0,08 вода. Подробнее в темах «Уплотнения» и «Чистота масла»

Почему поворот вреднее прямой дороги

На прямой дороге шина давит на ступицу снизу силой Fz, и подшипники делят ее примерно поровну, по закону рычага. Центр колеса стоит между ними чуть ближе к внутреннему, поэтому ему достается немного больше.

В повороте у земли появляется боковая сила Fy. Она приложена в пятне контакта, на 1,35 м ниже оси, а подшипники стоят друг от друга всего на a = 0,3 м. Момент Fy · R пытается повернуть колесо в плоскости оси, и подшипники отвечают парой сил: Fy · R / a. При Fy = 0,3 · Fz это 1,35 веса на колесо, плюс к внутреннему подшипнику и минус к наружному.

Поэтому подшипник наружного колеса в повороте получает почти вдвое больше силы, а ресурс от этого падает в десять раз. Несколько процентов пути в резких поворотах решают судьбу ступицы. Поворачивать плавно, а повороты на дорогах делать большого радиуса выгодно для подшипников так же, как и для шин.

FyR = 1,35 мвнутр. +Fy·R/aнаруж. −Fy·R/aa = 0,3 мк машине
Боковая сила у земли на длинном плече R, подшипники отвечают на коротком плече a. Поэтому пара сил в них в 4,5 раза больше самой боковой силы.
04 Где и зачем это применяют

Ступица на ТО и в плане ремонтов

Допущения модели+

Ступица переднего правого колеса самосвала класса 90 т. Подшипники на расстоянии 0,3 м, плоскость колеса в 0,12 м от внутреннего, радиус шины 1,35 м. Грузоподъемность учебная: 1300 кН у внутреннего и 900 кН у наружного, Y = 1,6, e = 0,37. Нагрузка на колесо из темы «Колеса и оси», толчки дороги учтены постоянным коэффициентом 1,25.

Режимы: половина пути груженый, половина пустой. На прямой половина пути колесо на нижнем борту поперечного уклона, половина на верхнем. В поворотах колесо поровну бывает снаружи и внутри, боковая сила пропорциональна нагрузке на колесо и боковому ускорению. Осевые силы распределены по правилу для пары конических подшипников. Режимы складываются по средней нагрузке со степенью 10/3, ресурс пары подшипников по правилу надежности системы.

Поправки на затяжку и чистоту смазки взяты типичными по порядку величины, в каталогах заводов они считаются подробнее. Доля отказов растет по закону Вейбулла с показателем 1,5. Плановая замена назначена на 80 % от L10 ступицы с округлением вниз до 500 моточасов.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →