Выход из строя подшипника произошел через два месяца после замены зубчатой передачи.
В марте на предприятии пищевой промышленности заменили червячную передачу на угловом приводе конвейера. В мае привод снова вышел из строя — те же симптомы, тот же уровень шума. Ремонтная бригада заказала новый комплект шестерен и, ожидая доставки, разобрала привод, чтобы подтвердить причину поломки. Боковые поверхности зубьев червячного колеса были в идеальном состоянии — их практически не трогали с момента установки в марте. Вышли из строя подшипники вала червячной передачи: на наружном обойме неподвижного подшипника образовался скол, характерный для усталости от осевой перегрузки.
В ходе расследования выяснилось: конвейер использовал клиноременное соединение от двигателя к червячному валу, при этом натяжение ремня составляло 2,5 кН, при этом радиально тянулось выступающее сечение вала. Ремонтная бригада заменила зубчатую передачу, но не подшипники, и не пересчитала, смогут ли существующие подшипники (стандартные шарикоподшипники с глубоким пазом, серия 6206) выдержать комбинированную радиально-осевую нагрузку. Стандартные шарикоподшипники с глубоким пазом выдерживают осевую нагрузку, составляющую приблизительно 301 Т3 Т от их номинальной радиальной нагрузки. Комбинированная нагрузка на подшипники этого вала превысила номинальную нагрузку подшипников серии 6206 в 1,8 раза. Подшипник был обречен на выход из строя независимо от того, была ли заменена зубчатая передача или нет.
Главная проблема: Валы червячных передач воспринимают как радиальные нагрузки (от касательной силы зацепления шестерен, внешнего натяжения ремня или цепи), так и высокие осевые (тяговые) нагрузки (от силы реакции зацепления винтовых зубьев, стремящейся вытолкнуть вал червяка вдоль его оси). Шариковые подшипники с глубоким пазом не подходят для применения с червячными валами, за исключением самых легких нагрузок. Угловые контактные шариковые подшипники или конические роликовые подшипники — в конфигурации с неподвижным и плавающим валом или расположенные друг за другом для восприятия двунаправленной тяги — являются правильным решением для червячного вала во всех случаях, кроме самых легких нагрузок.
Осевой тяговый момент червячного вала — почему он такой большой
В червячной передаче сила контакта зубьев в зацеплении разлагается на три составляющие, действующие на каждый вал: тангенциальную (создающую крутящий момент), радиальную (силу разделения, перпендикулярную делительной окружности) и осевую (силу осевого усилия вдоль оси вала). В косозубом зубчатом зацеплении осевое усилие обычно составляет 20-401Т от тангенциальной силы. В червячной передаче соотношение принципиально иное и гораздо более жесткое для вала червяка.
Ключевой вывод: для червячной передачи с передаточным отношением 50:1 (q=12) осевая нагрузка на вал червяка составляет 4,17 раза больше тангенциальной силы на червячном валу. Поскольку большинство инженеров рассчитывают нагрузки на подшипники, исходя из крутящего момента вала и радиуса делительной окружности (определяющего касательную силу), они рассчитывают только 24% от фактической осевой нагрузки на подшипник. Подшипник червячного вала, рассчитанный только на касательную силу, оказывается недоразмерен для осевой нагрузки в 4 раза. Это наиболее распространенная ошибка проектирования подшипников червячных передач.
Выбор типа подшипника — червячный вал против колесного вала
Червячный вал — с неподвижным подшипником
Подшипник с неподвижным червячным валом должен воспринимать как радиальное усилие зацепления, так и полную двунаправленную осевую нагрузку. Шарикоподшипники с угловым контактом, установленные друг за другом (расположение DB) или друг за другом (расположение DF), обеспечивают эту комбинированную несущую способность. Угол контакта (обычно 25-40 градусов) определяет соотношение осевой и радиальной несущей способности — больший угол контакта обеспечивает большую осевую несущую способность. Для большинства применений с червячными валами подходят подшипники с угловым контактом с углом контакта 30 или 40 градусов.
Червячный вал — поплавковый подшипник
Подшипник-поплавок на неупорном конце червячного вала воспринимает только радиальную составляющую нагрузки от зацепления и любую внешнюю консольную нагрузку. Он допускает осевое тепловое расширение вала без возникновения осевой силы ограничения. Для плавающего положения подходят стандартные шарикоподшипники с глубоким пазом, поскольку здесь не передается осевая нагрузка. Диаметр отверстия корпуса подшипника-поплавка обычно составляется таким образом, чтобы обеспечить небольшое свободное осевое перемещение (0,3-0,8 мм) для компенсации теплового расширения.
Вал колеса — оба подшипника
Вал червячного колеса передает выходной крутящий момент радиально, а также радиальную силу реакции зацепления (Fr2). Осевая сила на валу колеса (Fa2) равна Fr1, радиальной силе на валу червячного колеса — обычно она мала по сравнению с радиальной несущей способностью вала колеса. В большинстве случаев для валов колес подходят стандартные шарикоподшипники с глубоким пазом. Для применений с высоким выходным крутящим моментом (модуль M8+, режим работы D3) предпочтительнее использовать цилиндрические роликовые подшипники из-за их большей радиальной несущей способности.
Червячный вал — внешнее нагружение
Когда червячный вал приводится в движение от двигателя через клиновой ремень или цепь, натяжение ремня/цепи добавляет радиальную силу к вылету вала, которая может превышать радиальную силу зацепления. Эта внешняя сила должна быть векторно добавлена к радиальной силе зацепления для расчета нагрузки на подшипник. Натяжение ремня действует перпендикулярно длине ремня; радиальная сила зацепления действует вдоль линии между валами. Результирующая сила зависит от угла между ними. В худшем случае их суммируют линейно: F_bearing = F_belt + F_radial_mesh.
Расчет срока службы подшипника — L10 часов для применения на червячном валу
Расчет срока службы подшипника по стандарту ISO (L10 — срок службы, при котором ожидается выход из строя 10% идентичных подшипников из-за усталости) требует эквивалентной динамической нагрузки на подшипник P, которая объединяет радиальную и осевую составляющие для радиально-упорных подшипников.
Пример расчета: червячная передача 50:1, мощность 3 кВт, входная частота 1450 об/мин.
z1=1, z2=50, m=4, d1=48 мм, d2=200 мм, лямбда=1,52 град, КПД 62%
T2 = 3000 x 0,62 / (29,0 x π/30) = 3000 x 0,62 / 3,036 = 612 Нм
Fa1 = 2T2/d2 = 2 x 612 / 0,200 = 6120 Н
Ft1 = 2T1/d1 = 2 x (3000/3,036×0,62)/(0,048 x 2) = ??? Пусть T1=P/(omega1) = 3000/(1450x2pi/60) = 19,75 Нм; Ft1 = 2×19,75/0,048 = 823 Н
6120/823 = 7,4x — осевое расстояние червячного вала в 7,4 раза больше тангенциального.
Fr=1200Н (сетка + ремень), Fa=6120Н; из каталога X=0,35, Y=0,57: P = 0,35×1200 + 0,57×6120 = 420 + 3488 = 3908 Н
L10 = (32500/3908)^3 = 578 миллионов оборотов; L10h = 578e6/(60×1450) = 6644 часа
Неправильно рассчитаны только радиальные параметры: P_wrong = Fr = 1200 Н; L10h_wrong = (28100/1200)^3/(60×1450) = кажущееся значение 56 000 часов — но реальное значение Fa=6120 Н полностью перегружает 6210: осевая несущая способность 6210 составляет ~30% при C0=16500 Н = 4950 Н — 6120 Н превышает это значение.
Пять распространенных ошибок в технических характеристиках подшипников червячной передачи
| Ошибка | Что пошло не так | Правильный подход |
|---|---|---|
| Шариковые подшипники с глубоким пазом на червячном валу | Подшипник DGBB может выдерживать только радиальную нагрузку 30% в осевом направлении. Осевая нагрузка на червячный вал может быть в 4-7 раз выше радиальной. Перегрузки подшипника в осевом направлении приводят к усталости материала в течение нескольких недель или месяцев. | Шариковые подшипники с угловым контактом (парные) или конические роликовые подшипники в неподвижном (упорном) положении подшипника. |
| Забывание о натяжении ремня или цепи при радиальной нагрузке | Натяжение клинового ремня может составлять 1500-4000 Н по радиусу на вылете вала. Если это не учитывать, то значение Fr в подшипнике значительно недооценивается. | Добавьте вектор силы натяжения ремня к радиальной силе сетки. Для наихудшего случая используйте сумму натяжения ремня на натянутой и ослабленной сторонах. |
| Расчет размеров обоих подшипников червячного вала как неподвижных подшипников. | Два неподвижных подшипника на червячном валу создают осевое напряжение, которое противодействует тепловому расширению. По мере нагревания вала оба подшипника подвергаются осевой предварительной нагрузке, что ускоряет усталость. | Один неподвижный (упорный) подшипник + один плавающий подшипник. Плавающий подшипник допускает осевое тепловое расширение. |
| Используя указанные в каталоге значения крутящего момента, оцените нагрузку на подшипник. | Номинальный крутящий момент, указанный в каталоге, — это номинальный крутящий момент при номинальных условиях эксплуатации. Фактические пиковые значения крутящего момента (при запуске, перегрузке) могут быть в 2-3 раза выше и, соответственно, создавать более высокие нагрузки на подшипники. | Рассчитывайте нагрузку на подшипник при пиковом рабочем моменте (рабочий момент x коэффициент запаса прочности), а не при номинальном моменте, указанном в каталоге. |
| При замене вышедшего из строя подшипника тип подшипника не учитывается. | Вышедший из строя подшипник, неправильно подобранный по техническим характеристикам, снова выйдет из строя при замене на аналогичный. Замена на аналогичный увековечивает ошибку проектирования. | При замене вышедшего из строя подшипника перед заказом убедитесь в правильности первоначальных технических характеристик. Если поломка произошла преждевременно, причиной может быть несоответствие первоначальным техническим характеристикам. |
Высокоточное производство для надежной работы валов и подшипников.
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Корея Вечная Сила
Продукция с данными о нагрузке на подшипники для правильного выбора подшипников
Часто задаваемые вопросы о подшипниках
Выбор подшипников для червячной передачи — вопросы от инженеров-конструкторов.
Получите данные о нагрузке на подшипники для вашей червячной передачи.
Укажите входную мощность, скорость вращения двигателя, передаточное число, конфигурацию монтажа и внешние нагрузки. Компания Korea Ever-Power предоставляет данные о нагрузке на подшипники (осевая нагрузка на червячный вал, радиальная нагрузка в обоих положениях подшипников) для облегчения расчета при выборе подшипников.
Редактор: Cxm









