Definirea şi determinarea rezistenţei pentru carcasele lagărelor cu rulmenţi (II)

Testarea experimentală

Ipotezele simulării FEA se bazează pe rezultatele obţinute pe carcase supuse la sarcini ce ating rezistenţa la rupere. Pentru a determina aceste rezultate, sunt folosite carcase Timken de diferite mărimi, supuse la sarcini într-o presă hidraulică prevăzută cu dispozitive specializate şi testate la sarcini de valori şi orientări diferite.

Echipamentele de uz general folosite pentru aceste experimente sunt capabile să supună carcasele la tensiuni de rupere pe direcții de încărcare de 180, 150 și 90, pe baza a diferite configurații de test, care reflectă unghiurile neconvenționale sub care sunt instalate carcasele cu rulmenți în medii de exploatare reale. Deoarece sarcina estimată pentru a produce ruperea carcaselor în aceste simulări poate depăși sarcina de bază statică a rulmentului, nu au fost folosiți rulmenți în cadrul testului experimental, aceștia fiind înlocuiți cu bare rotunde. Au fost testate diferite modele de carcase monobloc și din două părți.

Fiecare test a fost efectuat folosind cicluri de încărcare corespunzător controlate. Fluidul hidraulic a fost introdus încet în pistonul de încărcare folosind o valvă de control. Un calculator a înregistrat valorile traductorului de sarcină în timpul testului, pentru a putea determina sarcinile maxime.

Au fost testate mai multe mostre, pentru toate direcțiile de aplicare a încărcării. Rezultatele testului au arătat variație între mostre, referitor la magnitudinea sarcinii și punctul de rupere. De exemplu, o carcasă cu talpă cu patru șuruburi de fixare a avut trei puncte diferite de rupere atunci când sarcina a fost aplicată în direcția de 180. Șuruburile de fixare a tălpii flanșei au avut nevoie de ranforsare la fiecare test, pentru a împiedica ruperea șuruburilor înaintea apariției unei ruperi a carcasei. Acest lucru a fost necesar chiar și când au fost folosite șuruburi din oțel AISI grade 9.

Defectarea prin rupere a carcaselor, așa cum arată imaginea 6, a fost de natură ductilă, un lucru demonstrat și de deformațiile vizibile de pe carcase înainte să apară ruperea. Aceste rezultate au fost consistente cu așteptările pentru materi­alul oțel turnat și ipotezele bazate pe rezultatele FEA. O deformare plastică mare a fost observată în zona de atașare a șuruburilor de fixare pe talpa carcasei, deși nu au existat ruperi în acea zonă. Din fiecare test au fost colectate date referitoare la punctul de rupere, sarcina de rupere și depla­sarea.

Metodologia pentru analiza și testarea car­caselor din două părți a fost similară cu cea a carcaselor monobloc. Testele au arătat pentru carcasele din fontă cenușie turnată în piese untip de rupere mai casant, cu puțină deformare plastică înainte de fractură. Sarcinile de rupere au fost mai scăzute decât cele pentru oțel turnat datorită diferenței de rezistență între cele două materiale. Carcasele din fontă cu grafit nodular turnată în piese au avut alungiri mai mari înainte de rupere, decât fonta cenușie turnată în piese, dar nu la fel de mari precum carcasele din oțel turnat. (figura 6)

În FEA, criteriile de defectare ale carcaselor din fontă cenușie turnată în piese au fost definite folosind un model mecanic de rupere extinsă. Prin comparație, carcasele din fontă cu grafit nodular turnată în piese au folosit același model de defectare precum carcasele monobloc, dar cu un model mecanic de rupere mai restrâns. Pentru carcasele din două părți a fost introdus încă un mod de defectare, și anume ruperea șuruburilor de prindere a capacului la anumite carcase. Pentru a ține cont de acest lucru, au fost îmbunătățite modelele FEA pentru a include crite­riile de rupere ductilă a șuruburilor de prindere a capacului. (figura 5)

Rezultatele testării rezistenţei carcaselor

Metodologia Timken pentru determinarea rezistenței la rupere a carcaselor poate ajuta proiectanții de echipamente și pe cei care le utilizează să ia decizii informate cu privire la avantajele și beneficiile fiecărui tip de carcasă cu rulmenți Timken. Prin acest proces de testare riguros, Timken a determinat nu numai rezistența materialelor sale, ci și aplicațiile unice la care gama de rulmenți și carcase cu rulmenți Timken va avea cea mai bună performanță, susținând estimările de proiectare pentru rezistența car­caselor cu date concludente.

Modurile de defectare pot diferi, în funcție de geometria piesei turnate, a tipului de material turnat și tipului, mărimii și materialului șurubu­rilor capacului. Carcasele din două părți permit un montaj mai simplu și pot ajuta la reducerea costului total de instalare, dar nu oferă aceleași valori ale rezistenței precum carcasele monobloc echivalente dimensional. Valorile rezistenței carcaselor monobloc din oțel turnat depășesc în general sarcina de bază statică rulmentului, indiferent de direcția de aplicare a încărcării. Prin utilizarea unei abordări conservatoare, valorile rezistenței carcaselor publicate pentru unitățile monobloc au fost stabilite folosind valorile limită minime pentru proprietățile fizice ale materi­alelor.

Fonta cenușie turnată în piese are o capaci­tate mai mică de încărcare, la diferite orientări ale încărcărilor, comparativ cu fonta cu grafit nodular turnată în piese. Fonta cenușie turnată în piese poate fi un material mai eficient din punct de vedere al costurilor, decât fonta cu grafit nodular turnată în piese, însă poate să nu fie alegerea corespunzătoare pentru aplicații mai solicitante sau în cazul aplicațiilor unde sarcinile aplicate rulmenților sunt orientate în altă direcție decât spre talpa carcasei.

Timken a realizat ghiduri de utilizare privind valorile de siguranță ale sarcinilor pentru carcasele Timken din două părți, pentru situațiile în care sarcina nu este orientată înspre talpă, sau dacă talpa nu are contact complet cu structura de rezistență pe care este așezată (P0). Sarcina de siguranță este sarcina maximă recomandată pentru a fi aplicată pe carcasă, în funcție de direcția de orientare a sarcinii. Ghidurile de utilizare privind valorile de siguranță ale sarcinilor pentru carcase au luat în considerare rezistența la rupere a carcasei și rezistența la rupere a șuruburilor capacului. Un factor de siguranță de 5 este utilizat pentru rezistența la rupere a materialului carcasei din două părți, iar un factor de siguranță de 3 este folosit pentru rezistența la rupere a șuruburilor capacului. Factori de siguranță suplimentari pot fi folosiți de utilizator pentru aplicațiile în care siguranța este critică. Valorile de siguranță ale sarcinilor pentru carcase publicate presupun că talpa carcasei a fost fixată corespunzător de baza structurii de montaj și că a fost folosit un moment de strângere corespunzător pentru șuruburile capacului.

Imaginea 7 arată o comparație de valori de siguranță ale sarcinii carcaselor, atât pentru fonta cenușie, cât și pentru fonta cu grafit nodular, în funcție de mărimea arborelui și unghiul de aplicare al sarcinii. Acest lucru arată importanța proiectării corespunzătoare a carcaselor și selecției corecte a materialelor, în alegerea tipului de carcasă corespunzător pentru o aplicație dată.

Folosind rezultatele FEA, calibrate cu testarea experimentală, Timken a creat o metodologie pentru a oferi valori predictibile pentru rezistenț a carcaselor, fără a fi necesară testarea fiecărei unități. Prin intermediul acestei combinații de mode lare computerizată avansată și experiență reală practică, Timken are capacitatea de a furniza valori pentru rezistența estimată a carcaselor sale cu rulmenți. Datele accesibile, utilizabile, reprezintă încă o modalitate prin care Timken îndeplinește cerințele din ce în ce mai stricte ale industriilor grele.

Toate datele specifice pentru rezistența carcaselor, pe baza metodei Timken, sunt disponibile în cel mai recent catalog de carcase cu rulmenți ale companiei Timken.

(Foto: The Timken Company)

Florin Constantin este Principal Application  Engineer, The Timken Company