LAGARE

1. Lagare de alunecare

Printre avantajele si dezavantajele lagarelor cu alunecare se pot enumera:

- suporta presiuni de contact mari;

- se comporta bine la sarcini pulsatorii, oscilante sau cu vibratii;

- necesita precizii ridicate de prelucrare si montaj;

- durabilitatea este, în general, mai mica decât a rulmentilor si depinde de aplicatie; se poate estima pe baza testelor, deoarece uzura este continua dar cu viteza mica;

- suporta un anumit grad de impurificare a mediului sau a lubrifiantului fara a afecta grav functionarea;

- gabaritul radial este redus dar cel axial mare, comparativ cu lagarele cu rulmenti;

- “caderea” este anuntata de cresterea jocului, a temperaturii, a coeficientului de frecare;

- tehnologiile de obtinere sunt relativ mai ieftine fata de cele pentru rulmenti;

- sunt sensibile la modificarea regimului de lucru (în special la schimbarea directiei, a sarcinii, a temperaturii) si nu sunt recomandate pentru opriri si porniri dese;

- lubrifiantul constituie o componenta principala a cheltuielilor
(trebuie sa fie calitativ bun, dar si într-o cantitate relativ mare).

În functie de regimul de lucru se deosebesc:

1. lagare în regim de frecare uscata

2. lagare functionând cu pelicula de fluid în 4 regimuri:

- regim hidrostatic (pelicula se formeaza datorita presiunii statice ridicate, furnizata de pompe),

- regim hidrodinamic (pelicula se formeaza din cauza antrenarii fortate a fluidului într-un interstitiu de sectiune variabila, format între corpuri considerate rigide),

- regim elastohidrodinamic (pelicula este generata tot într-un interstitiu variabil dar corpurile sunt considerate elastice, deformatiile lor influentând distributia de presiune în pelicula),

- regim magneto-hidrodinamic (lagarul functioneaza în regim hidrodinamic dar o parte din portanta lui este asigurata de câmpul magnetic aplicat),

3. lagare în regim mixt: când asperitatile strapung pelicula de lubrifiant si în unele zone apare contactul direct;

4. lagare cu regim variabil, incluzând si regimul tranzitoriu caracteristic pornirii si opririi.

Din punct de vedere al directiei sarcinii preluate, lagarele pot fi: radiale, axiale, radial-axiale (foarte rare).

2. Rulmenti sau lagare cu rostogolire

2.1 Introducere

Înainte de a întelege solutii de lagare cu rulmenti, proiectantul trebuie sa cunoasca bine avantajele si dezavantajele lor, comparativ cu cele de alunecare:

- momentul de frecare la pornire este mic si apropiat de valoarea celui din exploatare în regim normal; coeficientul de frecare este cuprins în intervalul ;

- ungerea este simpla; rulmentii necesita cantitati mai mici de ulei sau unsoare; exista si rulmenti capsulati care se livreaza cu unsoare încorporata si care asigura ungerea pe durata de viata estimata, daca nu se depasesc parametrii normali de lucru, în special temperatura;

- la acelasi diametru lagarul cu rulmenti are un gabarit radial mai mare dar cel axial este mai mic, comparativ cu un lagar de alunecare;

- cu exceptia rulmentilor cu ace, sarcina poate fi combinata, radiala si axiala (în anumite limite ale raportului dintre ele), pe când lagarele de alunecare sunt fie radiale, fie axiale si aparitia unei sarcini pe alta directie decât cea proiectata duce la uzura excesiva, întreruperea regimului optim de lucru, chiar gripare;

- rulmentii îsi “anunta“ caderea prin cresterea zgomotului si a vibratiilor pe când laga-rele de alunecare sunt greu de “monitorizat”, pot avea o “cadere” brusca, fara “simptom” clar;

- exista o gama larga de tipuri si dimensiuni, marea majoritate sunt standardizati (exceptie fac cei pentru aplicatii speciale) si deci interschimbabili, sunt usor de comandat si de utilizat într-un ansamblu;

- se monteaza si se demonteaza usor, dar necesita uneori dispozitive speciale, mai ales pentru încalzirea rulmentilor sau pentru montare prin presare;

- asigura o precizie buna a arborelui: unii pot prelua unele nealinieri sau dezaxari un-ghiulare; se pot monta pretensionati, asigurând rigiditate si precizie mai ales la masini-unelte;

- arborele poate avea orice pozitie în spatiu;

- costul initial este mai mare comparativ cu lagarele de alunecare;

- ei sunt sensibili la impuritati (praf, aschii metalice, agenti chimici); odata “impu-rificati”, durata lor de viata scade drastic; lagarele de alunecare nu sufera de aceasta “boala” deoarece particulele straine sunt fie înglobate în cuzinet, fie sunt spalate de lubrifiant;

- rulmentii sunt zgomotosi chiar în conditii normale de ungere, de sarcina si de viteza;

- distrugerea prin oboseala apare indiferent de cît de “îngrijit” este lagarul;

- nu rezista la socuri si vibratii.

Intr-o acceptiune generala, un rulment (fig. 40) este un ansamblu format din: inel interior si inel exterior, corpul de rostogolire (role, bile) si eventual o colivie cu rolul de mentine echidistanta între corpurile de rostogolire. Necesitatile prac-tice extrem de diverse au dat nastere la solutii constructive care se abat de la “imaginea clasica“ a rulmentului: se fabrica rulmenti la care lipseste unul sau ambele inele, rolul acestora fiind preluat de fus sau de carcasa, subansamble specializate care includ seturi de rulmenti, etansari, bucse cu bile sau role (de fapt un rulment multiplu etc.).

Clasificarea rulmentilor se face dupa mai multe criterii si ele trebuie cunoscute, pentru a putea selecta si verifica o solutie optima. Ei se pot grupa în standardizati si nestandardizati, cei din urma fiind des întâlniti în mecanica fina. Trebuie subliniat ca bilele sau rolele care concura la formarea unui rulment nestandardizat se încadreaza într-un sir de tipo-dimensiuni prezentate în catalogul oricarei firme producatoare.

Functie de directia de actiune a sarcinii, rulmentii sunt (fig. 41):

- radiali (forta este pur radiala),

- axiali (forta este numai axiala, deci în lungul axei arborelui),

- radiali-axiali (rulmentul preia sarcina radiala si axiala, cea radiala fiind mai mare),

- axiali-radiali (sarcina suportata axial este mai mare decât cea radiala),

- oscilanti: pot prelua sarcini variabile ca directie, în anumite limite.

Triunghiul înnegrit reprezinta sarcina principala, iar cel neînnegrit, o sarcina suplimentara, în general mai mica decât cea principala. Corpurile de rostogolire pot fi pe un singur rând, pe doua si, foarte rar, la rulmenti pentru industria grea, pe patru rânduri.

Fig. 41

Simbolul rulmentilor cuprinde informatii cu privire la solutia constructiva si la dimensiuni, astfel încât pe baza acestuia rulmentul sa fie complet definit si sa poata fi comandat din catalogul firmei producatoare. Desi unele simboluri sunt standardizate, exista altele specifice unei anumite firme sau unei anumite industrii (petroliera sau de autovehicule etc.), asa ca se recomanda utilizarea catalogului firmei de la care se va cumpara rulmentul. Informatia din simbolul unui rulment este structurata astfel:

Lagarele de rostogolire pot fi introduse cu forme speciale de carcase, dar pot fi si simple bile, montate în spatii libere pe arbore sau în carcasa.

2.2 Materiale pentru rulmenti

Solicitarile mari la care sunt supuse corpurile de rostogolire si caile de rulare în timpul functionarii, au impus folosirea unor oteluri speciale pentru rulmenti, dar se executa rulmenti si din aliaje neferoase, din compozite ceramice mai putin casante.

Otelurile pentru rulmenti se împart în doua mari grupe: oteluri de îmbunatatire (de calire) si oteluri de cementare. Marcile s-au ales pe baza unor studii experimentale minutioase. Un otel de rulment trebuia sa aiba: o rezistenta mare la oboseala de contact, duritate mare chiar la temperaturi mari, coeficient de dilatare mic, rezistenta satisfacatoare la coroziune (în lubrifiant sau în fluid de protectie).

Duritatea inelelor si a corpurilor de rostogolire atinge, dupa tratamentul termic sau termo-chimic, . Rulmentii recomandati pentru temperaturi mai mari sunt supusi unor tratamente de stabilizare, care însa reduc duritatea si scad capacitatea portanta.

Coliviile se executa din tabla de otel ambutisata, din alama sau chiar din mase plastice (în special poliamida). Pentru rulmentii mari coliviile sunt masive, obtinute prin aschiere, asamblate cu nituri. Garniturile rulmentilor se executa de obicei din cauciuc sintetic, armat cu tesaturi metalice sau fibre si care trebuie sa reziste la temperaturi înalte si sa nu fie atacat de lubrifiantii specifici rulmentilor.

2.3 Solicitari în rulmenti

Pentru aceeasi forta radiala care actioneaza asupra unui rulment, repartizarea ei pe corpurile de rostogolire depinde de jocul intern n rulment (fig. 44): daca jocul este mare vor fi solicitate numai un numar mic de role sau bile. Daca jocul se micsoreaza, sarcina se distribuie mai uniform, pe un numar mai mare de corpuri de rostogolire: valoarea sarcinii maxime pe un corp de rostogolire, notata cu Q, se micsoreaza si ea. Repartizarea sarcinii pe corpurile de rostogolire se exprima ca o fractie a diametrului interior: .

La rulmentii cu joc radial nul, încarcati radial (), sarcina maxima pe un corp de rostogolire, calculata conform teoriei lui Hertz, este [25]:

contact punctiform (rulmenti cu bile) (79a)

contact liniar (rulmenti cu role) (79b)

z reprezinta numarul de corpuri de rostogolire iar a este unghiul de contact sub sarcina (vezi si figura 51), dat în cataloage pentru fiecare tip de rulment (la rulmenti radiali ).

Daca asupra unui rulment (axial-radial sau axial) se aplica doar o sarcina pur axiala , aceasta se distribuie uniform pe bile sau pe role:

    (80)

n care z si au aceeasi semnificatie ca mai sus.

Intre forta si deformatia d ce apare pe un corp de rostogolire exista relatia [23]:

(81)

n depinde de natura contactului ( pentru contact punctiform, pentru contact liniar), k este o constanta care depinde de materiale si de geometria contactului.

2.4 Capacitatea dinamica de baza

Caile de rulare si corpurile de rostogolire ale unui rulment pot fi considerate o multime de contacte solicitate la oboseala si, din aceasta cauza, distrugerea poate apare pe oricare dintre ele. Rulmentii cu bile au avantajul ca bilele tind sa-si schimbe mereu axa de rotatie si contactul se schimba, dar au dezavantajul ca sarcina se concentreaza pe o suprafata mica, asa-zis “punctiforma“. Rolele au un contact de tip liniar si presiunea hertziana maxima este mai mica la aceeasi solicitare externa. Datorita formei geometrice (raza de curbura mai mica), calea de rulare a inelului interior este mai puternic solicitata si, de obicei, distrugerea apare aici. Un punct de pe aceasta suprafata este solicitat ciclic (fig. 46).

Conform recomandarilor ISO, durabilitatea nominala a unui rulment este durata de viata atinsa de 90% din rulmentii aparent identici, când functioneaza în aceleasi conditii. Testarea rulmentilor la firmele producatoare se face pentru o durabilitate de baza de cicluri (sau rotatii).

Capacitatea dinamica de baza a unui rulment (determinat ca forma si dimensiuni) reprezinta, de fapt, capacitatea dinamica a caii de rulare mai solicitate (inelul interior). Ea se defineste ca sarcina la care 90% din rulmentii unui lot, în anumite conditii (sarcina constanta în intensitate, radiala pentru rulmenti radiali si radiali axiali sau axiala si centrata pentru rulemneti axiali si axiali-radiali) rezista la 10cicluri pentru inelul interior rotitor.

Capacitatea dinamica de baza se noteaza cu pentru rulmentii radiali, radiali-axiali sau oscilanti si cu pentru rulmentii axiali sau axiali-radiali, fiind data în tabele pentru fiecare rulment .

Capacitatea statica de baza, notata sau , este caracteristica vitezelor unghiulare foarte mici, miscarilor oscilatorii lente sau starii de repaus. Ea se defineste ca sarcina pur radiala pentru rulmentii radiali, pur axiala pentru rulmenti axiali, care provoaca o deformatie permanenta de 0,0001 din diametrul corpului de rostogolire, pe contactul cel mai solicitat.

2.5 Calculul sarcinii dinamice echivalente

Majoritatea rulmentilor pot prelua sarcini ce actioneaza dupa o directie oarecare, ce are o componenta radiala si una axiala . Pentru a putea compara comportarea rulmentilor n conditii diferite de sarcina, pentru a aprecia durabilitatea lor, este necesara definirea unei sarcini dinamice echivalente (notata n continuare cu P); aceasta reprezinta o sarcina pur radiala (pentru rulmentii radiali sau radiali-axiali) si pur axiala (pentru cei axiali sau axiali-radiali), constanta ca marime si directie, sub actiunea careia, durata de functionare nominala (estimata) ar fi aceeasi cu cea obtinuta n conditii de încarcare reala a aceluiasi rulment.

Daca reactiunile n reazem sunt numai radiale pentru rulmenti radiali si numai axiale pentru rulmenti axiali, atunci sarcina dinamica echivalenta se scrie:

(87a), (87b)

Pentru întelegerea notiunii de sarcina dinamica echivalenta se considera un rulment radial-axial. El poate prelua atât sarcini pur radiale cît si sarcini combinate (radiale si axiale). In Figura 47 s-a trasat curba fortelor combinate (radiale si axiale) ce provoaca n rulment un grad de oboseala identic (sau aceeasi durabilitate). Combinatia de sarcini ce caracterizeaza punctul provoaca asupra rulmentului, din punct de vedere al rezistentei la oboseala, acelasi efect ca forta pur radiala din punctul A sau forta pur axiala din punctul B. Pentru a determina rapid aceste echivalente, curba se aproximeaza cu doua segmente de pante diferite, AE si EB pentru care se pot scrie relatii de forma:

(88)

Valorile coeficientilor X si Y sunt dati n cataloage pentru fiecare tipo-dimensiune de rulment. Utilizarea uneia sau alteia din drepte pentru calculul sarcinii dinamice echivalente depinde de intersectia dreptelor (punctul E), adica de raportul dat în cataloage pentru fiecare tipodimensiune. De exemplu, în Fig. 47, pentru sarcina dinamica echivalenta se alege

daca

daca

În general, pentru , dreapta se apropie de o verticala si atunci si ; în concluzie, sarcina axiala, nedepasind o anumita valoare, nu afecteaza durabilitatea rulmentului.

În unele cataloage sau îndrumare de proiectare este data si o relatie de forma:

(89)

V este dat în functie de inelul care se roteste: daca se roteste inelul interior (caz mai des întâlnit în practica, folosit si la testarea rulmentilor si de aceea el nu este trecut în relatia (88)) si daca se roteste inelul exterior.

Relatiile pentru P se numesc ecuatii de catalog ale rulmentilor.

2.6 Ecuatia durabilitatii

Durabilitatea unui rulment se defineste ca fiind numarul de rotatii, cicluri sau numarul de ore de functionare pe care un rulment le poate suporta în anumite conditii de lucru, înainte ca sa apara primul semn de oboseala pe inele sau pe corpurile de rostogolire.

Durabilitatea de baza a unui rulment sau a unui set de rulmenti identici, functionând în aceleasi conditii, este acceptata de multe firme producatoare ca fiind cicluri sau rotatii, pentru o fiabilitate a lotului de 90%. Durabilitatea se noteaza cu sau (exprimata în ore si mai des întâlnita în tema de proiectare), indicele “10” reflectând nonfiabilitatea (diferenta dintre 100% si fiabilitatea impusa). Daca într-o tema de proiectare se cere o fiabilitate mai ridicata, pretul rulmentului va fi mai mare.

Durabilitatea rulmentilor depinde de durabilitatea ansamblului din care fac parte. Nu se adopta, în proiectare, durabilitati ale rulmentilor mai mari cu mult fata de cele ale ansamblului deoarece ar însemna o crestere a pretului fara o alta consecinta benefica. La utilaje complexe, ea se adopta astfel încât înlocuirea rulmentilor sa se realizeze la reparatiile capitale pentru a evita oprirea doar pentru schimbarea rulmentilor; la utilaje cu suprasarcini si socuri, proiectantul trebuie sa gândeasca la o solutie în care accesibilitatea la rulmenti sa fie usoara si la tehnologii rapide de înlocuire (metoda modulelor, dispozitive de montat si demontat).

Odata cu cresterea sarcinii dinamice echivalente se constata o scadere a durabilitatii:

(90)

Raportul se numeste durabilitate relativa (durabilitatile exprimate în aceleasi unitati de masura). Între durabilitatea exprimata în cicluri (rotatii) si cea exprimata în ore exista relatia:

    (91)

în care n este turatia de lucru a arborelui pe care se monteaza rulmentul, în rotatii pe minut.

Relatia dintre durabilitate, sarcina dinamica echivalenta si capacitatea dinamica de baza a unui rulment se numeste ecuatia durabilitatii si dar se foloseste de obicei sub forma

(92)

Relatia se foloseste pentru dimensionarea rulmentului daca se cunosc P si L. Pentru rulmentii ce functioneaza la temperaturi peste +150 C, se introduce un factor de temperatura ce mareste capacitatea dinamica de baza, necesara aplicatiei comparativ cu cea ceruta pentru o temperatura normala:

(93)

În relatiile (90)(93) exponentul p tine seama de tipul contactului: pentru rulmenti cu bile si pentru rulmenti cu role.

Un alt factor ce influenteaza durabilitatea unui rulment este jocul intern efectiv în exploatare; exista posibilitatea unui joc radial si/sau axial. Jocul intern initial (în stare nemontata) difera de cel efectiv; din cauza aplicarii sarcinii dar si a diferentei de temperatura dintre inele si mediul înconjurator, tolerantelor arborelui si carcasei etc. Daca nu se alege corect jocul intern, îndeosebi cel efectiv, durabilitatea scade, caldura în lagar creste, apar vibratii si un zgomot caracteristic.

Teoretic si având în vedere durabilitatea, jocul intern optim în functionare pentru orice rulment ar fi un joc zero sau foarte putin negativ (o strângere usoara) la temperatura de regim.

2.7 Alegerea tipului de rulment si de montaj

Alegerea tipului de rulmenti este conditionata de marimea si directia de actiune a sarcinii:

- pentru sarcini pur radiale se recomanda rulmentii radiali cu bile sau cu role, acestia din urma fiind preferati la forte mai mari pe lagar;

- pentru sarcini axiale se recomanda rulmentii axiali cu bile sau cu role, cu simplu efect (preiau sarcina numai dintr-o singura directie), sau cu dublu efect (preiau forte axiale în ambele sensuri, dar sunt mai scumpi);

- sarcinile radiale dar si cu componenta axiala mare sunt preluate de rulmenti radiali-axiali cu bile sau cu role conice, dar si de rulmenti oscilanti (mai scumpi), ultimii utilizându-se si ca element de preluare a eventualelor erori unghiulare de montaj si de functionare chiar daca sarcina are modul si directie constante fata de lagar.

- sarcinile cu componenta axiala mai mare decât cea radiala pot fi preluate de rulmenti axiali-radiali cu bile, cu role conice sau butoi dar au dezavantajul ca, din cauza fortelor centrifuge ce apar pe corpurile de rostogolire, nu pot functiona la turatii mari;

- sarcinile variabile ca directie impun rulmenti oscilanti, fie cu bile pentru module mici ale fortei, fie cu role butoi pentru valori mari ale ei.

Alte criterii care afecteaza alegerea tipului de rulmenti sunt:

- turatia; cei cu bile ating valorile cele mai mari, aproape 30 000 rotatii pe minut; rulmentii axiali nu sunt recomandati pentru turatii mari din cauza fortelor centrifuge ce actioneaza pe corpurile de rostogolire;

- precizia de montaj o ofera tot acestia, în plus si cei cu ace;

- rigiditatea este conferita de rulmentii cu role cilindrice sau butoi, cu atât mai mare daca se folosesc variante pe doua sau patru rânduri;

- rezistenta la soc este mai buna la rolele butoi si slaba pentru bile;

- coeficientul de frecare cel mai mic se obtine pentru rulmenti cu bile în ulei dar pentru majoritatea rulmentilor este de ordinul a ;

- posibilitatea unei pretensionari a rulmentului care sa elimine jocul intern.

a) în X (notat si DB, figura 51, figura 50a si figura 52a);

b) în O (sau DF, figura 51, figura 50b si figura 52c).

c) în tandem ca în figurara 52b.

Diametrele interioare si cele exterioare ale rulmentilor pot fi egale sau nu, functie de solutia adoptata; se prefera diametrele interioare si exterioare ale rulmentilor egale din motiv tehnologic: prelucrarea arborilor si a carcaselor este astfel mai ieftina, mai ales la gabarite mari. La rulmenti cu bile, directia reactiunilor coincide cu dreapta ce uneste umarul inelului interior cu umarul inelului exterior, dar la rulmentii cu role conice, directia rectiunii pe rulment este perpendiculara pe generatoarea conica a inelului interior.

Fig. 51

3 Ghidaje

3.1 Clasificare

Ghidajele sunt sisteme tehnice pentru sustinerea si deplasarea subsistemelor ce compun un aparat sau o masina. Teoretic, ele se compun dintr-un element fix numit suport sau batiu si un element mobil numit de obicei glisiera. În practica solutiile constructive sunt diverse si li se pot adauga sisteme de protectie, de ungere, de etansare etc. Clasificarea ghidajelor se face dupa tipul miscarii ce asigura deplasarea. Astfel, exista ghidaje cu alunecare si ghidaje cu corpuri de rostogolire.

3.2 Ghidaje de alunecare. Solutii constructive sunt date în figura 62:

a) ghidajele prismatice pot avea suprafetele active plane, asezate în triunghi, deschise sau închise, suporta sarcini mari, si jocul dintre piese se poate controla usor, prin suruburi sau elemente elastice;

b) ghidajele cu una sau ambele suprafete cilindrice, desi simple, nu au precizie ridicata si sunt sensibil influentate de variatia temperaturii;

c) ghidaj cilindric cu element elastic de mentinere a contactului, recomandat pentru sarcini si deplasari mici. Indiferent de solutie, suprafetele active sunt fin prelucrate; se recomanda .

Ghidajele cu alunecare sunt simplu de executat, au gabarit redus dar uzura este relativ mare în zonele de contact direct. Introducerea unui fluid sub presiune între cele doua suprafete poate micsora uzura si frecarea dar solutia tehnica se complica cu sistemul de ungere si cel de etansare. Dar ghidajele hidrostatice se folosesc mai rar, în special la solicitari mari, la masini-unelte de precizie sau la aparate mari cum ar fi telescoapele de precizie.