Procedura de calcul și selectare pentru construcțiile de laminoare în care un sistem cu arcuri elicoidale de compresie este încorporat în carcasă (soluție constructivă tradițională de laminor) este prezentată aici, având la bază un studiu de caz cu rulmentul TDIK standard. Scopul acestui articol este de a detalia procedura pentru a ajuta constructorii de laminoare, care solicită, uneori, informații despre selectarea arcurilor elicoidale atunci când proiectează laminoare noi, datorită relației funcționale strânse dintre aceste arcuri și rulmenți.
3. Studiu de caz Rulment TDIK standard
Studiul de caz cu rulmentul TDIK standard, sistem cu arcuri elicoidale încorporate în carcasă, este ilustrativ pentru o soluţie constructivă tradiţională de laminor, însă The Timken Company efectuează calcule similare și în cazul rulmenţilor TDIK cu sistem de arcuri elicoidale integrate în rulment. În continuare vom prezenta procedura de calcul și selectare a arcurilor de compresie.
3.1. Date de intrare
În acest studiu de caz, cilindrul de sprijin dintr-un laminor pentru aluminiu cu șase cilindri (6HI), nou proiectat, este prevăzut cu rulmenţi radiali cu role cilindrice pe patru rânduri (simbol 600RX2643) montaţi în poziţie radială și cu un rulment TDIK (simbol HM959740DW-HM959710) montat în poziţie axială. O secţiune prin rulmentului TDIK este prezentată în figura 5.
- FIGURA 5. Desen de secțiune prin rulmentul TDIK, simbol HM959740DW-HM959710
Sarcina de bază axială a rulmentului TDIK este Ca90 = 522000 N.
O secţiune prin fusul cilindrului de sprijin este prezentată în figura 6:
- FIGURA 6. Secțiune prin fusul unui cilindru de sprijin într-un laminor pentru aluminiu cu șase cilindri (6HI), nou
O secţiune de detaliu a unui arc elicoidal de compresie, montat și aflat în funcţionare (Detaliul A), este prezentată în figura 7.
Arcul elicoidal selectat implicit are rigiditatea K = 250 N/mm. Lungimea arcului în stare liberă este L0 = 30 mm, iar lungimea arcului blocat este LSH = 24 mm.
Date de intrare de proiectare:
- Adâncime a găurii înfundate de arc în carcasă, LA: 36 mm
- Lungime inel de reţinere a arcului, LR: 7 mm
- Distanţa de tensionare prin compresie a arcului, X2: 1,7 mm
- Grosimea capului pistonului de compresie, LH: 2 mm
- Interstiţiu între faţa inelului exterior și carcasă, LG: 0,3 mm
- FIGURA 7. Detaliul A, arc elicoidal de compresie, în funcționare
3.2. Procedura de calcul
a) Calculul forţei dorite de compresie a arcului pentru a pretensiona rândul de role neîncărcate
1. Mai întâi se calculează masa cumulată M (kg) a inelului exterior care trebuie pretensionat și cea a rolelor și coliviei aferente:
M = masa inelului exterior + masa rolelor + masa coliviei = 22 + 16 + 2 = 40 Kg
Presupunem că masa cumulată M (masa inelului exterior + masa rolelor + masa coliviei) reprezintă o treime din masa rulmentului (vezi datele din catalog), dacă masele individuale ale inelului exterior, rolelor și coliviei nu se cunosc.
2. Apoi este calculată forţa gravitaţională W (N) aferentă masei cumulate a inelului exterior, rolelor și coliviei aferente:
W = Mx9,81 = 40x9,81 = 392,4 [N]
3. Se recomandă ca forţa dorită de compresie a arcului RSF (N) să fie de 10 ori mai mare decât forţa gravitaţională W calculată anterior (o linie directoare bazată pe experienţa practică în domeniu) și este calculată astfel: RSF = Wx10 = 10x392,4 = 3924 [N]
b) Forţa dezvoltată de un arc implicit selectat (tensionat)
Fu = KxXn = 250 x 4,7 = 1175 [N]
unde K = rigiditatea resortului = 250 N/mm, iar Xn = distanţa nominală pentru comprimarea arcului la lungimea Ln.
c) Determinarea numărului de arcuri necesare, n
n = RSF/Fu = 3924/1175 = 3,3
Așadar, proiectantul va alege n = 4 arcuri.
d) Forţa totală a sistemului de arcuri
Forţa totală a sistemului de arcuri se calculează prin înmulţirea forţei unui arc cu numărul de arcuri determinat anterior:
F = Fuxn = 1175x4 = 4700 [N]
Calcule de proiectare:
- Lungime nominală a arcului în stare montată, Ln = LA- LR- X2- LH= 36 - 7 - 1,7 - 2 = 25,3 mm
- Distanţa nominală necesară pentru comprimarea arcului la lungimea Ln, Xn = L0- Ln = 30-25,3 = 4,7 mm
- Verificare pentru evitarea blocării arcului: Ln > LSH ↔ 25,3 > 24 mm (verificat)
e) Verificarea raportului dintre forţa totală a sistemului de arcuri și sarcina de bază axială Ca90 a rulmentului
r = F/Ca90 = 4.700/522.000 = 0,9% (acceptabilă, din moment ce 0,9% < 2%)
Forţa totală a sistemului de arcuri trebuie menţinută la o valoare mai mică de 2% din Ca90 pentru a evita aplicarea unei încărcări suplimentare pe rândul de role pretensionat și reducerea, astfel, a duratei de viaţă a rulmentului L10.
4. Rezumat şi concluzii
The Timken Company a dezvoltat o nouă versiune de rulment TDIK, care folosește un sistem de arcuri integrate în rulment. Sistemul de arcuri integrate ale rulmentului dezvoltă o forţă axială corespunzătoare, suficientă pentru a pretensiona rândul de role neîncărcat din rulment. Această soluţie constructivă este adecvată pentru laminoare noi, pentru a simplifica construcţia acestora, dar poate fi adaptată și la laminoarele existente.
Noua construcţie de rulment TDIK cu arcuri elicoidale integrate în rulment prezintă două avantaje principale, comparativ cu soluţia (tradiţională) cu rulment TDIK pretensionat cu arcuri elicoidale montate în carcasă:
1. Montarea pieselor conjugate rulmentului (carcasă, capace) este simplificată deoarece nu mai este nevoie de inserarea arcurilor elicoidale în carcasă sau în capacul acesteia, fapt ce reduce la minimum posibilitatea de a pierde sau deteriora arcurile elicoidale separate, necesare pentru rulmentul TDIK standard.
2. Specificaţiile tehnice referitoare la arcurile elicoidale și la asamblarea acestora sunt gestionate de producătorul rulmentului (rezultând un reper mai simplu de asamblat pentru constructorul de laminor).
Procedura de calcul și de selectare ale sistemului de arcuri elicoidale de compresie integrate a fost prezentată în studiul de caz, în secţiunea 3. Calculul și selectarea sistemului de arcuri sunt solicitate frecvent de către clienţii Timken pentru laminoare noi; chiar și în cazul utilizării soluţiei constructive tradiţionale în care sistemul de arcuri elicoidale de compresie este încorporat în carcasă, deoarece parametrii de proiectare ai arcurilor influenţează performanţa rulmentului.
Scopul acestei prezentări este de a oferi asistenţă constructorilor de laminoare la selectarea arcurilor elicoidale de compresie corectă.
