Cercetari Privind Ingineria Rulmentilor

7/25/2019 Cercetari Privind Ingineria Rulmentilor

1/74

Universitatea Transilvania din BraovFacultatea tiina i Ingineria MaterialelorCatedra Ingineria Materialelor i Sudrii

Ing. Sorin Adrian BARABA

CERCETRI PRIVIND INGINERIARULMENILORDE MARI DIMENSIUNI

CU SCOPUL REDUCERII MASELOR INERIALEI A SPORIRII EFICIENEI N EXPLOATARE

RESEARCHES REGARDING LARGE BEARINGS

ENGINEERING TO MINIM IZE THE INERTIAL MASSAND TO INCREASE THE EFFI CIENCY IN SERVICE

Rezumatul tezei de doctorat

Conductor tiinificProf. Univ. Dr. Ing. Cornel Eugen ERBAN

Braov2010


2/74

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRIITINERETULUI I SPORTULUIUNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVBRAOV, B-dul EROILOR, Nr. 29, Cod 500036

Tel. 0268413000, Fax. +40-0268410525

Dnei/lui.................................................................................................

COMPONENAComisiei de doctorat

Numit prin Ordinul Rectorului Universitii Transilvania din BraovNr. 4158 din 23.07.2010

PREEDINTE

Prof. Univ. Dr. Ing. Mircea Horia IEREANDecan - Facultatea de tiina i Ingineria MaterialelorUniversitatea Transivania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC

Prof. Univ. Dr. Ing. Cornel Eugen ERBANUniversitatea Transilvania din Braov

REFERENI TIINIFICI

Prof. Univ. Dr. Ing. Rami ABANUniversitatea Politehnica din Bucureti

Prof. Univ. Dr. Ing. Maria NICOLAE

Universitatea Politehnica din Bucureti

Prof. Univ. Dr. Ing. Vasile LUCA

Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat:30 septembrie 2010, ora 18, Colina Universitii, sala I1.6

Eventualele aprecieri i observaii asupra lucrrii, v rugm s le transmitei n

timp util, pe adresa Universitii Transilvania din Braov, Facultatea detiina i Ingineria Materialelor, Catedra de Ingineria Materialelor i Sudrii.


3/74

1CERCETRI PRIVIND INGINERIA RULMENILOR DE MARI DIMENSIUNI CU SCOPUL REDUCERII MASELOR INERIALE

I A SPORIRII EFICIENEI N EXPLOATARE

Sorin Adrian Baraba

CUPRINS

INTRODUCERE......................................................................................

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND INGINERIARULMENILOR DE MARI DIMENSIUNI.............................................

1.1. Domenii de utilizare.................................................................1.1.1.Rulmeni mari utilizai la centrale eoliene.................

1.1.2.Rulmeni mari folosii n transporturi........................1.2. Generaliti..............................................................................

1.2.1.Montaje cu rulmeni...................................................1.2.2.Ajustaje i tolerane pentru lagrele cu rulmeni......

1.2.3.Reglarea jocului din rulmeni....................................1.2.4.Lubrifierea rulmenilor..............................................1.2.5 Tipuri constructive de rulmeni mari..........................

1.3. Geometria rulmenilor cu role de mari dimensiuni.................

1.4. Concluziii direcii de cercetare.............................................1.4.1. Concluzii....................................................................1.4.2. Stabilirea direciilor de cercetare..............................

CAPITOLUL 2ELEMENTE TEORETICE DE CINEMATICA RULMENILOR DEMARI DIMENSIUNI.................................................................................

2.1. Tipuri de micare rol-elemente de rulare..............................2.2.Micarea de rostogolire simpl...............................................

2.3. Micarea de rostogolire cu alunecare....................................

2.4. Micarea de rostogolire cu pivotare.......................................

2.5. Viteze ntre corpurile n contact...............................................

2.6. Raportul dintre aria de contact i aria de frecare...................

2.7. Concluzii..................................................................................

CAPITOLUL 3ELEMENTE TEORETICE DE DINAMIC A RULMENILOR DE

MARI DIMENSIUNI.................................................................................3.1.Distribuia forelor la rulmentul cu role cilindrice................3.2.Distribuia forelor la rulmentul cu role conice.....................

3.3.Distribuia forelor la rulmentul cu role sferice.....................

3.4.Distribuia forelor n cazul micrii de rotaiecu excentric..

3.5. Capacitatea de ncrcare i durabilitatea rulmenilor............

3.5.1. Teoria Lundberg-Palmgren.......................................3.5.2. Teoria Ioannides-Harris............................................3.5.3. Teoria Zaretsky..........................................................3.5.4.Durabilitatea rulmenilor mari..................................

3.6. Concluzii..................................................................................

7

8

8

8

10

12

1414

14

16

16

16

19

2020

21

22

24

24

7

8

8

8

13

17

19

23

24

25

31

36

4545

46

47

4748

51

55

57

59

60

6162

65

66

67

69

7274

76

79

84


4/74



Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 4CONTACTUL ROL - CI DE RULARE..............................................

4.1 Geometria contactului rol-elemente de rulare.......................4.2. Calculul contactului n cazul nealinierii rolei..........................

4.3. Starea tensiunilor i deformaiilor n zona de contact.............

4.3.1.Distribuia tensiunilor pe suprafaa de contact..........

4.3.2.Modelul de calcul al contactului rol-ci de rulare...

4.3.3.Rezolvarea discret a contactului rol -ci de rulare

4.3.4.Distribuia tensiunilorn cazul contactului rol

cav-inel interior........................................................

4.4.Modelri dinamice ale contactului rol - inel interior.

Soluia propus pentru reducerea maselor ineriale...............4.4.1.Analiza tensiunilor Von Mises cu ajutorul

software-ului Solidworks i Abaqus...........................

4.4.2.Modelul elaborat pentru studiul rolelor cilindrice.....

4.5.Modelul analitic rol-inel.........................................................4.6. Concluzii...........................................................................................

CAPITOLUL 5

MATERIALE FOLOSITE N CONSTRUCIA DE RULMENIDE MARI DIMENSIUNI..................................................................

5.1. Caracteristici de calitatate cerute oelurilor pentru rulmeniide mari dimensiuni...................................................................

5.1.1. Cerine generale.........................................................

5.1.2. Oeluripentru rulmeni..............................................5.1.3. Oeluri de carburare.................................................

5.1.4. Oeluri de carbonitrurare i clire superficial........

5.1.5. Incluziuni nemetalice.................................................

5.1.6. Coninutul n gaze......................................................5.2. Clibilitatea..............................................................................

5.2.1. Clibilitatea miezului..................................................

5.2.2. Clibilitatea stratului..................................................

5.3. Caracteristicile mecanice minime i diagrama de

transformare la rcire continu...............................................

5.4.Deformarea plastic la cald i tratamentul termic preliminar5.5. Concluzii...................................................................................

CAPITOLUL 6ANALIZA TENSIUNILOR APRUTE N ROLELE RULMENILORDE MARI DIMENSIUNI FOLOSIND METODA ELEMENTULUIFINIT..........................................................................................................

6.1.Elemente de teorie ale analizei prin metoda elementului finit.

6.2.Algoritmul de calcul prin metoda elementului finit..................

6.3.Analiza contactului la rulmentul de dimensiuni mari..............

6.3.1. Etapele parcurse pentru realizarea calculului prinmetoda analizei cu element finit.................................

2525

26

27

28

28

30

31

32

35

36

36

3738

39

8585

86

87

88

89

91

94

94

95

97

99

101

102

102

102

104106

108

109

111

112

112

112

114

115117

118118

120

124

12


5/74



Sorin Adrian Baraba

6.4Rezultate obinute folosind analiza cu element finit..................

6.4.1.Rulment radial cu role cilindrice pline.......................6.4.2.Rulment radial cu role cilindrice cave cu Di=60mm..

6.4.3.Rulment radial cu role cilindrice cave cu Di=80mm..6.4.4.Rulment radial cu role cilindrice cave cu Di=90mm..6.4.5.Rulment radial cu role cilindrice cave cu Di=100mm

6.5.Interpretarea rezultatelorconcluzii.......................................

CAPITOLUL 7STUDIUL TRATAMENTULUI TERMOCHIMIC DE CARBURAREADNC APLICATRULMENILOR DE MARI DIMENSIUNI.........

7.1. Consideraii generale...............................................................7.1.1. Procesul tehnologic....................................................

7.1.2. Elemente teoretice......................................................

7.2. Cercetri n domeniul carburrii adnci.................................

7.2.1. Determinarea experimental a curbelor de duritate

n stratul carburat......................................................

7.2.2. Cercetarea microscopic a structurii stratului

carburat......................................................................

7.2.3. Compoziia i adncimea stratului carburat.............

7.2.4. Rolul carburilor de tranziie......................................7.2.5. Austenita rezidual i carburile grosolane................

7.2.6. Tensiunile remanente.................................................

7.2.7. Simularea prin metoda analizei de element finit atensiunilor remanente n stratul carburat..................

7.3. Concluzii..................................................................................

CAPITOLUL 8CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUII PERSONALE IDIRECII VIITOARE DE CERCETARE................................................

8.1. Concluzii generale...................................................................

8.2. Contribuii personale...............................................................

8.3. Direcii de continuare a cercetarilor.......................................

BILBLIOGRAFIE..........................................................................................

40

43

46

46

49

50

57

5859

60

60

60

63

64

128

128132

136

139

142

146

149

149

150

153

160

161

168

169

170

171

172

173175

176

176

176

179

180


6/74

4RESEARCHES REGARDING LARGE BEARINGS ENGINEERING TO MINIMIZE THE INERTIAL MASS AND TO INCREASE

THE EFFICIENCY IN SERVICE

Sorin Adrian Baraba

CONTENTS

INTRODUCTION....................................................................................

CHAPTER 1

CURRENT STAGE OF THE STUDIES REGARDING LARGEBEARINGS ENGINEERING....................................................................

1.1. Use areas..................................................................................1.1.1. Large bearings used to wind power systems..............

1.1.2. Large bearings used in transports.............................1.2. Generalities..............................................................................

1.2.1. Montages with large bearings...................................1.2.2. Fits and tolerances for bearings................................

1.2.3. Clearance adjustment of bearings............................1.2.4. Bearings lubrication..................................................1.2.5 Construction types of large bearings..........................

1.3. Large roller bearings geometry ..............................................

1.4. Conclusions and research direction........................................1.4.1. Conclusions................................................................1.4.2. Establish research directions.....................................

CHAPTER 2KINEMATICS THEORETICAL ELEMENTS OF LARGEBEARINGS................................................................................................

2.1. Motion types of roller-rolling elements....................................2.2. Simple rolling motion...............................................................

2.3. Rolling sliding motion.............................................................

2.4. Rolling with rotation motion...................................................

2.5. Speed between elements in contact..........................................

2.6. Relationship between contact area and friction area..............

2.7. Conclusions..............................................................................

CHAPTER 3DYNAMICS THEORETICAL ELEMENTS OF LARGE

BEARINGS ...............................................................................................3.1. Force distribution in cylindrical roller bearing.......................3.2. Force distribution in tapered roller bearing............................

3.3. Force distribution in spherical roller bearing.........................

3.4. Force distribution in rotating eccentric case...........................

3.5. Load capacity and durability of bearings................................

3.5.1. Lundberg-Palmgren theory........................................3.5.2. Ioannides-Harris theory.............................................3.5.3. Zaretsky theory...........................................................3.5.4. Large bearings durability..........................................

3.6. Conclusions..............................................................................

7

8

8

8

10

12

1414

14

16

16

16

19

2020

21

22

24

24

7

8

8

8

13

17

19

23

24

25

31

36

4545

46

47

4748

51

55

57

59

60

6162

65

66

67

69

7274

76

79

84


7/74



Sorin Adrian Baraba

CHAPTER 4ROLLERROLLING ELEMENTS CONTACT.....................................

4.1 Contact geometry of rolling- elements......................................

4.2. Contact for roller misalignment...............................................

4.3. Stress and deformations in the contact area............................

4.3.1. Stress distribution on contact surface.......................

4.3.2. Calculation model of rolling contact.........................

4.3.3. Discrete solution of rolling contact...........................

4.3.4. Stress distribution for the hollow roller-inner ring

contact........................................................................

4.4. Dynamic modeling of roller-inner ring contact.

The proposed solution for reducing inertial mass...................

4.4.1. Von Mises stress analysis using Solidworks and

Abaqus software...................................................................

4.4.2. The model developed to study cylindrical roller........

4.5. The analytical model roller-inner ring....................................

4.6. Conclusions..............................................................................

CHAPTER 5MATERIALS USED IN THE CONSTRUCTION OF LARGEBEARINGS................................................................................................

5.1.Steel quality required for materials of large bearings..............

5.1.1. General requirements................................................

5.1.2. Bearings steels...........................................................

5.1.3. Carburizing steels......................................................5.1.4. Carbonitriding and surface hardening steels............

5.1.5. Nonmetallic inclusions...............................................

5.1.6. Gas content................................................................

5.2. Hardening................................................................................

5.2.1. Core hardening..........................................................

5.2.2. Layer hardening.........................................................

5.3. Minimum mechanical properties and the continuous cooling

transformation diagram..........................................................

5.4. Hot plastic deformation and preliminary heat treatment........

5.5. Conclusions..............................................................................

CHAPTER 6STRESS ANALYSIS OF LARGE BEARINGS ROLLERS USINGFINIT ELEMENT METHOD ...................................................................

6.1. Elements of theory of finite element analysis method..............

6.2. Algorithm for finite element method........................................6.3. Contact analysis at large bearing............................................

6.3.1. Steps to carry out the calculation by finite element

analysis method...........................................................

2525

26

27

28

28

30

31

32

35

36

36

37

38

39

8585

86

87

88

89

91

94

94

95

97

99

101

102

102

102

104

106108

109

111

112

112

112

114

115

117

118

118

120124

124


8/74



Sorin Adrian Baraba

6.4Results obtained using finite element analysys.........................

6.4.1.Radial bearing with solid roller..................................6.4.2.Radial bearing with hollow roller, Di=60mm............

6.4.3.Radial bearing with hollow roller, Di=80mm............6.4.4.Radial bearing with hollow roller, Di=90mm............6.4.5.Radial bearing with hollow roller, Di=100mm..........

6.5. Interpretations of resultsConclusions..................................

CHAPTER 7STUDY OF DEEP CARBURIZING HEAT TREATMENT APPLIEDTO LARGE BEARINGS...........................................................................

7.1. General considerations............................................................

7.1.1. Technological process................................................

7.1.2. Theoretical elements..................................................

7.2. Researches in deep carburizing domain..................................

7.2.1. Experimental determinations of hardness curves of

carbide layer...............................................................

7.2.2. Microscopic structure research of carbide layer.......7.2.3. Compozition and depth of carbide layer....................

7.2.4. Role of carbides transition.........................................

7.2.5. Residual austenite and coarse carbides.....................

7.2.6. Residual stresses........................................................

7.2.7. Simulation by finite element method of residual

stress in carbide layer................................................

7.3. Conclusions..............................................................................

CHAPTER 8GENERAL CONCLUSIONS, PERSONAL CONTRIBUTIONS ANDFUTURE DIRECTIONS OF RESEARCHES...........................................

8.1. General conclusions.................................................................

8.1. Personal contributions.............................................................

8.2. Future directions of researches...............................................

REFERENCES.........................................................................................

40

43

46

46

49

50

57

58

59

60

60

60

63

64

128

128132

136

139

142

146

149

149

150

153

160

161

168169

170

171

172

173

175

176

176

176

179

180


9/74



Sorin Adrian Baraba

INTRODUCERE

Motivaia tematicii tezei de doctorat

Scopul acestei teze de doctorat se nscrie n dezvoltarea domeniilor n careRomnia are interes s desfoare activiti de cercetare tiinific cu reale contribuiila creterea calitii cunoaterii, la dezvoltarea tehnic i tehnologic i lambuntirea calitii vieii, direcia principal de aciune fiind cercetarea tiinificexploratorie cu rezultate n aplicabilitatea practic.

Obiectivul general al cercetrii este reprezentat de creterea fiabilitii nexploatare a rulmenilor de mari dimensiuni prin reducerea maselor ineriale n situaiaimplementrii n ara noastr a unui parc de centrale eoliene conform cerineloreuropene. Soluiile de folosire a rulmenilor hibrizi cu materiale sinterizate nu se potaplica dect la rulmenii mici sau normali. Pentru rulmenii de mari dimensiuni foreleineriale i centrifuge reprezint o problem important ce conduce la uzarea rapid asubansamblelor aflate n contact.

Lucrarea de fa i propune s studieze i s rezolve reducerea acestor maseineriale iar soluia propus este folosirea de role tubulare. Cercetarea demonstreaz

posibilitile tehnologice i a avantajele economice ce decurg din aplicabilitateasoluiei propuse. Consultnd literatura de specialitate i fcnd explorri pe internet,nu au fost gsite informaii ale altor autori legate de rezolvarea problemei prinfolosirea de role tubulare la rulmenii mari. Rezult, astfel, caracterul original altematicii abordate.

Metodica cercetrii propuse

Lucrarea de fa i propune studierea comportamentului rulmenilor mariprevzui cu role tubulare, studiul geometriei constructive a rolelor i studiulcomparativ al calitii rolelor supuse tratamentelor termice. n urma experienelor icomparaiilor s-au tras concluzii, att teoretice ct i practice care s conduc ladezvoltarea i perfecionarea acestei tehnologii i s produc transformrifavorabile n producia de rulmeni de mari dimensiuni.

Cercetrile au un caracter interdisciplinar mbinnd aprofundarea unor cunotinedin domeniile: metalurgie fizic, tratamente termice, fizica solidului, teoriacontactului, mecanic aplicat, organe de maini, ncercri mecanice, informaticaplicat. Finalitatea lucrrii s-a concretizat prin brevetarea soluiei propuse.Colaborarea cu ntreprinderea INA Schaeffler i Bodycote Braov s-a fcut n bazaunui protocol stabilit prin care au fost folosite utilaje sau aparatura din dotare.

Doresc s aduc mulumiri deosebite domnului profesor universitar doctor inginerCornel Eugen erban, conductorul tiinific al tezei de doctorat pentru sprijinulacordat permanent de-a lungul ntregii perioade de elaborare a lucrriiprin ndrumrii recomandri de un nalt profesionalism.De asemenea mulumesc domnului profesoruniversitar doctor inginer Vasile Lucapentru ndrumrilei utilele orientri acordate.

Doresc s mulumesc Comisiei de Doctorat, comisiilor avute la analizarapoartelor i ntregii catedre I.M.S. a Universitii Transilvania Braov pentrutimpul acordat prin studiul i aprecierile fcute asupra tezei de doctorat.


10/74

8CERCETRI PRIVIND INGINERIA RULMENILOR DEMARI DIMENSIUNI CU SCOPUL REDUCERII MASELOR INERIALE


Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND INGINERIARULMENILOR DE MARI DIMENSIUNI

1.1

Domenii de utilizare

Rulmenii de mari dimensiuni se folosesc n numeroase domenii industriale,cum ar fi: producerea energiei electrice (intr n componena centralelor eoliene),domeniul transporturilor (naval, feroviar, aeronautic), n construcii (ansamblurirotative), n cercetare (observatoare astronomice), n construcia de maini-unelte(mese rotative, centre de prelucrare). Este interesant de artat c n condiiile crizeifinanciar-economice care a debutat la sfritul anului 2008, producia de rulmeni maris-a meninut sau chiar a crescut la nivel mondial, naional i local. Astfel, INA

Schaeffler, una din ntreprinderile braovene cu care s-a colaborat n efectuareatestelor, a reuit s menin un numr de angajai de aproximativ 3500 oameni, ncondiiile n care producia de piese auto a sczut, tocmai prin mrirea produciei derulmeni mari, ce se bazeaz n special pe producia de centrale eoliene[174].

1.1.1 Rulmeni mari utilizai la centrale eoliene

Energia eolian este folosit extensiv n ziua de astzi i turbine noi de vnt seconstruiesc n toata lumea, energia eolian fiind sursa de energie cu cea mai rapidcretere n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest

procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice.n ansamblu, UE i-a propus ca, pn n 2020, 20% din consumul su total deenergie sprovin din resurse regenerabile. Romnia a agreat aceast int, ca statmembru al Uniunii Europene. Ca o consecin, pn n 2020, Romnia va trebui screasc ponderea surselor regenerabile n consumul naional de energie, de la nivelulde 17,8% nregistrat n 2005, la 24%. n cazul n care Romnia nu i atingeobiectivele asumate, UE va declanaprocedura de infringement,procedura privindconstatarea nclcrii de ctre un stat a nendeplinirii unei obligaii ce i revine ncalitate de stat membru[156].

Fig. 1.3.Rulmenii mari folosii n construcia centralei eoliene Mitsubishi

MWT62/1.0 a Rulmentul axului rinci al b Rulmentul alei


11/74



Sorin Adrian Baraba

F ig. 1.4.Sistemele de rotaie: rotor, pal,

pivotare, prevzute cu rulmeni mari

Cantitatea de energie electricprodus de o instalaie eoliandepinde de tipuli de dimensiunile turbinei i de amplasamentul instalaiei. La viteze joase nu se

produce energie electric. De laBeaufort 2 (aproximativ 3 m/s) nsus, turbina furnizeaz putereamaxim. La o vitez a vntului de

peste 25 m/s turbinele au fostproiectate ca s se blocheze i s sefrneze ntr-un mod controlat pentrua se evita suprancrcarea i avariereainstalaiei turbinei sau a construciei.Ultimele realizri sunt echipate cudispozitiv de control al unghiului denclinare care modific unghiul paleirotorului n condiii de vremenefavorabil.[34]

Turbinele eoliene suntechipate cu un sistem de siguranrobust incluznd un sistemaerodinamic de blocare. n cazuri de

pericol sau pentru oprirea necesarmentenanei se folosete un disc de

blocare.

Rezultatul const n faptul c puterea poate fi generat chiar n condiii devreme rea. n timpul furtunilor puternice este totui necesar s se blocheze turbina.

Reiese clar c reducerea forelor ineriale n sistemul centralelor eoliene estebenefic, conducnd la porniri i frnri mult mai precise i la micorarea uzriipieselor aflate n micare. n acest context, reducerea maselor ineriale la rulmenii demari dimensiuni ce sunt amplasai n sistemul de rotaie al palelor i care se rotescodat cu acestea, este evident, pe lng importantele reduceri de material,determinnd i mrirea duratei de via a rulmenilor prin micorarea uzrii acestora.

Influena maselor ineriale n construcia turbinei eoliene, implicit n

construcia rulmenilor de mari dimensiuni este studiat de Song, Dhinakaran iBao.[132]Dinamica unui sistem de conversie a energiei vntului n electricitate este dat

de urmtoarele relaii [36]:

TR-TCV1= JR (1.1)

i

TCV2-TG= JG (1.2)

unde TReste momentul de torsiune al rotorului;

TCV1- momentul la intrarea n cutia de vitez;TCV2 - momentul la ieirea din cutia de vitez;


12/74



Sorin Adrian Baraba

TG- momentul la ieirea din generator;JR- momentul de inerie al rotorului;JG- momentul de inerie al rotorului;

- viteza de rotaie a axului principal;

- viteza de rotaie a arborelui de vitez mare;

BR i BG- constante de frecare n sistemul rotor igenerator.Din (1) reiese:

(1.3)Relaia (1.3) conduce la concluzia evident a importanei micorrii

momentului de inerie al rotorului, implicit al maselor ineriale ale acestuia, fapt ce vaconduce direct la mrirea vitezei de rotaie a axului principal, deci va permite pornireamai rapid a centralei eoliene la o vitez mai mic a vntului. Unul din mijloacele prin

care putem micora momentul de inerie este acela dat de micorarea maselor inerialedeci prin micorarea masei rulmenilor aflai n sistemul de rotire al palelor.

Romnia are cel mai ridicat potenial din sud-estul Europei n domeniulenergiei eoliene, sud-estul Dobrogei plasndu-se chiar pe locul al doilea la nivelulntregului continent, relev un studiu Erste Group.

Potenialul eolian al Romniei este estimat la14.000 MW capacitate instalat,ns ara noastr dispune deocamdat de doar 7 MW instalai n turbine eoliene.Potrivit unui studiu al Institutului Romn pentru Energie (IRE), sectorul energieieoliene ar putea contribui cu 13 TWh la necesarul naional anual n 2020, scenariucare ar implica dezvoltarea de capaciti de producie complementare, bazate pe

turbine care s dezvolte pn la 15 TWh. [152]

1.1.2. Rulmeni mari folosii n transporturi

a) Transporturi feroviare.

Rulmenii folosii n transporturi feroviare au n general dimensiuni care ajungla diametrul exterior de 400 mm.

Fig.1.7.Rulmeni folosii n transporturi feroviare


13/74



Sorin Adrian Baraba

Componena unor astfel de rulmeni se poate observa n fig.1.7 i 1.8

Fig.1.8.Rulmeni folosii n transporturi feroviare

Apariia vibraiilor conduce la deplasarea axei de rotaie a arborelui fiindnsoit de deplasrile corespunztoare ale centrului de greutate al piesei n rotaie,ceea ce duce la apariia forelor de inerie, ale cror componente sunt determinate subforma general, de urmtoarea relaie:

Fi= mr2sint (1.4)

unde Fieste fora de inerie;m - masa rulmentului;r - distana pe care se produce deplasarea centrului de greutate;-componenta vitezei unghiulare determinat de frecvena vibraiei.

n cazul diametrelor interioare egale, rulmenii din seria mijlocie au niveluri dezgomote i vibraii mrite n comparaie cu rulmenii din seria uoar, ceea ce seexplic prin mrirea greutii corpurilor de rulare. O cretere analog se constat latrecerea de la seria mijlocie la cea grea[8]..

Un alt factor important n micorarea vibraiilor este aa cum s-a artat necuaia (1.4), micorarea forelor ineriale, implicit a maselor ineriale. Existenaforelor ineriale conduce la mrirea momentelor de inerie. Relaia dintre forele deinerie i vibraii care apar ntr-un rulment a fost studiat i exemplificat stabilindu-seapmplitudinea vibraiilor.[130], [66], [137]:

(1.5)


14/74



Sorin Adrian Baraba

unde p i h sunt coeficieni de elasticitate, respectiv amortizare;m - masa rulmentului;r - distana pe care se produce deplasarea centrului de greutate; - componenta vitezei unghiulare determinat de frecvena vibraiei.Din relaia (1.5) se poate deduce proporionalitatea amplitudinii vibraiilor cu

masa sistemului vibrator.Cteva tipuri de montaje, realizate la Timken Ploieti, ale acestor rulmeni sunt

prezentate n figura 1.9.[162]

Fig.1.9.Montaje cu rulmeni grei Timken n domeniul feroviar (Global Rail

Application-Timken Company)

1.3 Geometria rulmenilor cu role de mari dimensiuni

Elementele geometrice ale rulmenilor de mari dimensiuni cu role influeneazdecisiv durata acestora de via,rezistena la oboseal,capacitatea de ncrcare, vitezade funcionare, vibraiile, forelede frecare, regimul termic,fiabilitatea.

Rolele din figura 1.34

prezint dou soluii constructiveutilizate n cazul contactelor Fig.1.34.Role cu profil modificat, logaritmic isferic.


15/74



Sorin Adrian Baraba

liniare modificate. Unghiul de contact la aceti rulmeni este nul i nu este influenatde jocul diametral. Eventualele fore axiale sunt preluate de umerii de ghidare.

Variante constructive de role[149] i tipuride contact dintre rol i inelesuntexemplificate n fig.1.35.

n figura 1.35 se pot observa ncrcrile de capt ce apar la o rol cu profilcilindic drept (a), micorarea i atenuarea ncrcrilor de capt pentru role cilindricecu profil ascuit i logaritmic (b,c) i dispariia ncrcrilor la capetele rolei pentru

profilul sferic (d).Dezechilibrul dinamic al rulmentului poate fi

caracterizat cantitativ prin produsul[42]:Dz= me (1.21)unde: meste masa rulmentului;

e excentricitatea centrului de greutate fade axa geometric;(fig.1.38)

Dz poate fi ntr-adevar considerat ca mrimece caracterizeaz dezechilibrul dinamic alrulmentului ntruct fora centrifug produs larotirea unui corp este:

Fc= m2

(1.22)n care este viteza unghiular de rotaie.

Fig. 1.35.Tipuri de contacte Hertziene dup profilul rolei a)- rol cu profil plan;

b)- rol cu profil ascuit; c)- rol cu profil logaritmic ; d)- rol cu profil sferic

F ig. 1.38.Apariia

excentricitii n cazuljocurilor la rulmenii cu role


16/74



Sorin Adrian Baraba

Cu ct dezechilibrul Dzeste mai mare, cu att fora centrifug este mai mare laaceeai vitez unghiular. Dezechilibrul Dz se poate folosi drept mrime decomparaie pentru calitatea echilibrrii rulmenilor de acelai fel, adic avnd aceeaiform, aceleai dimensiuni, acelai material i, implicit, aceeai mas i distribuie aacesteia.

1.4. Concluzii i direcii de cercetare

1.4.1. Concluzii

a) S-a realizat un studiu de sintez a domeniilor de utilizare a rulmenilor demari dimensiuni care trateazaspecte legate de rolul pe care l au rulmenii n cadrulfiecrui ansamblu folosit, evideniindu-se cerina major pe piaa energetic i atransporturilor n condiii dificile de temperaturi nalte, medii corozive, mediu

magnetic sau electric etc.b) S-au trecut n revistprincipalele probleme care pot aprea n funcionarearulmenilor din oel, s-au subliniat modurile de montare i s-au sintetizat principalelemetode de ungere i lubrifianii adecvai pentru diferite condiii de exploatare alerulmenilor de mari dimensiuni.

c) Rulmenii care funcioneaz la eforturi considerabile se distrug datoritfenomenelor dinamice care se produc ntre elementele acestora. Principalul avantaj alreducerii maselor ineriale l reprezint scderea forelor centrifuge care acioneazasupra rulmentului. Se obine astfel o scdere important a pierderilor prin frecare iatemperaturii dezvoltate n rulmeni.

d) S-au trecut n revist principalele modele constructive de rulmeni mari,subliniindu-se caracteristicile i utilitatea fiecrui model.e) S-a studiat comportarea tribologic i geometria rulmenilor mari, punndu-

se accent pe elementele de rulare, contactul rol-cale de rulare i forma constructiv arolelor.

1.4.2. Stabilirea direciilor de cercetare

n domeniul rulmenilor de dimensiuni mari, la nivel mondial, studiile aunceput relativ trziu (1970 1975), comparativ cu studiile desfurate n domeniul

rulmenilor obinuii de dimensiuni mici i medii. n rile cu tradiie n producerearulmenilor (S.U.A., Japonia i Germania), cercetrile cu privire la rulmenii mari aucunoscut o mare amploare n special n ultimul deceniu. n cea mai mare parte,rezultatele cercetrilor efectuate sunt confideniale, marile firme productoare derulmeni mari (SKF, FAG, NSK, KOYO etc.) publicndu-le mai mult cu caracter dereclam.

Forele ineriale la rulmenii de dimensiuni mici i medii nu au avut efectelenegative pe care le au la rulmenii de dimensiuni mari, n ara noastr existndcercetri puine efectuate pe aceast tem. Cercetrile recente privesc, n special,tribologia i modurile de uzare ale materialelor i probleme legate de tensiunile

aprute n punctele de contact. n acest context, lucrarea elaboratprezint nouti, iarcercetarea s-a canalizatpe urmtoarele direcii:


17/74



Sorin Adrian Baraba

a) analiza atent a particularitilor rulmenilor de mari dimensiuni, n vedereaidentificrii problemelor care pot aprea n funcionarea acestora.

b) gsirea unor soluii practice de reducere a maselor ineriale care s poat fiaplicate n domeniile de utilizare a rulmenilor, pe scar larg sau n totalitate.

c) dezvoltarea unui model matematic, care s permit predicii ale fiabilitiirulmenilor (parametri cinematici i dinamici, sarcini de contact, durabilitateteoretic, sarcin dinamic de baz, momente de frecare i pierderi prin frecare)n condiii de aplicare a soluiilor propuse.

d) transcrierea modelului ntr-un program de simulare computerizat, care spermit optimizarea parametrilor de exploatare i a geometriei interne arulmenilor de mari dimensiuni pentru aplicaii specifice, n vederea elaborriiunui instrument eficient pentru firmele productoare.

e) efectuarea de testri de carburare adncpe probe obinute de la ntreprinderiproductoare de rulmeni pentru verificarea soluiilor propuse de reducere amaselor ineriale i analizarea structurii materialelor folosite.

f)

elaborarea unui proiect de invenie bazat pe folosirea rolelor tubulare (acest tipde rol nu se folosete actualmente la rulmenii mari) i omologarea acesteiinvenii la O.S.I.M.


18/74



Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 2

ELEMENTE DE CINEMATICA RULMENILOR DE MARIDIMENSIUNI

2.1 Tipuri de micare rol-elemente de rulare

Cinematica rulmentului mare caracterizeaz condiiile de micare relativ ntrerol i cele dou inele, exterior i interior. Micarea rolei poate fi interpretat ca ocompunere de micri pariale, de rotaie i translaie dup cele trei axe. Pentru acaracteriza cinematica contactului, este necesar cunoaterea detaliilor despre[9],[64]:

- tipul de micare acorpurilor;- informaii despre evoluia micrii n timp i spaiu;- vitezele absolute i relative ale elementelor rulmentului;

-

condiii de realizare a contactului.

2.3 Micarea de rostogolire cu alunecare

Alunecrile care se produc n tribocontactele rulmenilor influeneaz n moddirect i substanial pierderile prin frecare din rulment. Sursele frecrii de alunecaresunt clar evideniate de : [106]

- alunecri ntre elementele de rostogolire i cile de rulare, datorate geometrieide contact ale suprafeelor;

- alunecri datorate deformrii

elementelor n contact (alunecriHeathcote);- alunecri produse pe suprafeele de

contact dintre buzunarele coliviei ielementele de rostogolire;

- alunecri ntre colivie i inelul carerealizeaz ghidarea coliviei (aparnumai n rulmenii la care s-a aplicataceast soluie constructiv);

- n rulmenii cu role apar alunecri

ntre capetele rolelor i inelul deghidare a rolelor;- alunecri ntre elementele de

etanare interioare i suprafeele nmicare cu care etanrile vin ncontact (numai n cazul rulmenilorcare prezint elemente de etanare).

Relaiile dintre viteze pot fi scrise:

(2.18) (2.19)

Fig.2.3.Diagrama vitezelor la

rulmentul cu role n cazul rostogoliriicu alunecare: cazul inel exterior fix-

inel interior rotitor


19/74



Sorin Adrian Baraba

Fig.2.5. Variaia vitezei unghiulare a

rolelor n funcie de poziia pe care o au

fa de direc ia ncrcrii

n figura 2.5 se poate observavariaia vitezei unghiulare pentru unrulment supus unei ncrcri radialeFr=250N (fig.2.5.a) i Fr=170N (fig.2.5.b).

Rolele pot cpta micrisuplimentare [51],[11] de nclinare fa deaxa rulmentului. nclinarea relativ a celordou inele i jocul radial din rulment auinfluene determinante asupra nclinriirolelor (fig. 2.6). Rulmentul a funcionatla 2500 rot/min i a avut jocurileJr1=0,03mm respectiv Jr2=0,12 mm

Prin considerarea vitezelor de alunecare de pe suprafaa de contact relaiile cinematicedevin mult mai complicate. [53], [136], [128], [89].

Fig.2.6.Valorile unghiului de nclinare a rolelor funcie de poziia rolei

F ig. 2.7.Alunecrile unui rulment cu role a) pe inelul exterior b) pe inelul

interior


20/74



Sorin Adrian Baraba

n cazul rulmenilor mari, forele centrifuge capt ordine de mrime apropiatede ale sarcinilor de pe suprafeele de contact, vitezele de alunecare devin mari itrebuie luate n consideraie n analiza cinematic a rulmentului.[92],[97]

Sistemele de coordonate definite n scopul punerii n practica acestui modelcinematic sunt urmtoarele: un sistem inerial, un sistem al inelului (interior sauexterior), un sistem azimutal (care urmrete poziia unghiular a corpului derostogolire n raport cu poziia sistemului inerial), un sistem al corpului derostogoliore i un sistem de contact (pentru fiecare contact n parte).

Relaiile alunecrilor dintre rol i inelul interior sunt:

(2.20) (2.21)

(2.22) (2.23)unde t este deplasarea fcut de un punct de pe rol msurat pe inelul exterior,

respectiv interior ntr-un interval de timp dat ;s - deplasarea punctului de pe rol n acelai interval de timp msurat pecircumferina rolei;Dr- diametrul de dispunere al rolelor ;

, - unghiurile ntre centrul rolei aflat n poziia n i centrul rolei aflat npoziia n+1n care ajunge n intervalul de timp dat, msurate pe cele dou cide rulare exterioar i interioar[rad]; - unghiul deplasrii punctului pe rol n intervalul de timp dat [rad].O analiz cinematic mai fidel a rulmentului trebuie s considere i

deformaiile de contact, deoarece acestea nu sunt egale n toate punctele de pesuprafaa de contact [88].

n fig. 2.8 sunt exemplificate dou tipuri de role[91] : role drepte la capt (a) isemisferice (b).

Fig.2.8. Tipuri constructive diferite de role cilindrice


21/74



Sorin Adrian Baraba

n cazul rolelor drepte la capt, contactul, n cazul nedeformrilor elastice seface ntr-un singur punct.Odat cu apariiadeformrilor, punctul decontact se deplaseaz spremarginea inelului, deplasarecaracterizat prin unghiul f.

Poziia punctului decontact este aproximat nfig. 2.9.

n cazul rolelorcilindrice cu capt drept, ncazul real al unui sistemdeformabil, deplasarea

punctului de contact, implicit,mrirea forelor de frecareeste mai mare dect n cazulrolelor cu cap bombat. Deaceea, n variantele constructive se va avea n vedere acest lucru pentru ca forele defrecare s nu conduc la defectarea major a rulmentului [67].

2.7Concluzii

a) A fost dezvoltat un model de analiz cinematic a rulmenilor de dimensiunimari radiali-axiali cu role. Acest model consider alunecrile, efecte alemodificrii unghiurilor de contact i a sarcinilor de contact aprute n urmaaciunii forelor centrifuge.

b) O analiz cinematic mai fidel a rulmentului trebuie s considere ideformaiile de contact, deoarece acestea nu sunt egale n toate punctele de pesuprafaa de contact.

c) Modelele cinematice care consider deformaiile locale de contact sunt maiprecise deoarece deformaiile elastice influeneaz direct mrimea vectoruluivitez unghiular, prin urmare mrimile vitezelor tangeniale n punctul decontact considerat precum i vitezele de alunecare.

d)

n cazul rulmenilor de mari dimensiuni cu role cilindrice, micarea rolei poatefi asimilat cu o micare de rostogolire cu alunecare. Datorit geometrieirolelor n captul acestora apar frecri suplimentare i micri de alunecare careconduc la mrirea temperaturii i la repartizarea neuniform a ncrcriirulmentului.

e) S-a studiat legtura dintre geometria rolei, punctul de contact i micarea dealunecare, sintetizndu-se rezultatele.

f) Rezultatele teoretice sintetizate au fost comparate cu rezultatele teoretice iexperimentale prezentate n literatura de specialitate, observndu-se o bunconcordan ntre acestea.

Fig.2.9.Poziia punctului de contact n cazulrulmenilor cu role cilindrice


22/74



Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 3

ELEMENTE DE DINAMIC A RULMENILOR DE MARIDIMENSIUNI

3.1 Distribuia forelor la rulmentul cu role cilindrice

La rulmenii radiali cu role cilindrice, distribuia forelor pe role difer nfuncie de rolul pe care l joac rolele, motor sau antrenat. Forele i momentele ceacioneaz asupra unei role sunt fore centrifuge, ineriale, de frecare, hidrodinamice.[25]

Tij-for de frecare tangenial ntre rol i inel interior;Tej-for de frecare tangenial ntre rol i inel exterior;Hij, Hej- fore hidrodinamice sau de presiune;

Fc- for centrifug;Qij, Qejsunt forele normale de apsare;Qcj, Qcj - fora normalntre rol i colivie, respectiv fora de frecare;Fgj - fora de frecare dintreroli umrul de ghidare;Mrj- moment rezistent ce se opune micrii rolei.

FgjgiQgi (3.1)unde Qgieste fora de apsare a rolei pe umrul de ghidare

Fig.3.1.Distribuia forelor la un rulment cu role cilindrice


23/74



Sorin Adrian Baraba

3.3 Distribuia forelor la rulmentul cu role sferice

Cazul unui rulment cu role sferice este artat n fig 3.4 iar ecuaiile de echilibrusunt (3.29) i (3.30) [63],[105].

(3.29)

(3.30)Rezolvarea acestor ecuaii conduce la: (3.31) (3.32)ncrcrile unei role sferice mai pot fi calculate plecnd de la componentele

forei centrifuge [108]. (3.33) (3.34)Din (33) i (34) reiese: (3.35)n general, rulmenii cu role sferice lucreaz la viteze mici care nu modific

unghiul de contact. De asemenea, un rulment cu role sferice pe dou rnduri iautoechilibreaz fora axial, calea de rulare exterioar fiind mai tensionat dect cea

interioar.

Fig.3.4Analiza forei de apsare n condiiile existenei forei centrifuge la

un rulment cu role sferice


24/74



Sorin Adrian Baraba

3.4 Distribuia forelor n rotaia cu excentric

n cazul centralelor eolienerulmenii palelor se nvrt odat cuaxul principal de rotaie, cazul putnd fiasimilat cu studiul efectuat de Harris, ianume rotaia rolei cu ax excentricconform figurii 3.5 [59].

Prin urmare, o for suplimentarinerial sau centrifugaleste indus nelementul de rulare. Poziionareaacestor rulmeni se face conform figurii1.4 la fiecare pal. Fora centrifugalrezultat are valori importante carecoduc la scurtarea semnificativ a vieiirulmentului. De asemenea, aa cum s-aartat n cap.I, fora inerial total casum a forelor ineriale elementare (pefiecare rol) conduce la difuncionalitiale sistemului energetic al centralei.

Fc este fora centrifugaldatorat micrii de rotaie a rulmentului cu viteza m

Fce

- fora centrifugal aprut prin rotirea axului principal cu viteza e;

re- raza de dispunere a rulmenilor palelor;rm - raza de dispunere a rolelor n rulment.

Din figura 3.5 se poate scrie: (3.36) (3.37)Se poate observa c fora Fceeste dependent de poziia pe care o are rola fa

de vectorul de poziie al rulmentului, respectiv ungiul . Astfel pentru =1800foracentrifugal Fceeste maxim.

(3.38)Dac descompunem Fce n componentele sale, radial, Fcer i tangenial, Fcet

putem scrie urmtoarele relaii:

(3.39) (3.40)

Fig.3.5.Fora inerial suplimentar datoratexcentricitaii


25/74



Sorin Adrian Baraba

ntr-un astfel de sistem, fora centrifugalradial instantanee se poate scrie:

(3.41)La fel, fora centrifugal tangenial instantanee se poate scrie:

(3.42)Harris determin aceaste ecuaii pentru role:

(3.43) (3.44)Se poate observa influena direct

a masei rolelor n mrimea acestor foreprecum i una din cauzele alunecrilorce se produc n sistem. Una din soluiilece ar putea fi adoptate i pe care aceststudiu o cerceteaz este folosirea rolelorcave (fig. 3.6). [157]

Se consider o rol plin de mas m,raz R i lungime l. (fig.3.6.a)

(3.45)unde dm este masa unui element

(3.46)Momentul de inerie n raport cu axa () este:

(3.47)

(3.48)Pentru rola cav din fig. 3.6.b se folosete acelai raionament:

(3.49)

(3.50)

Fig.3.6Role cilindrice pline (a) i cave (b)


26/74



Sorin Adrian Baraba

3.5.4 Durabilitatea rulmenilor mariMetoda este recomandat pentru estimarea durabilitii rulmenilor care

funcioneazla viteze moderate i tensiuni de contact mari, adic C/P < 0,6 [173].Relaia (3.54) devine:

p

PC

aa

ca

ra

vaaaa

naL

321

(3.78)unde:

naL este durabilitatea nominal corectat (milioane de rotaii);

(indicele n reprezint diferena dintre fiabilitatea necesar i 100%);a1 - factorul de ajustare a durabilitii pentru fiabilitate;a2 - factorul de ajustare pentru material;a3 - factorul de ajustare a durabilitii pentru condiiile de funcionare.av - factorul de vitez;ar - factorul de rugozitate;

ac - factorul de contaminare a lubrifiantului;aa - factorul de abatere de la coaxialitate;C - sarcina dinamic de baz, [N];

P - sarcina dinamic echivalenta rulmentului [N];p - exponent al formulei durabilitii:

p=3 pentru rulmeni cubil;p=10/3 pentru rulmeni cu role;

3.6 Concluzii

a) Analiznd metodologia de calcul a sarcinii dinamice de baz a rulmenilordin oel, dezvoltat de ctre Lundberg i Palmgren, s-a constatat cpentru rulmenii demari dimensiuni, teoria Ioannides-Harris, completat de Zaretsky cu efectul hoopsress care ine seama de expansiunea centrifugal rol-inel interior concord maiexact cu rezultatele reale.

b) S-a modelat cazul unui ansamblu eolian n care s-a inut seama de forele imomentele de inerie aprute n rulmenii palelor lundu-se n considerare ambelecazuri: rol plin-mase de inerie mari i rol cav-reducerea maselor ineriale.

c) S-a considerat c tensiunile Von Mises corespund cu tensiunile aprute nzona de contact, plecndu-se de la realitatea existent a rulmenilor de mari

dimensiuni cu role pline i demonstrnd c durabilitatea acestora crete n cazul unorrole tubulare.

d) Pentru turaii medii, la sarcini corespunztoare unei turbine eoliene,momentul de inerieal rulmenilor mari cu role cave este mai mic dect al rulmenilorcu role pline. Pentru a calcula durabilitatea acestora se consider c deformaiileaprute n zona de contact aparin domeniului elasto-plastic.

e) Distrugerea prin oboseala superficial de contact are la baz procesulcomplex de deformare elastic i plastic, provocat de solicitarea pulsatorie astraturilor de material din imediata apropiere a suprafeei, analizndu-se tipurile decontact.


27/74

25CERCETRI PRIVIND INGINERIA RULMENILOR DE MARI DIMENSIUNI CU SCOPUL REDUCERII MASELOR INERIALE I

A SPORIRII EFICIENEI N EXPLOATARE

Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 4

CONTACTUL ROL - CI DE RULARE

4.1 Geometria contactului rol-elemente de rulareContactul rol-ci de rulare este

sistemul care conine toate elementele ceconduc la uzarea rulmentului, tensiunilecare apar fiind datorate vrfurilor de

presiune de la capetele rolei numitepresiuni de capt. Pentru prevenireaapariiei acestora, profilul rolei s-amodificat (cap.1.3) n sensul trecerii ctre

un profil logaritmic care s facilitezeobinerea unei presiuni uniforme de-alungul generatoarei rolei. Funcia degenerare de profil a fost dezvoltat pentru

prima oar de Lundberg [62] apoi Johns-Gohar [70]. Rotirea rolei n jurul axei X(fig.4.1) a fost luat n considerare deKawase i Fujiwara [50].

Tensiunile Von Mises i tensiunileTresca se uniformizeaz n cazul unui

profil logaritmic al rolei, conducnd lamrirea sensibil a durabilitii. Profilul,dup studiile fcute de Kamamoto [77] iUrata [144] poate fi construit dup 2 sau mai multe arce de cerc a cror raz sediminueaz de la centrul rolei ctre captul acesteia. Urata demonstreaz c, n cazulrolei cu profil modificat, tensiunile de capt apar doar accidental n cazul unor alinieridefectuoase dup axa X. Pentru rezolvarea problemei nealinierii se introduc parametrinoi care s ia n considerare aceast rotire dup axa X. (4.1)unde a este jumtate din lungimea efectiv de contact;

b -jumtate din limea contactului;E` - echivalentul modulului lui Young;E - modulul lui Young;

raia Poisson;l - lungimea efectiv a contactului;Q - ncrcarea contactului;y -poziia pe direcie axial;z(y) - deplasarea pe direcia z a curburii la poziia y.

(4.2)

F ig. 4.1.Modificarea unei role cilindrice

rin executarea unor prelucrri de capt

dup profil logaritmic[86]


28/74



Sorin Adrian Baraba

4.2 Calculul contactului n cazul nealinierii rolei

Pentru a rezolva problema nealinierii rolei dup axa X, Kawase i Fujiwaraintroduc parametrii : K1, Km, i zmi ecuaia (1) devine[50]:

(4.3)unde: ymeste lungimea poriunii drepte

(4.4)Din ecuaiile (3) i (4) deducem:

(4.5)

Notnd cu : i obinem:

(4.6)Vizualizarea geometric a parametrilor

profilului logaritmic se vede n fig. 4.2.n contactul rol-cale de rulare pot apreadeformaii ale celor dou elemente aflate ncontact i anume deformaii elastice i

deformaii plastice. Elementele geometrice alecontactului liniar sunt prezentate n fig. 4.3.Curbura suprafeelor n cele dou elemente

a fost evaluat n cap. 1.3 relaiile 25..30 ieste pozitiv sau negativdup cum suprafaaeste convex i, respectiv, concav.

Suma curburilor [51]:

22211211 (4.7)

Funcia curburilor F() se definete prinrelaia:

Fig.4.2.Coeficienii profilului logaritmic

modificat al rolei cilindrice pentrueliminarea tensiunilor de capt

Fig.4.3.Contactul rol- inelinterior. Elemente geometrice[119]


29/74



Sorin Adrian Baraba

)()(

)(F 22211211 (4.8)

Pentru un contact liniar razele de curbur pentru ambele suprafee, n planul 2(axial), au valori infinite i curburile corespunztoare sunt nule:

12=22=0 i deci F()=1 (4.9)

Suprafeele elementelor de rulare vin n contact direct, cu dezvoltarea unortensiuni normale i tangeniale, pe suprafa i n adncime, precum i cu deformarealocal a suprafeelor n zona de contact.

4.3 Starea tensiunilor i deformaiilor n zona de contact

Starea de tensiuni i deformaii n zona ariei de contact poate fi caracterizataplicnd teoria contactului elastic, stabilit de Hertz, n 1895. Conform acestei teorii,dac exist un punct sau o linie de contact ntre dou corpuri elastice, sub influenaforelor exterioare, normale fa de aria de contact, pe aria de contact apar tensiuninormale iar corpurile conjugate se deformeaz elastic. n teoria hertzian a contactuluise consider urmtoarele ipoteze simplificatoare:

- aria de contact nu este lubrifiat, fiind, deci, uscat;- materialele corpurilor conjugate sunt omogene i izotrope;- se accept valabilitatea legii lui Hooke pentru deformaiile elastice;- corpurile conjugate au suprafee geometrice ideale, fr s se in seama de

rugozitate i de erorile de form;- deformaiile sunt complet elastice i aria de contact este mic n comparaie cu

dimensiunile corpurilor n contact.Conform figurii 4.3 putem scrie [71]:

2

2

2

1

2

121

21

11

12

EE

RR

RR

L

Qb

(4.10)

Apropierea relativ dintre cele dou suprafee cilindrice n contact secalculeaz cu relaia:

407.0

2ln

1407.0

2ln

122

2

2

21

1

2

1

0

b

R

Eb

R

EL

Qh

(4.11)

unde R1i R2sunt razele de curbur ale celor dou suprafee n zona de contact. Tensiunea normal zare urmtoarea expresie, pe suprafaa de contact:

2

0zb

y1py

(4.12)

Tensiunea maxim, p0, i tensiunea medie, pm, se calculeaz cu relaiile:


30/74



Sorin Adrian Baraba

Lb

Qp

20 (4.13)

Lb

Qpm

2

(4.14)

4.3.1 Distribuia tensiunilor pe suprafaa de contact

Distribuia tensiunii normale z pesuprafaa de contact este prezentat nfigura 4.4 Toate tensiunile tangeniale

principale prezint maxime la anumiteadncimi sub suprafaa de contact [57].

Tensiunile echivalente denumite i

tensiuni decisive se calculeaz n baza adou ipoteze:Ipoteza tensiunii tangeniale maxime

(T) dup Tresca [6]:

max2

3 Tech (4.15)

Ipoteza tensiunii echivalente maxime (E) dup Von Mises [7] cap3. rel.3.69

)(6)()()(2

1 222222zxyzxyxzzyyxech E

(4.16)

cu x, yi ztensiunile normale principale.

4.3.3 Rezolvarea discret a contactului rol ci de rulare

Pentru cazul real al rulmenilor de dimensiuni mari care realizeaz contactenehertziene, liniare sau punctuale, nu exist abordri analitice, astfel nct o abordarediscret este soluia care se impune considernd i performanele actuale ale tehniciide calcul [56].

Fig.4.4.Tensiunile n cazul

contactului liniar

Fig.4.6.Divizarea n elemente finite a ariei de contact


31/74



Sorin Adrian Baraba

n sistemul cartezian considerat, coordonatele nodului (i, j)sunt notate prin (xi,yj), fiind exprimate prin:

xixi , )0( Nxi (4.23)

yjyj , ( Nyj0 ) (4.24)

unde x si y sunt paii reelei pe direciile xi respectivy.Coordonatele nodului (i, j), sunt notate prin: (xi, yj), fiind date de: xixi ,

)0( Nxi , i yjyj .

Presiunea real este de asemenea apreciat sub forma discretpij.Reprezentarea analitic dat de ecuaiile (16)(19) este nlocuit de

formularea discret dat de ecuaiile (24)(4.11)[58]:

0huhg ijijij , (4.25)

,,

1

0

1

0

klljki

Ny

l

Nx

k

ij pKu

(4.26)

Qpyx ij

Ny

j

Nx

i

1

0

1

0

(4.27)

,0ijg ,0ijp rAji ),( (4.28)

,0ijg ,0ijp rAji ),( (4.29)

Funcia de influen Kij descrie deformaia suprafeei discretizate ca rezultatal existenei unei presiuni unitare pe elementul (k,l). Valorile Kij se obin prinintegrarea ecuaiei Boussinesq-Flamant pentru o sarcin reprezentat de o presiuneunitar ce acioneaz pe elementul de arie yx .

2

1

2

122

22,

)()(

1111 y

y

x

x jiII

II

I

I

ij ddyxEE

K

(4.30)

unde:,2/1 yyy l ,2/2 yyy l ,2/1 xxx k 2/2 xxx k . (4.31)

),(),(),(),(111

12212211

22

yxfyxfyxfyxfEE

KII

II

I

Iij

(4.32)

unde funcia f( x, y ) are forma:


32/74



Sorin Adrian Baraba

2222 lnln),( yxxyyxyxyxf , (4.33)

Schema contactului elastic rol-inel interior este artat n fig. 4.7. Deformarea

rolei sub presiunea de contact seface n domeniul elastic(Hertz), apoin domeniul elasto-plastic (Tresca,Von Mises) dup care deformarea

poate trece n domeniul plastic daceste depit presiunea admisibilde curgere.

Ecuaiile (4.21) i (4.22)echivalente cu ecuaiile (4.28) i(4.29) arat c nu exist contact

pentru g(x,y) >0, contactul ipresiunea de contact dezvoltndu-sen momentul n care g(x,y)=0.

innd cont de faptul c serecomand folosirea aceluiaimaterial ecuaiile (4.19) i (4.20) potfi scrise n forma urmtoare:

dd

yx

p

Eyxu

22`

)()(

),(2),( (4.34)

(4.35)

4.3.4 Distribuia tensiunilor n cazul contactului rol cav- inel interior

Distribuia presiunii de contact se modificntr-un mod categoric n cazul unor role gurite (fig4.8)

Apropierea relativ h0 dintre cele dousuprafee cilindrice se poate scrie innd cont derelaiile (4.2) i (4.11), astfel:

407.0

2ln407.0

22ln

221

`0 b

R

b

rR

LE

Qh

(4.36)

Folosind ecuaia (17) putem scrie:

),(),(),( yxuyxghyxh o (4.37)

Fig.4.7.Schema contactului elastic rol-inelinterior[112]

dxdyyxpQ ,

Fig.4.8.Contactul rol-inelinterior pentru role cave.


33/74



Sorin Adrian Baraba

Analiza celor dou ecuaii (35) i (36) conduce la concluzia teoreticurmtoare:

-creterea cavitaiei, implicit a lui r, face ca h0 s scad proporional,

conducnd la scderea lui h(x,y) deci a scderii tensiunilor de capt.

Aceast teorie completeaz cercetrile fcute cu ajutorul analizei de elementfinit executat de Liu[93], Jadaiyl [1],[2], Wei-Balendra [148], folosind Abaqus.

Cercetrile efectuate n cadrul tezei n domeniul contactului dintre rol i inelulinterior au confirmat valabilitatea ecuaiilor (4.36) i (4.37) folosite pentru a calculadistribuia de presiuni.

4.4 Modelri dinamice ale contactului rol - inel interior. Soluia propuspentru reducerea maselor ineriale

Modelarea rulmentului de mari dimensiuni a devenit o problem obligatorietocmai datorit dimensiunilor sale. Reducerea maselor ineriale la aceti rulmenireprezint un salt n ntreaga industrie constructoare de rulmeni. Energia curat acentralelor eoliene pare, alturi de energia solar, soluia miraculoas pe care oateapt ntreaga planet de un secol. Dezvoltarea acestor energii este abia la nceput,timpul i inventivitatea uman dndu-ne sigurana unor imagini viitoare extrem defavorabile. Cercetrile care se vor face n acest domeniu vor fi intense, una din

problemele extreme fiind reducerea maselor ineriale, reducerea forelor ineriale icentrifugale, stabilitatea dinamic a sistemului eolian. Cercetrile fcute n aceasttez se bazeaz pe folosirea rolelor cave, pe demonstrarea c aceste role pot fi folositen sistemele energetice eoliene cu o durabilitate care s confere centralei o durat devia mrit fa de cea actual, mbuntind n acelai timp performanele acesteia.

n acest scop, n data de 14.07.2008 a fost naintat ctre OSIM cererea debrevet pentru invenie Role cave pentru rulmeni care a primit numrulA/00406/14.07.2008.

Invenia se refer la modificarea constructiv a rolelor cilindrice, conice, saubutoi care intr n componena rulmenilor de mari dimensiuni. Principaleleechipamente la care sunt utilizai rulmeni de dimensiuni mari sunt: excavatoare,macarale, maini-unelte, turbine eoliene sau din centrale termo- i hidroelectrice,motoare turbocompresoare, elicoptere, radare, turele ale echipamentelor militare, nidustria extractiv i a cimentului etc.

Consultnd cataloagele de produse ale principalelor firme productoare derulmeni: KAYDON, FAG, INA,TIMKEN, SKF, BARDEN, IBC, NTN, RKB, SLF,au fost identificai rulmeni cu role cilindrice, conice sau butoi, cu diametrul exteriorde pn la 7m i mase de ordinul tonelor. Toi aceti rulmeni au role masive pline,mase mari, momente de inerie mari, ceea ce reprezint dezavantaje.

Consultnd literatura de specialitate au fost identificate unele brevete deinvenie care se refer la rulmeni cu role cave (hollow roller bearings) : US 5033877,US 5071265, US 5967957, US 6682226. Aceste brevete de invenie au revendicri

privind modul de montare al rulmenilor, capacitatea de prencrcare, antiderapare iau alte forme constructive i alte revendicri fa de cele ale prezentei invenii.

Rolele pentru rulmeni care fac obiectul acestei invenii au o concepie diferitfa de ce s-a realizat pn n prezent. Rolele propuse sunt cave, iar n interiorul lor


34/74



Sorin Adrian Baraba

este injectat un material spongios (spum cu autontrire) de mic densitate, care es teimpregnat cu lubrifiant i care este fonoabsorbant.

Invenia prezint urmtoarele avantaje:- se reduce masa rulmenilor, respectiv consumul de metal;- s

e reduce momentul de inerie al rulmenilor, iar astfel acionrile se realizeazcu un consum de energie mai redus;- rolele se execut din material sub form de eav;- la o proiectare raional, innd seama de dimensiunile rulmenilor, de

materialul utilizat i de tratamentele termice aplicate, rolele cave pot suportaaceleai presiuni de contact ca i rolele masive;

- utilizarea rolelor cave nu implic n mod necesar modificri constructive aleinelelor i coliviei;

- n condiiile unei ungeri necorespunztoare, rolele se nclzesc datorit frecrii

i astfel se fluidizeaz lubrifiantul cu care este impregnat umpluturaspongioas din cavitatea rolelor, lubrifiantul se scurge n exterior, ajunge lacolivie i de aici se mprtie pe cile de rulare;

- masa spongioas impregnat cu lubrifiant are efect fonoabsorbant i astfel suntatenuate vibraiile, respectiv funcionarea este mai silenioas.

4.4.2. Modelul elaborat pentru studiul rolelor cilindrice

Rezultatele calculriitensiunilor Von Mises pentru orol din oel de cementare15NiCr13 cu o lungime de160mm, un diametru de 80 mmi o rat a cavitii de aprox.60%, ceea ce corespunde uneiraze r=30mm, obinute cusoftware-ul Abaqus, conduc laconcluzii foarte interesante.Forele aplicate pe rol sunta)Q=250KN, b)Q=400KN ic)Q=550KN. Forele corespundunor ncercri dinamice normalela care sunt supuse centraleleeoliene pe axul principal.

n fig.4.12 este prezentatmodelul matematic, elaborat

pentru calculul tensiunilor ideformaiilor

n fig. 4.13 sunt prezentaterezultatele modelrii fcute cu

F ig. 4.12.Modelul elaborat pentru studiul

rolelor cilindrice


35/74



Sorin Adrian Baraba

Abaqus n condiiile construirii modelului virtual n SolidWorks:

Tensiunile de capt apar n toate cele trei cazuri. De aceea rolele s-au construitdup o curb logaritmic (fig. 4.14)

O analiz fcut asupra rezultatelor arat foarte clar apariia tensiunilor decapt la rolele cilndrice cu profil drept (fig. 4.9), dispariia acestora n cazul rolelorcilindrice cu profil logaritmic (fig. 4.10) i meninerea acestora la un anumit nivel ncazul rolelor cave. Rezultatele sunt interesante i din alt punct de vedere i anumefaptul c valoarea lor este aproximativ egal pentru cele trei tipuri cons tructive.

Modelul de rol folosit n figura 4.15 are distribuia tensiunilor Von Misesmbuntit fa de rolele actuale i masele ineriale mult reduse, iar rola cilindric cu

F ig. 4.14.Distribuia tensiunilor Von Mises pentru o rol cilindric cu profil

modificat logaritmic a)Q=250KN, b)Q=400KN i c)Q=550KN

F ig. 4.13. Distribuia tensiunilor Von Mises pentru o rol cilindric plin cu profil

drept a)Q=250KN, b)Q=400KN i c)Q=550KN


36/74



Sorin Adrian Baraba

profil logaritmic are condiii de prelucrare mult mai complexe. Rola cav dinfig. 4.15poate fi executat cu caviti diferite. Cercetrile actuale indic un optim de 60%cavitate, dup care tensiunile Von Mises depesc tensiunile admisibile alematerialului, acesta distrugndu-se rapid. n acest caz greutatea unui rulment mare

poate scdea cu 25%.Un alt model de rol cercetat a fost rola cav cu capace subiri iar rezultatul

poate fi observat n figura 4.16.Capacele sunt considerate punct de sprijin, n care elesticitatea rolei scade

aprnd tensiunile de capt.

F ig. 4.15.Distribuia tensiunilor Von Mises pentru o rol cilindric cav cu profil

drept a)Q=250KN, b)Q=400KN i c)Q=550KN

Fig. 4.16.Distribuia tensiunilor Von Mises pentru o rol cilindric cav cu profildrept i capace subiri a)Q=250KN, b)Q=400KN i c)Q=550KN


37/74



Sorin Adrian Baraba

4.6Concluzii

a) S-a realizat un studiu al contactului rol-ci de rulare n funcie de geometriarolei, precizndu-se datele iniiale ale problemei de contact elastic: tipulsuprafeelor n contact; dimensiunile ariei estimate de contact; modul decalculal coeficienilor de influen; varianta de model numeric; metoda de rezolvare asistemului; elementele geometrice ale suprafeelor n contact, constanteleelastice ale materialelor componente i sarcina normal aplicat.

b) S-a realizat discretizarea domeniului estimat de contact rol-cale de rulare,precizndu-se geometria iniial a suprafeelor n contact, avndu-se n vederegeometria nominal a contactului prin determinarea ecuaiilor folosite lacontacte hertziene n domeniul elastoplastic (Tresca i Van Mises).

c) S-a efectuat un studiu teoretic asupra distribuiilor tensiunilor pentru contactulrol cav-inel interior completndu-se teoriile moderne existente cudemonstrarea scderii tensiunilor de capt prin optimizarea cavitii rolelor.

d)

S-a propus soluia novatoare de folosire a rolelor cave n scopul reduceriimaselor ineriale i a sporirii eficienei n exploatare, fcndu-se un studiu alncercrilor precedente de utilizare a acestor role, fcndu-se meniunea csoluia propus face obiectul unei invenii a unui colectiv din care fac parte icesionate ctre Universitatea Transilvania Braov.

e) S-a elaborat un model de studiu al rolelor n condiiile contactului elastoplasticn care s-a inut seama de deformaiile aprute n urma tratamentuluitermochimic i contactul rol- cale de rulare.

f) S-a efectuat analiza tensiunilor prin metoda elementului finit folosindu-sesoftware specializat n acest domeniu: Solidworks pentru crearea modelului 2Di 3D i Abaqus pentru calcularea tensiunilorde contact.

g) S-a realizat un studiu de analiz prin metoda elementului finit asupraa 4 tipuride rol crora li s-a aplicat 3 fore radiale, identificndu-se tensiunile de capt

precum i dispariia acestora n cazul rolelor cu profil logaritmic. Rezultateleobinute pentru rolele cave i rolele cave cu capace subiri au permis concluziac acestea au un comportament n cadrul contactului elasto-plastic, similar curolele cilindrice cu profil logaritmic.


38/74



Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 5

MATERIALE FOLOSITE N CONSTRUCIA DE RULMENI DEMARI DIMENSIUNI

5.1 Caracteristici de calitatate cerute oelurilor pentru rulmenii de maridimensiuni

n tabelul 5.2 sunt prezentate cteva oeluri de cementare i nitrocarburarefolosite n construcia de rulmeni mari:

Tabelul 5.2 Oeluri folosite n construcia de rulmeni

USA Frana Germania Italia Japonia Rusia UKUniunea

EuropeanRomnia

ASTM

SAE

AISI

AFNOR DIN UNI JIS GOSTBS

ENEURONORM SR EN ISO

-3310

E331010NC12 14NiCr14 14NiCr14 SNC815H

655M13EN36A

15NiCr13 15NiCr13

-3311

E331110NC12 15NiCr13 15NiCr13 SNC815H

655M13EN36A

15NiCr13 15NiCr13

-4320

4320H20NCD7 20NiCrMo7 20NiCrMo7 SNCM420 20ChN2M 20NiCrMo7 20NiCrMo7

A32286208620

22NCD2 21NiCrMo2 21NiCrMo2 SNCM220H805M20EN362

21NiCrMo2 21NiCrMo2

-43174317

17CrNiMo6 17CrNiMo6820M17EN354

17CrNiMo6 17CrNiMo6

SAE 8620 este un oel de cementare folosit n rulmenii ai cror componentesunt puin tensionate. Este un aliaj de Ni-Cr-Mo cu o duritate medie ajungnd la 30HRC. Poate fi folosit i necarburat, deoarece SAE 8620 supus unui tratament optim declire-revenire obine o rezisten la traciune foarte bun i o tenacitate rezonabil.Clirea prin inducie sau clirea cu flacr nu este recomandat datorit coninutuluislab de carbon, de aceea se prefer o carburare sau carbonitrurare a stratuluisuperficial. Astfel tratat oelul poate fi folosit n componente supuse uzurii itensiunilor exterioare. SAE 4317 i SAE 4320 sunt oeluri de cementare folosite larulmenii supui unor eforturi medii i mari. Sunt furnizate n stare recoapt cu 22-24HRC, carburizate, clite i revenite ajungnd la 62 HRC n miez pstrnd o foarte

bun tenacitate. Sunt oeluri cu o mare rezisten la oboseal, i o bun rezisten latraciune.


39/74



Sorin Adrian Baraba

5.4 Deformarea plastic la cald i tratamentul termic preliminar

n tabelul 5.9 [98],[165] se prezint temperaturile de forjare, normalizare irecoacere, recomandate pentru aceste oeluri.

Tabelu l 5.9 Temperaturi recomandate pentru oeluri de cementare

OelTemp.

forjare [C]Normalizare

temp [C]Rcire Recoacere

[C] Rcire

13CrNi35 1100-900C 830C aer 630-610C cuptor

13CrNi30 1180-800C 850-880C aer 650-700C cuptor

16CrNiMo6 1150-1200C 850-880C aer 650-700C cuptor

SAE 3310 880-1050C 850-880C aer 650-700C cuptor

SAE 8620 1150C 900-925C aer 650-660C cuptor

SAE 4317 1150C 900-930C aer 650-680C cuptor

Oelurile SAE 3310 i SAE 3311 au fost folosite n studiile asupra carburriiadnci, lund n considerare faptul c aceste oeluri se folosesc cu precdere nconstrucia de rulmeni mari. Caracteristicile mecanice, fizice i de material ale celor

dou oeluri sunt foarte asemntoare.n continuare (tab.5.10, tab. 5.11, tab. 5.12) [165] sunt date cteva din cele mai

importante date asupra oelului SAE 3310:

Tabelul 5.10 Temperaturi i tipuri de rcire recomandate pentru oelul SAE 3310

Tratament termic

Forjare 880-1050CRcire n cuptorNormalizare 850-880CRcire n aerRecoacere 650-700CRcire controlatCarburare 900-980CRcire n aer sau cuptor

Finisare miez 850-880CRcire n uleiClire 750-780CRcire n uleiRevenire 180-210CRcire n aer


40/74



Sorin Adrian Baraba

Tabelu l 5.11Proprieti mecanice ale oelului SAE 3310

Proprietimecanice

DiametrulRezistenala rupere

[Mpa]

Rezistenala curgere

[Mpa]

Deformaia[%]

Coef. deimpact[Izod]

Coef. deimpact

[Charpy]11 980-1280 785 8 40 3530 880-1180 765 9 45 4063 780-1080 635 10 50 45

Tabelul 5.12Proprieti fizice ale oelului SAE 3310

Proprietifizice

Densitate [kg/dm ] 7,85Modulul de elasticitate

[103N/mm2]210

Conductivitatea termic

[W/(mK)]

34

Rezistivitate electric[(Ohmmm2)/m] 0,20Cldura specific

[J/(kgK)] 460Modulul de elasticitate

[103N/mm2]1000C 2000C 3000C 4000C 5000C205 195 185 175 165

Dilatare[106m/(mk)]

1000C 2000C 3000C 4000C 5000C11,1 12,9 12,9 13,5 13,9

5.5

Concluzii

a) S-a elaborat un studiu asupra standardizrii internaionale a oelurilor pentrurulmeni cu accent pe oelurile de carburare i carbonitrurare, urmnd ca ntimpul cercetrii s fie utilizat standardul american SAE innd cont deutilizarea acestuia n intreprinderea INA Schaeffler cu care s-a colaborat nexperimentrile fcute.

b) S-au enumerat elementele de aliere importante i rolul acestora precum iinfluena incluziunilor nemetalice n durabilitatea rulmenilor.

c) S-a studiat importana clibilitii stratului i a miezului n condiiile unei

carburri foarte adnci i s-au ales materialele folosite n experimentrile delaborator precum i n studiul deformaiilori tensiunilor de contact i anume :SAE 3310, SAE 3311 i SAE 4320, menionndu-se c aceste materiale sunt ncircuitul curent de fabricaie n toate ntreprinderile mari de rulmeni.


41/74



Sorin Adrian Baraba

CAPITOLUL 6

ANALIZA TENSIUNILOR APRUTE N ROLELE RULMENILORDE MARI DIMENSIUNI FOLOSIND METODA ELEMENTULUI FINIT

Schema logic a calculriiforelor de contact prin metoda iteraieicinematice poate fi urmrit n fig. 6.10

Se utilizeaz solizi rigizi, pereirigizi, constrngeri nodale. Prinutilizarea metodei se eviterorile fatalela simulare.

Realiznd analiza staticelastoplastic se observ att efectul

neliniaritii fizice ct i a celeigeometrice, respectiv influenamodificrii geometriei structurii,asupra mrimii deplasrilor ieforturilor structurii. n acest caz,controlul soluiei const n aplicareaunui calcul incremental sauincremental-iterativ i ndeplinireaconcomitent a ambelor condiii cetrebuie satisfcute n situaia de

echilibru, compatibilitatea deformateii echilibrul static al nodurilor, lafiecare increment al ncrcriiexterioare.

n MD Patran, dup finalizareapre-procesrii a fost creat fiierul deinput pentru solver. S-a realizat rulareaanalizei n MD Nastran (fig. 6.19).

Fig.6.10.Schema logic folosit n calculul

forei de contact prin metoda iteraiei

cinematice

Fiierul cu mesh-ul 2D

enerat n CATIA

Fiierul generat de MDPatran ce este trimis ctre

Fiierul ce coninentregul model n MD

Fiierul cu rezultate

enerat de MD NastranFig. 6.19.Fiierele create nsimularea cu element finit


42/74



Sorin Adrian Baraba

6.4 Rezultate obinute folosind analiza cu element finit

Rulmentul supus unei fore radiale QR= 275KN i distribuie tensiunile decontact conform fig. 6.23

A

Conform celor artate n cap.4, propunerea fcut pentru reducerea maselorineriale i sporirea eficienei n exploatare este folosirea rolelor cave.

Fig.6.24. Tensiunile Cauchy i Von Mises din rolele pline ale rulmentului[MPa]

Fig.6.26.Graficul tensiunilor Cauchy i Von Mises pentru rola cilindric plin cuprofil nemodificat [MPa]


43/74



Sorin Adrian Baraba

n cercetrile efectuate s-au ales role cu D=120 mm i L=220 mm.Pentru diametrul interior (diametrul gurii) s-au ales 4 cazuri conform

urmtorului tabel :Tabelu l 6.1Dimensiunile rolelor analizate prin metoda elementului finit

Diametrulgurii-Di[mm]

0 (rolplin) 60 80 90 100

Masa rolei[Kg]

78,22 58,67 43,46 34,22 23,90

Pentru toate cele 4 variante s-au creat modele n Catia iar analiza s-a fcut cuMD Nastran.

6.4.3 Rulment radial cu role cilindrice cave cu Di=80mm

Fig.6.36.Deformaiile rulmentului cu role cilindrice cave Di=80mm [mm]

Fig. 6.39.Graficul tensiunilor Cauchy i Von Mises pentru rola cilindriccav cu Di=80mm [MPa]


44/74



Sorin Adrian Baraba

Fig. 6.36 i 6.51arat deformaiile i distribuia tensiunilor aprute n zona decontact. Ca o prim apreciere, se poate observa creterea uoar a deformaiilor.

Graficele din fig.6.39, fig. 6.46 i fig. 6.53 arat o scdere a tensiunilor decapt, o uniformizare a acestora, aa cum se ntmpl n cazul rolelor cilindrice cu

profil logaritmic.Tensiunile sunt aproape liniare, fiind foarte puin mai mari dect tensiunile

rolei precedente.

Fig. 6.46.Graficul tensiunilor Cauchy i Von Mises pentru rola cilindric cav

cu Di=90mm [MPa]

Fig.6.51.Tensiunile Cauchy i Von Mises din rolele rulmentuluicu rolecilindrice cave Di=100mm [MPa]


45/74


46/74



Sorin Adrian Baraba

de sus, acest lucru mrind deformaiile inelului interior, totui ntr-un modnesemnificativ.

Se poate trage concluzia c rulmenii cu role cave se deformeaz mai tare dectcei cu role pline totui aceste deformaii fiind nesemnificative.

n ceea ce privete tensiunile, valoarea i forma acestora se poate observa ngraficul din figura 6.56.

F ig 6.55.Graficul deformaiilor n rulment n funcie de cavitate-

rezultate obinute prin analiz cu element finit

F ig 6.56.Graficul tensiunilor de contact n rol nfuncie de cavitate-

rezultate obinute prin analiz cu element finit-1) rol plin D=120mm,

2)rol cav Di=60mm, 3) rol cav Di=80mm, 4) rol cav Di=90mm,5) rol cav Di=100mm,


47/74



Sorin Adrian Baraba

Curba 1 aparine rulmentului radial cu role cilindrice drepte i pline. Se poateobserva tensiunea de capt care chiar dac nu depete limite admisibile, uzeazneuniform rulmentul, lucru care conduce la micri de alunecare. Aa cum s-a artatalunecarea produce frecri conducnd la nclzirea rulmentului, la fluidizarealubrifiantului, la scurtarea duratei de via conform schemei de mai jos:

Rezolvarea acestei probleme n prezent se face modificnd profilul rolei,procedeul fiind n final cu rezultate bune, dar scump.

Curba 2 este a unui rulment cu role cave avnd Di=60mm (vezi tab.6.1).Rspunde cerinei de reducere a maselor ineriale ntr-o msur mic, fr un aportesenial la sporirea eficienei ansamblelor de rulmeni mari. Att deformaiile ct itensiunile sunt asemntoare cu ale rolei pline.

Curba 3 (Di=80mm) are tensiunile de capt complet diminuate. Rulmentul areo uzur uniform care determin creterea durabilitii aa cum s-a artat n cap.4.

Curba 4 (Di=90mm) i curba 5 (Di=100mm) au valorile foarte aproape de curba3 (Di=80mm), au profilul practic drept (fr tensiuni de capt) i rspund perfectcerinelor de reducere a maselor ineriale.

ncercrile cu rulmeni a cror cavitate depete Di >100mm nu s-au fcut dinmotive evidente. Aa cum s-a artat, carburarea se face pe adncimi mari iar peretelerolei ar deveni prea subire. De asemenea, din figura 6.52 se observ creterealogaritmic a deformaiilor cu creterea cavitii.

innd cont de tratamentul termic i deformaiile care au loc n timpul acestuia se recomand o cavitate al crei diametru este Di=90mm .

Rezultatele confirm cercetrile fcute n cap.4 cu ajutorul software-uluiSolidworks i Abaqus, demonstrnd clar c soluia folosirii rolelor cave este utilizabilcu beneficii mari n

Cercetari Privind Ingineria Rulmentilor

Documents

Transcript of Cercetari Privind Ingineria Rulmentilor