Dinamica ºi sunetul rulmenţilor

Oconștientizare tot mai mare a poluării fonice, determinată, parțial, de reglementările guvernamentale, a fost remarcată în ultimii ani. Este dificil să identificăm o industrie care nu a fost afectată, fie ca utilizator, fie ca furnizor.

În rolul său de furnizor, compania Timken poate privi înapoi la o istorie îndelungată – care precedă cu mulţi ani accentul actual pus pe reducerea zgomotului – de practică activă a controlului nivelului de zgomot în rulmenţi. Această filozofie este exemplificată nu numai printr-un program extins de testare a sunetului în fabricile de producţie, ci și printr-un angajament continuu pentru cercetarea, atât în aspectele fundamentale, cât și în cele practice ale sunetului în rulmenţi.

Este foarte util să ne imaginăm rulmentul ca jucând două roluri foarte distincte. În rolul său pasiv de transmiţător, rulmentul oferă doar o cale de transfer de energie între elementul rotitor și cel staţionar, în timp ce în al doilea rol, rolul activ, rulmentul provoacă excitarea mediului apropiat prin rotaţia sa. Este important să recunoaștem această distincţie, în special în situaţiile care necesită diagnosticarea stării echipamentului. În esenţă, rulmenţii joacă un rol semnificativ în transmiterea vibraţiilor în echipamentele rotative, însă, de obicei, nu sunt sursa predominantă de vibraţii.

Rulmentul ca transmiţător

Mai simplu spus, un rulment poate fi considerat ca un arc/amortizor fără masă, care conectează un arbore la carcasa sa. De obicei, interesul constă în determinarea modului în care vibraţia este transferată de la carcasă la arbore sau invers. De exemplu, excitaţia angrenajelor cu roţi dinţate este transmisă de-a lungul arborelui, prin rulment și către suprafaţa expusă a carcasei, unde o parte din energie este convertită în zgomot audibil.

Rulmenţii cu role conice și rulmenţii cu bile cu contact unghiular se bucură de un avantaj care nu se regăsește la alte tipuri de rulmenţi cu elemente de rostogolire. Deoarece doi rulmenţi sunt de obicei reglaţi unul faţă de celălalt, jocul în ansamblul de rulmenţi, obţinut ca urmare a acestui reglaj, va influenţa direct forţa axială. Acest lucru influenţează rigiditatea rulmenţilor și, prin urmare, rigiditatea întregului sistem. Doar variind jocul în rulmenţi, poate fi posibilă deplasarea oricăror rezonanţe nedorite în afara intervalului de frecvenţe de interes pentru funcţionarea lină. Valori maxime ale rigidităţii de aproximativ 1,75 x 109 N/m (10 x 106 lbf/in) sunt comune la rulmenţii cu role conice.

În procesul de manipulare a rigidităţii sistemului, este esenţial să se ţină seama de rigiditatea suporturilor (carcaselor) de rulment. În termeni conceptuali simpli:

1/Ksistem = 1/Krulment + 1/Kcarcasă

În timp ce predicţia rigidităţii rulmenţilor este în cel mai bun caz greoaie, evaluarea caracteristicilor de amortizare a acestora este și mai evazivă. S-a demonstrat, totuși, că valoarea jocului din rulmenţi va afecta nivelul de amortizare care poate fi obţinut în sistem.

Tipul De Anomalie I Frecven Ele De Excita Ie Rezultate

Anomalie

Frecvență, Hz

Excentricitate a elementului rotitor f� = S/60

Ovalitate a elementului rotitor

Neregularitate a rolelor sau a bilelor, de exemplu, amprentare sau exfoliere

Neregularitate a căii de rulare interioare, de exemplu, amprentare sau exfoliere

Neregularitate a căii de rulare exterioare, de exemplu, amprentare sau exfoliere

Variaţia diametrului rolelor sau bilelor (inel interior rotitor)

Variaţia diametrului rolelor sau bilelor (inel exterior rotitor)

Rulmentul ca excitator

Potenţialul de excitaţie al oricărui rulment cu elemente de rostogolire este determinat, în primul rând, de topografia suprafeţelor sale de rulare. De exemplu, o exfoliere de dimensiuni mari, prezentă pe o suprafaţă de rulare a unui rulment aflat în funcţionare, ar genera o pulsaţie de forţă dinamică semnificativă ca mărime. În mod similar, micile imperfecţiuni, cum ar fi amprentări, zgârieturi și orice alte abateri de la circularitatea perfectă a componentelor, vor cauza fluctuaţii mai mici în forţa dinamică. Teoria hertziană ne spune că până și deformaţiile minuscule pot avea ca rezultat forţe de o magnitudine semnificativă. Prin urmare, acesta este mecanismul care face ca rulmentul să acţioneze ca un excitator.

Neregularităţile suprafeţelor de rulare, de diferite origini, conduc la forţe dinamice. Aceste forţe nu rămân localizate, ci sunt transmise destul de ușor în structura de susţinere.

Dependenţa de un număr de variabile destul de dificil de controlat împiedică determinarea matematică a mărimii acestor forţe într-un rulment. Cu toate acestea, frecvenţele lor pot fi determinate cu mare precizie, din dimensiunile brute ale rulmentului și viteza de funcţionare a acestuia. Trei constante pot fi definite în ceea ce privește, fie unghiurile, fie diametrele rulmentului, în funcţie de tipul de rulment:

Aceste constante, împreună cu viteza de rotaţie în funcţionare (S), numărul de role sau bile (Z) și un indice armonic (i), permit calcularea anumitor frecvenţe. Ele, la rândul lor, identifică anomalii specifice într-un rulment (Tabelul 1).

Consideraţii de măsurare

Frecvenţele enumerate în Tabelul 1 sunt aplicabile ori de câte ori este evaluat un rulment. O abordare tipică a evaluării stării unui rulment în funcţionare implică folosirea unui accelerometru plasat pe sau lângă rulment. Efectuând o analiză de frecvenţă în bandă îngustă a semnalului de acceleraţie, se poate determina de obicei dacă rulmentul este deteriorat sau îndeplinește criteriul de vibraţie stabilit de utilizator.

f�i = i * f� f�i = 2 * k� * k� * f�i f�i = Z * k� * f�i f�i = Z * k� * k� * f�i f�i = k� * k� * f�i f�j = k� * f�i

Pentru a evita ambiguitatea la identificarea vârfurilor de acceleraţie care apar la frecvenţele descrise mai sus, lăţimea de bandă trebuie să fie suficient de mică. De exemplu, pe măsură ce viteza de operare scade, lăţimea de bandă ar trebui să scadă și ea.

Nu este neobișnuit să observăm o modulaţie a semnalului, în special atunci când semnalul este obţinut într-o direcţie perpendiculară pe axa rulmentului. În aceste circumstanţe, dovezile predominante se vor găsi la frecvenţele f2i ± f5j sau f2i ± f6j, unde i și j sunt indici armonici.

Până în acest punct s-a presupus că rulmentul funcţionează cu o zonă de încărcare de 360º. Dacă nu este cazul, cum ar fi atunci când rulmentul funcţionează sub sarcină radială și cu joc intern, elementele de rostogolire care se deplasează în și din zona de încărcare provoacă un spectru care tinde să aibă un aspect „pătat”.

Ca unul dintre pașii finali ai programului său de asigurare a calităţii, compania Timken își supune rulmenţii unei analize a vibraţiilor în mașini de testare specializate, echipate cu accelerometre.

Suplimentar, se folosește următorul raţionament: „Nivelul de vibraţie (forţa dinamică) al unui rulment care funcţionează la o anumită viteză și sub o anumită pretensionare, este comparat cu și trebuie să îndeplinească un standard stabilit. Dacă acesta este cazul, atunci, implicit, imperfecţiunile geometrice sunt de o magnitudine atât de mică încât potenţialul rulmentului de a acţiona ca un excitator este considerat acceptabil.” Reţineţi că acest lucru implică faptul că viabilitatea rulmentului este strict o funcţie a imperfecţiunilor geometrice, iar nu una dependentă de viteză și/sau sarcină și/sau care ţine de reazemul rulmentului. Semnătura de vibraţie poate, desigur, să fie diferită în cazul altor combinaţii de viteză și sarcină.

Implicaţii acustice

Energia mecanică din forţele dinamice generate de rulmenţi și din forţele transferate rulmenţilor de elementul rotitor pentru a fi transmise către elementul staţionar, va fi mai întâi transferată către structura care susţine rulmentul. Energia pătrunde apoi în structură și va fi parţial convertită în energie acustică la contactul cu o interfaţă aer/ corp solid. În funcţie de masa, rigiditatea, geometria și discontinuităţile (planele de separaţie) care caracterizează structura de susţinere a rulmentului, energia mecanică va suferi modificări. Ca rezultat al acestei funcţii de transfer, energia acustică predominantă (sau sunetul aerian) va depinde nu numai de vibraţia mecanică a rulmentului, ci și de caracteristicile de atenuare/amplificare ale fiecărei structuri de susţinere particulare.

O astfel de structură de susţinere este echipamentul de asigurare a calităţii utilizat de compania Timken. Rulmenţii sunt testaţi pentru vibraţii într-o configuraţie relativ deschisă, adică una în care un procent mare din suprafaţa rulmentului este expus. În mod clar, această condiţie este, din punct de vedere acustic, destul de diferită de cea în care rulmentul este complet închis, ca, de exemplu, într-o mașină-unealtă.

Structura de susţinere influenţează semnificativ rezultatul unei măsurători acustice. Deoarece sunetul este cauzat în principal de vibraţia transversală a pereţilor carcasei, o carcasă mai rigidă tinde să fie mai puţin zgomotoasă decât una care este mai puţin rigidă. Astfel, orice comparaţii făcute sau concluzii trase între structuri diferite sunt, în cel mai bun caz, întâmplătoare. Soluţia constructivă de proiectare a structurii de susţinere a rulmentului poate afecta profund caracteristicile generale de zgomot ale sistemului. Acesta este motivul cel mai important pentru care, la datele tehnice ale rulmenţilor, nu sunt atașate specificaţiile de nivel acustic, dB(A). A

Nomenclatur

Simbol Descriere Unități d� Diametrul (mediu) al căii de rulare a inelului interior mm, in D� Diametrul (mediu) al căii de rulare a inelului exterior mm, in Dw� Diametrul (mediu) al rolelor sau bilelor mm, in f Frecvenţa de excitare Hz i Indicele armonic al frecvenţei purtătoare, 0, 1, 2, 3, .. j Indicele armonic al frecvenţei de modulare, 0, 1, 2, 3, ..

K�, K�, K� Constante legate de geometria rulmentului

Krulment

Rigiditatea rulmentului N/m, lbf/in

Kcarcasă Rigiditatea carcasei N/m, lbf/in

Ksistem Rigiditatea sistemului N/m, lbf/in

S Viteza de rotaţie rot/min

Z Numărul de role sau bile pe un rând α (alfa) Unghiul de contact sau ½ din unghiul căii de rulare a inelului exterior (pentru rulmenţi cu role conice) grade β (beta) ½ din unghiul căii de rulare a inelului interior (pentru rulmenţi cu role conice) grade

�� (niu) ½ din unghiul generatoarei rolei (pentru rulmenţi cu role conice) grade