Lager - Materialteknologi

Lager (lectures notes)lagerTYPER► GLIDELAGRE (glidefriksjon)►RULLINGSLAGRE(rullefriksjon)▪ KULELAGER▪ RULLELAGER◦ radiallager◦ aksiallagerHenning Johansen © side 1

Lager (lectures notes)→ Smøremidler- mineralolje (hovedgruppe)- syntetisk olje- smørefett (av mineral- og syntetisk olje)- vegetabilsk olje▪ VISKOSITET (seighet)- synker med stigende temperaturMÅLING AV VISKOSITETSkjærspenning:F dvτ = = η N / mA dh2[ ]Dynamisk viskositet, η, brukes i lagerberegningerI strømningsteknisk sammenheng brukeskinematisk viskositet, νη 22ν = m /s cSt centistoke = 1mm /sρ[ ] [ ] ( )A = flate [m 2 ]η = dynamisk viskositet[Ns/m 2 ] [kg/ms] [cP]I smøreteorien vanligvis[cP] centipoise (poas)1P = 0,1 Ns/m 21cP = 0,001 Ns/m 2ρ = tetthet [kg/dm 2 ]kraft F→hastighet v→hastighet v = 0→FigurHastighetsgradienten i en oljefilm.Henning Johansen © side 2

Lager (lectures notes)Dynamisk viskositet, η, og kinematisk viskositet, ν, måles v.hj.a. viskosimeter (forskjellige typer)- ofte tiden det tar for oljen v.hj.a. egen tyngde å strømme igjennom et rør- tiden er proporsjonal med ν- vanligvis måles ν og η beregnes- ν kan angis i:USA - Saybolt-sekunderUK - Redwood-sekunderTyskland - Engler-grader- ν måles vanligvis etter ISO 3448 viskositetsklassifisering (angir ikke oljekvalitet)- ν [cSt] ved 40 0 C angitt med ISO VG-nummerHenning Johansen © side 3

Lager (lectures notes)TabellISO-viskositetsklassifikasjon.Henning Johansen © side 4

Lager (lectures notes)- ν varierer forskjellig ved temperaturendringer forforskjellige oljekvaliteter.- utrykkes v.hj.a. viskositetsindeks VI.- VI = 90 for industrismøreoljer- ISO-kurvene blir flatere jo høyere VI- oljen er da lite temperaturfølsom,eksempel helårsoljer- VI = 300 for hydraulikkoljer som gir flaterekurverlog νVI 300VI 90Temp.- SAE (Society of Automotive Engineers)- brukes for smøreoljer til motorkjøretøyer- ν [cSt] ved 100 0 C (normal driftstemperatur)- ν [cSt] ved lavere temperaturer,vinteroljer SAE-W- helårsoljer, høy VIFigurISO-viskositetssystem for industrismøreoljer med VI=90.Henning Johansen © side 5

Lager (lectures notes)FigurSammenligning mellom ISO-grader, SAE-grader og noen vanlige viskositetsangivelser.Henning Johansen © side 6

Lager (lectures notes)► GLIDELAGRE→ SMØRING- tørrfriksjon μ = 0,14 – 0,15- blandet friksjon μ = 0,02 – 0,1- væske/flytende friksjon μ = → 0,005(hydrodynamisk friksjon)FigurKurver som viser hvordan friksjonskoeffisientenvarier med turtall.FigurFriksjonsforhold.Henning Johansen © side 7

Lager (lectures notes)→ HYDRODYNAMSK SMØRING- glideflatene berører hverandre ikke- μ er uavhengig av lagermaterialet- μ er uavhengig av η (dynamisk viskositet)FigurAkseltappens stilling i et smurt lager.a stillstand.b ved rotasjon med en viss hastighetc ved større hastighet enn i b.(h er oljefilmens minste tykkelse)FigurTrykkfordelingen i oljefilmen når akselen roterer.R = lagerets diameterr = akselens diametere = eksentrisitetenh = oljefilmens tykkelse der den er minstR – r → 0, når n→ ∞FigurPå grunn av lekkasje synker oljetrykket mot lagerets ender.Henning Johansen © side 8

Lager (lectures notes)→ LAGERMATERIALER▪ Egenskaper vi krever:- lav friksjonskoeffisient, µ- høy slitestyrke- høy utmattingsfasthet- god varmeledningsevne- god korrosjonsbestandighet▪ Materialer:▫ Hvitmetall (babbit), Sn (tinn)eller Sn + Pb (bly) + Sb (antimonn), Cu- gode glideegenskaper- bløte når temperaturen øker- lagertapp av bløtt stål▫ Bronse- tinnbronse, Cu + Sn- slitestyrke øker når Sn øker- blybronse, Cu + Pb- tåler høye lagertrykk- lagertapp av herdet stål▫ Rødmetall (rødgods) Cu + (Sn + Zn +Pb)- som tinnbronse▫ Materialkombinasjoner (flersjiktslagre)▫ NYE MATERIALER- Selvsmørende materialer- µ lav- smøremidlet inngår i porer eller i strukturen- eksempler:- Sintermetall (inneholder porer)inneholder ett eller flere av materialene:Tinnbronse, blybronse, jern karbonBrukes i for eksempel biler, husholdningsmaskiner- Oljeholdig polyamid (smøring i strukturen)- Andre plaster- GummiBrukes i for eksempel vannpumper▫ Aluminium, Al- høyt flatetrykk- temperaturømfintlig (høy varmeutvidelseskoeffisient)▫ Grått støpejern- ved enkle driftsforholdHenning Johansen © side 9

Lager (lectures notes)→ TILLATT LAGERTRYKK, p till- LagertrykkF2p = [ N / mm ]d ⋅ lhvor:F = lagerkraft [N]d = diameter [mm]l = lengde [mm]p till avhengig av driftsforholdMateriale p till [N/mm 2 ]støpejern 1hvitmetall (tykt lag) 1-15hvitmetall (elektrolyttisk pålagt, tynt lag) 15-25Tinnbronse 2-25Blybronse 35-50Al-legering 55TabellTillatt flatetrykk.Henning Johansen © side 10

Lager (lectures notes)→ SMØREMETODER▪ Fettsmøring- for mindre belastede lagre- for sjeldent brukte lagre- for lagre med lav hastighet FigurHydraulisk smørenippel1 hals, 2 sekskant for iskruing,3 kuleventil, 4 fjær, ansats for fjær▪ DryppsmøringFigurVekesmøring og regulerbardryppsmøring.Henning Johansen © side 11

Lager (lectures notes)▪ Ringsmøring(fast eller løs ring på akselneddykket i oljebad underlager, trekker med seg oljeopp og fordeler dengjennom spor mellomglideflatene)- driftssikker- bruker lite olje- moderate belastningerog turtallFigurRingsmøringslagermed delt foring og tooljeringer.a lagerhus,b lagerskål,c lagermetall,d spor for oppsamlingav olje,e oljeringFigurRingsmøringslagermed fast ring.Henning Johansen © side 12

Lager (lectures notes)▪ Sirkulasjonsmøring- effektiv kjøling av lager- oljen må rensesFigurTrykk – omløpssmøring.Brukes når det kreves en bærende væskefilm mellom aksel og lager.Oljetilførselen må være rikelig p.g.a. stor lekkasje ut gjennom endene av lageret.Oljen gjenbrukes. Brukes på større maskiner som dieselmotorer og dampturbiner.f - samlebeholder, a - pumpe, b - oljekjøler, c - ledning, d - lagrene, m - trykkmålerHenning Johansen © side 13

Lager (lectures notes)→ LAGERTEMPERATUR- det utvikles friksjonsvarme- tillatt lagertemperatur er vanligvis 80 0 C - 100 0 C- ved naturlig varmebortledning- ved varmebortledning ved bruk av sirkulasjonssmøring▪ UTVIKLET varme, friksjonsvarme[ Nm /s W]P = µ ⋅ F ⋅ v =hvor:- F = lagerbelastning [N]- μ = friksjonskoeffisient- µ ⋅ F = friksjonskraft [N]- v = periferihastighet [m/s]P = µ ⋅ F ⋅ω ⋅2πP = µ ⋅ F ⋅60d2n⋅d2πnP = µ ⋅ F ⋅ ⋅ d60[ W]Henning Johansen © side 14

Lager (lectures notes)▪ BORTFØRT varme, gjennom ledning og stråling▪ BORTFØRT varme, ved sirkulasjonssmøringPb= α ⋅ A ⋅( ϑ − ϑ ) [ W]ml( ϑ − ϑ ) [ W]P = q ⋅o mc ⋅2 1Pb= α ⋅ πdl⋅( ϑ − ϑ ) [ W]mlhvor:- A = areal [mm 2 ]- ϑ = midlere smørefilmtemperatur [ 0 C], vanligvis 80 0 C - 100 0 Cm- ϑ = lufttemperatur [ 0 C]l- α = varmeovergangstall [W/m 2 0 C]α = 50 [W/m 2 0 C] for små og middelstore lagre med d ≤ 50mmα = 150 [W/m 2 0 C] for store lagre med store kjøleflaterα = 600 [W/m 2 0 C] for store lagre med viftekjøling- l = lagerlengden [m]- d = akseldiameter [m]hvor:- q m = sirkulert oljemengde [kg/s]- c = spesifikk varmekapasitet [J/Kg 0 C](c = 2000 vanligvis)- ϑ = inngående temperatur [C 0 ]1ϑ = utgående temperatur [C 0 ]-2Henning Johansen © side 15

Lager (lectures notes)►RULLINGSLAGREFellesbetegnelse for lager som har rullende elementer mellom bevegelig og stillestående del→ TERMINOLOGI●Kulelager▬ RullelagerHenning Johansen © side 16

Lager (lectures notes)→ HVORFOR ANVENDE RULLINGSLAGRERullingslagerden ene ringen ruller rullelegemet i forhold ti l den andreGlidelagerakselen glir på mer eller mindre god oljefilm i forhold tilforingen eller lagerskålen▪ lagerfriksjonen ved konstant belastning:▪ stor varmeutvikling i glidelagers:Henning Johansen © side 17

Lager (lectures notes)→ FORDELER MED RULLINGSLAGRE▪ liten startmotstand▪ liten friksjon ved alle hastigheter▪ mindre kraftforbruk▪ større driftsikkerhet▪ plassbesparende▪ minimalt forbruk av smøremiddel▪ lange smøreintervaller▪ større renslighet▪ lette å skifte ut▪ fåes over hele verden som standardelementerHenning Johansen © side 18

Lager (lectures notes)→ DIMENSJONERING AV RULLINGSLAGER● utføres etter internasjonal standard, ISO(SKF-katalogen brukes her som eksempel)● dimensjonering etter type belastning:A) STATISK belastningB) DYNAMISK belastningA) STATISK BELASTNING (s.77 SKF)▪ stille og utsatt for støtbelastninger (kontinuerlig eller periodisk)▪ vridning frem og tilbake▪ veldig lavt turtall og utsatt for korte kraftige støtbelastningerEkvivalent lagerbelastning:P = X F Y F N hvor:0 0 r+0a[ ]F rF a= radial belastning= aksial belastningX 0 = radial faktor (foran hver lagertabell)Y 0 = aksial faktor (foran hver lagertabell)Statisk bæreevne(for valg av lager i tabell):s P NC = 0 0 0C0s0=P0[ ]hvor:s 0 = statisk bæresikkerhet(mål for sikkerhet mot plastisk deformasjon i berøringspunkt)Retningslinjer i Tab. 10 s. 77s 0 = 0,4 (for lave krav) → 4 (høye krav)Henning Johansen © side 19

Lager (lectures notes)Nominell livslengde i timer:610L = ⋅ L [ h]10h1060 ⋅ nn = turtall [r/min]Retningslinjer for L 10h for ulike maskintyperi Tab. 8 s. 72Nominell livslengde i km:πd6L[ ]10s= ⋅ L10km ⋅101000Retningslinjer for L 10s for ulike maskintyperi Tab. 9 s. 72Henning Johansen © side 21

Lager (lectures notes)→ 2 FREMGANGSMÅTER VED BEREGNING:1) Velger levetiden og beregner lagerstørrelsen2) Velger lagerstørrelsen og beregner levetiden1) Velger levetiden og beregner lagerstørrelsenEksempel 1Velg lager til aksel i tannhjulsveksel (sporkulelager)d = 50mmF r = 2500Nn = 1250 r/min- fra Tab.8 s.72:L 10h = 10000 – 25000h for tannhjulsvekslervelger L 10h = 16000hHenning Johansen © side 22

Lager (lectures notes)- fra s.299:Fa Fa= 0 < e ( f0⋅ = 0, e er da ikke i Tab.4)FCrP = F =r2500N0Henning Johansen © side 23

Lager (lectures notes)610L L [ h]10h= ⋅1060 ⋅ n6p10 ⎛ C ⎞L = ⋅10h⎜ ⎟60 ⋅ n ⎝ P ⎠p = 3 for kulelager60=⎛ ⎜P ⎝10[ h]11Cp3⎞⋅ n ⋅ L=6 10h ⎟⎠⎛ 60= ⎜6⎝10⎞⋅1250⋅16000⎟⎠C = 10,6 ⋅ 2500=26500N(minimum)- fra s.308:Velger Sporkulelager 6210 (med C = 37,1kN)10,6Henning Johansen © side 24

Lager (lectures notes)2) Velger lagerstørrelsen og beregner levetidenEksempel 2Velg levetiden L 10h for sporkulelager 6210 til aksel i tannhjulsveksel.d = 50mmF r = 2500NF a = 1200Nn = 1250 r/minC = 37100N (s.308)- fra s.299:Faf0⋅ = ?C 0 = 23200N og f 0 = 14 (s.309)C0120014 ⋅ =232000,724Henning Johansen © side 25

Lager (lectures notes)fFa⋅ 0,724 ⇒ e = 0,262* )C0=0* ) Lineær interpolasjon:0,724 − 0,6890 ,26 +⋅ 0,28 − 0,26 = 0,1,03 − 0,689e=? ( ) 262Fa 1200= = 0,48 > eFr2500⇒ P = X ⋅ F + Y ⋅ Fra[ N]med X = 0,56 og Y = 1,69** )** ) Lineær interpolasjon:0,262 − 0,261 ,71 +⋅ 1,55 −1,71= 1,0,28 − 0,26Y=? ( ) 69⇒ P = 0,56 ⋅ 2500 + 1,69 ⋅1200=3428NHenning Johansen © side 26

Lager (lectures notes)p610 ⎛ C ⎞L = ⋅ [ h]10h⎜ ⎟ p = 3 for kulelager60 ⋅ n ⎝ P ⎠610 ⎛ 37100 ⎞L = ⋅10 h⎜ ⎟ = 16900h >60 ⋅1250⎝ 3428 ⎠316000hOK!(Tab.8 s.72)Henning Johansen © side 27