Как обеспечить соосность втулки

Обновлено: 14.06.2024

Соединяемые между собой механизмы будут правильно работать в том случае, если их валы будут установлены так, чтобы упругие линии валов являлись продолжением одна другой без смещения и излома в плоскости сопряжения. Установка валов в соответствии с этими требованиями в практике получила название центровки.

Естественный прогиб валов вызывает необходимость устанавливать их с определённым уклоном к горизонту.

Установку валов можно выполнить двумя способами:

По первому способу подшипники устанавливают так, чтобы шейки валов по обе стороны муфты были горизонтальны (рисунок 4.39а). Уровень, установленный на шейках 2 и 3 валов I и II, даёт нулевые показания, α₂ = α₃ = 0; в этом случае шейки 1 и 4 будут иметь некоторый подъём, величина которого будет зависеть от характера упругой линии валов.
По второму способу вал I одной из машин (рисунок 4.39б) устанавливают горизонтально. При этом уровень, установленный на шейках 1 и 2 вала, даёт показания (α₁ = α₂), одинаковые по величине, но обратные по знаку, а уровень, установленный на шейке 3, должен дать такие же показания, что и на шейке 2, α₂ = α₃; шейка 4 имеет подъём. При значительной величине подъёма этого конца вала горизонтальная составляющая веса ротора машины II при работе агрегата будет нажимать на подшипник машины I. Учитывая этот недостаток, обычно, установку валов проводят по первому способу.

Рисунок 4.39 – Различные способы установки линии валов двухмашинного агрегата

Устанавливая линии валов многомашинных агрегатов, стремятся к тому, чтобы подъём крайних подшипников агрегата был одинаковым, самый тяжёлый ротор агрегата, обычно, располагают горизонтально.

Уклон шейки вала измеряют уровнем при четырёх положениях вала, поворачивая вал на 90°, в каждом положении делают два измерения; при втором измерении уровень поворачивают на 180°. За величину уклона принимают среднеарифметическое значение восьми показаний. Такое определение уклона шеек валов необходимо во избежание ошибки при искривлении вала или отклонении оси шейки от оси вращения (о таких дефектах свидетельствуют значительные изменения показаний уровня, установленного на шейке вала, при различных положениях ротора).

Для проверки установки валов агрегата, находящегося в эксплуатации, необходимо снять все крышки подшипников и проверить уровнем уклоны всех шеек валов. Цена деления применяемых для этого уровней соответствует обычно подъёму 0,1 мм на 1 м. Отсутствие изменений в уклонах при сравнении полученных данных с данными монтажного формуляра указывает на сохранение центровки. Если же обнаружатся расхождения в величинах или в направлениях уклонов, то необходимо проверить центровку агрегата. Если при изменении уклонов шеек центровка не нарушена, то имеет место неравномерная осадка фундамента.

Оси вращения двух валов имеют параллельное смещение и угловой излом. Обычно несоосность – это комбинация двух указанных видов. В процессе работы, даже при использовании упругих муфт, перекосы приводят к увеличению нагрузки на опорные части машины, повышению вибрации и другим отрицательным эффектам.

Влияние несоосности

На подшипники. Приводит к возникновению дополнительных сил. Повышение нагрузки на подшипники вследствие перекоса валов на 20% сокращает расчётную долговечность подшипников на 50%.
На уплотнения. Приводит к износу уплотнений, увеличивает риск повреждения подшипников из-за проникновения грязи и вытекания смазочного материала.
На муфты и валы. Вибрации, вызванные несоосностью, вызывают повреждения муфт (перегрев, ослабление, поломка болтов) и валов.
На потребление энергии. Потребление энергии двигателем может возрасти до 20% вследствие перекосов.

Точность выверки. Для того, чтобы избежать отрицательных эффектов, перекосы валов должны быть в пределах установленных допусков (таблица 4.7, таблица 4.8). Высокоскоростные машины требуют точной выверки.

Таблица 4.7 – Допуски на несоосность валов

Частота вращения, об./мин.	Угловая несоосность		Параллельная несоосность
Частота вращения, об./мин.	мм / 100 мм	0,001″ / 1″	мм	0,001″
0…1000	0,1	1	0,13	5,1
1000…2000	0,08	0,8	0,10	3,9
2000…3000	0,07	0,7	0,07	2,8
3000…4000	0,06	0,6	0,05	2,0
4000…6000	0,05	0,5	0,03	1,2

Таблица 4.8 – Допуски на центровку при диаметре муфты 500 мм

Тип соединяемой муфты	Разность средних величин зазоров, мм
Тип соединяемой муфты	по окружности (радиальные зазоры)	по торцу (осевые зазоры)
Жёсткая	0,04	0,05
Полужёсткая	0,06	0,05
Пружинная	0,06	0,06
Кулачковая	0,08	0,08
Зубчатая	0,10	0,08

Примечание: указанные отклонения даны без учёта влияния на центровку тепловых расширений фундамента и корпусов подшипников по высоте или возможных деформаций опор.

Для центрирования валов используют метод грубой выверки при помощи линеек, щупов, клиновых щупов и методы точной выверки при помощи индикаторов часового типа или лазерного центровщика. Обычно в качестве “неподвижной” выбирается часть механизма, положение которой в процессе выверки не меняется (насос, вентилятор), “подвижная” часть перемещается для устранения несоосности (двигатель).

Комплект для центровки включает:

измерительные индикаторы;
вычислительное устройство;
приспособления для установки индикаторов на валах;
комплект прокладок;
инструмент для измерения линейных размеров;
приспособления для подъёма и перемещения центрируемого узла.

Различают выверку ременных передач и центрирование валов.

Точная выверка ременных передач обеспечивает:

уменьшение трения и потребления энергии;
уменьшение вибрации и шума;
продление срока службы подшипников и ремней;
повышение безопасности;
уменьшение простоев;
снижение затрат на ремонты.

Виды перекоса ремней:

угловой перекос валов;
угловой перекос поверхностей шкивов;
параллельное смещение шкивов.

Сборка соединительных муфт

Соосность горизонтальных валов определяется центровкой по полумуфтам. Радиальные и осевые зазоры при центровке измеряют при исходном положении 0° и после поворота валов на 90°, 180° и 270° в направлении рабочего вращения. При каждом положении полумуфт проводят замер радиального и осевого зазора между полумуфтами. Для контроля правильности измерений, после четырёх замеров необходимо установить полумуфты в первоначальное положение (0°). Результаты повторных измерений в этом положении должны совпадать с первоначальными, в противном случае следует найти причину отклонения и устранить. Результаты измерений заносят в круговую диаграмму. Правильность измерения проверяют, сопоставив суммы результатов, полученных при измерении на противоположных сторонах полумуфт. Эти суммы должны быть равны между собой. Допускаемое отклонение не должно превышать 0,02 мм.

Полученные замеры по торцу и окружности можно привести к нулю путём вычитания из полученных результатов наименьшего зазора. В случае неудовлетворительных результатов центровки и необходимости перемещения валов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, определяют величины перемещения (рисунок 4.40):

где R = R₁ – R₂ – расцентровка валов по окружности; A = A₁ – A₂ – расцентровка валов по торцу.

Рисунок 4.40 – Схема центровки валов: I, II – плоскости замеров; 1 – центрируемый вал; 2 – базовый вал; №1…№4 – опоры

Порядок центрирования

Достижимая в промышленных условиях точность центрирования составляет 0,005…0,100 мм. Целью центровки является установка двигателя так, чтобы его вал являлся продолжением вала механизма.

Перед установкой приспособлений для центровки полумуфты должны быть разъединены, чтобы не было касаний между полумуфтами. Затем проверяют свободное проворачивание каждого из роторов и убеждаются в отсутствии задеваний.

Для измерения радиальных и осевых зазоров применяют приспособления различных конструкций, укрепляемых на полумуфтах или на валах вблизи полумуфт (рисунок 4.41). Приспособления должны обладать достаточной жёсткостью для того, чтобы не прогибаться при выполнении измерений и под действием собственного веса. Для повышения точности измерений устанавливают индикаторы перемещения (точность 0,01 мм).

Рисунок 4.41 – Приспособление для центровки

Устанавливают роторы так, чтобы риски на обеих полумуфтах совпадали, укрепляют центровочное приспособление. Внешнюю скобу устанавливают на полумуфте выверенной машины. После установки индикаторов необходимо проверить надёжность закрепления и отсутствие заеданий в механизме индикатора. Для этого слегка оттягивают измерительный стержень индикатора и возвращают на место. Стрелка индикатора должна при этом возвращаться на установленный отсчёт. При измерениях необходимо периодически убеждаться в том, что все скобы не касаются каких-либо частей машины; не следует касаться скоб руками.

Для измерения радиальных и осевых зазоров оба ротора одновременно поворачивают от исходного положения (0°) на 90°, 180° и 270° в направлении вращения приводного двигателя или механизма и измеряют зазоры в каждом из этих четырёх положений и при совпадении рисок. Чтобы измерения были точными, их должно производить одно лицо. Лёгкие роторы можно поворачивать вручную или рычагом, тяжёлые приходится поворачивать краном.

Центрировать можно при соединённых и при разъединённых муфтах. Проверка центровки при соединенных муфтах требует меньше времени и обеспечивает совместный поворот валов. При центровке с разъединёнными муфтами нужно очень тщательно проводить совместный поворот валов, чтобы риски, нанесенные на втулках полумуфт, совпадали как при отсчёте, так и при проворачивании валов.

Вначале проводят совмещение осей в вертикальном направлении, а затем в горизонтальном.

Пример

Пусть вал прицентровываемого механизма и скоба для измерения осевых зазоров имеют размеры, показанные на рисунке 4.42а, то есть l₁ = 350 мм, l₂ = 2000 мм, r = 400 мм. При измерении радиальных и осевых зазоров получены данные, приведенные на рисунке 4.42б, что соответствует расположению валов, показанному на рис. рисунке 4.42в; внешняя скоба установлена на полумуфте выверенной машины.

Рисунок 4.42 – Пример центровки при помощи одной пары скоб

Пользуясь формулами, получим:

y₁ = (a₁ – a₃) / 2 + ((b₁ – b₃) / 2) × l₁ / r = (0,65 – 0,45) / 2 + ((0,90 – 0,58) / 2) × 350 / 400 = 0,24 мм;
y₂ = (a₁ – a₃) / 2 + ((b₁ – b₃) / 2) × l₂ / r = (0,65 – 0,45) / 2 + ((0,90 – 0,58) / 2) × 2000 / 400 = 0,90 мм;
x₁ = (a₂ – a₄) / 2 + ((b₂ – b₄) / 2) × l₁ / r = (0,28 – 0,82) / 2 + ((0,80 – 0,68) / 2) × 350 / 400 = -0,22 мм;
x₂ = (a₂ – a₄) / 2 + ((b₂ – b₄) / 2) × l₂ / r = (0,28 – 0,82) / 2 + ((0,80 – 0,68) / 2) × 2000 / 400 = 0,03 мм.

Следовательно, подшипник 1 необходимо поднять вверх на 0,24 мм и передвинуть влево на 0,22 мм (знак “-“), а подшипник 2 поднять вверх на 0,90 мм и передвинуть вправо на 0,03 мм.

Правильное положение и соосность подшипников могут быть критичными факторами для срока службы и функционирования насосов. Отклонение от оси (несоосность) является частой причиной поломок подшипников качения. Несоосность может приводить к появлению трещин в сепараторе или даже к разлому сепаратора, в результате чего подшипник будет заедать, насос может выйти из строя, что повлечет за собой дорогостоящий простой оборудования. В результате несоосности также возникает кромочное нагружение, которое, как правило, приводит к преждевременному отказу подшипника. Стандартные методики вычисления ресурса подшипника подразумевают, что внутреннее и наружное кольца подшипника хорошо выровнены. Допустимая соосность у шарикоподшипников должна быть более 0,003 радиан (10 арк минут), а у цилиндрических роликоподшипников - 0,0012 радиан (4 арк минуты). Подшипники качения производятся с высоким классом точности. Поэтому, для того чтобы сохранить эту точность, необходимо обращаться с подшипником аккуратно и правильно устанавливать его на вал или в корпус. На практике необходимо также учитывать точность обработки сопрягающихся деталей. Несоосность может возникать по следующим причинам:

Несоосность отверстий корпуса
Заплечики стоят не перпендикулярно сопрягающимся деталям
Изгиб вала
Ошибки при монтаже
Неровность базовой поверхности
Нарушение плоскостности поверхности монтажа
Недостаточная жесткость монтажной поверхности

Диагностика несоосности
Если подшипник эксплуатировался в условиях несоосности, то это легко можно диагностировать по дорожке тел качения в подшипнике. Поскольку подшипник вращается, тела качения образуют дорожку износа на дорожках качения внутреннего и наружного колец. В хорошо выровненном подшипнике такая дорожка будет находиться к низу от центра внутреннего и наружного колец, а у подшипника с несоосностью дорожка будет неровной (см. рис. 1).

Как избежать возникновения несоосности
Несоосности можно избежать, если правильно и аккуратно выполнять процедуру монтажа подшипника. Первый шаг - это надлежащая конструкция и обработка сопрягающихся поверхностей вала и корпуса. Корпуса должны обладать необходимой жесткостью, чтобы обеспечивать прочную опору подшипника. В случае установки двух подшипников в один корпус, посадочные поверхности внутри корпуса должны быть спроектированы таким образом, чтобы гнезда обоих подшипников можно было обрабатывать за одну операцию. Рекомендованные классы точности и шероховатость валов и корпусов указаны в Таблице 1 для нормальных рабочих условий (значения IT – Международные классы точности по стандарту 286). Заплечики вала или корпуса, которые соприкасаются с торцом подшипника, должны быть перпендикулярны линии центра вала.

Галтели вала и корпуса не должны касаться фаски подшипника, при этом диаметр заплечика должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать торец подшипника полностью. При монтаже все сопрягающиеся поверхности должны быть очищены, а на краях прилегающих поверхностей не должно быть неровностей или заусенцев. Метод монтажа подшипника зависит от типа подшипника и типа посадки. Поскольку подшипники обычно используются на вращающихся валах, внутреннее кольцо необходимо устанавливать с тугой посадкой. Подшипники с цилиндрическим отверстием обычно устанавливаются методом запрессовки внутреннего кольца на вал (прессовая посадка) или за счет их нагревания для увеличения внутреннего диаметра (горячая посадка). Подшипники с коническим отверстием можно монтировать непосредственно на конический или цилиндрический вал при помощи конической втулки. В корпусе подшипники, как правило, устанавливаются со свободной посадкой. Если наружное кольцо имеет посадку с натягом, можно использовать пресс. Пользователи подшипников обязательно должны наносить небольшой слой масла на посадочные поверхности для предотвращения образования задиров. При запрессовке подшипника в корпус пресс должен касаться только наружного кольца. При запрессовке на вал пресс прилагает усилие на внутреннее кольцо

Уменьшение влияния несоосности на срок службы подшипника

Несколько решений в области применения подшипников предлагаются в целях уменьшения влияния несоосности на срок службы подшипника. Например, нейлоновый сепаратор является более гибким по сравнению со стальным сепаратором и, соответственно, может лучше компенсировать несоосность. Увеличение внутреннего зазора подшипника улучшит возможности компенсации погрешностей юстировки. Также можно использовать самоустанавливающиеся (или самовыравнивающиеся) шарикоподшипники. Такие подшипники имеют сферическую дорожку качения со специальным изгибом, что позволяет оси внутреннего кольца, шариков и сепаратора отклоняться в какой-то степени от центра подшипника. Однако при такой конструкции образуется меньший угол контакта между шариком и дорожкой качения, в результате чего обеспечивается небольшая грузоподъемность по сравнению с обычными радиальными шарикоподшипниками такого же размера. Допустимая статическая несоосность у такого типа подшипника составляет от 0,07 до 0,12 радиан (4 - 7 градусов) при нормальной нагрузке. Но такой угол возможен не всегда, т.к. это зависит от окружающей конструкции. В связи с тем, что стандартное вычисление ресурса подшипника, показателя L10, подразумевает, что подшипник хорошо выровнен при установке, необходимо делать дополнительные вычисления, чтобы определить влияние несоосности на усталостную долговечность подшипника. Максимальная допустимая несоосность подшипника зависит от размера и типа подшипника, внутреннего зазора при работе и нагрузки. Усталостная долговечность без несоосности принимается за Lθ 0, а усталостная долговечность с несоосностью принимается за Lθ. На рисунках 2 и 3 показано влияние несоосности на показатель долговечности радиального шарикоподшипника и роликоподшипника соответственно. На данных рисунках горизонтальная ось показывает отклонение от оси наружного и внутреннего колец (радианы), а вертикальная ось показывает показатель долговечности Lθ/Lθ=0. Для примера обычных условий эксплуатации, радиальная нагрузка Fr (N) для обеих схем была принята приблизительно за 10% динамической грузоподъемности Cr (N) , а вал был обработан согласно рекомендациям.

Было также учтено уменьшение внутреннего зазора в результате расширения внутреннего кольца. Схема 2 была составлена с учетом нормального радиального зазора для радиальных шарикоподшипников. Три графика представляют максимальный, минимальный и средний действительный зазор. Сокращение усталостной долговечности лимитировано до 5-10% при несоосности до 0,004 радиан, в связи с чем срок службы подшипника уменьшается не намного. Однако, если несоосность превышает данный предел, ресурс подшипника сокращается уже существенно. В данном сценарии увеличение внутреннего зазора на 11мкм привело к увеличению несоосности на ~0,0015 радиан.

На рисунке 3 показаны зазоры для цилиндрических роликоподшипников: нормальный зазор, зазоры С3 и С4. По сравнению с рисунком 2 показатель долговечности уменьшается более чем на 10% при несоосности 0,001 радиан. Небольшие отклонения между классами зазоров существуют, несмотря на общую разницу 50 мкм.

Конечно, несоосность больше влияет на ресурс роликоподшипников, чем шарикоподшипников, и это необходимо учитывать при выборе типа подшипника для новой конструкции насоса. В данных схемах учитываются обычные рабочие условия, но это подходит не для всех насосов. Уменьшение или исключение несоосности очень важно для длительного срока службы подшипника и насоса. В целях предотвращения появления несоосности необходимо соблюдать рекомендованные в каталоге допуски и методы установки. Если несоосности избежать невозможно, необходимо проводить дополнительные вычисления для определения влияния отклонения от оси на долговечность подшипника. Информацию о дополнительных вычислениях и анализе условий применения можно получить у производителя подшипников.

Читайте также: