The paper presents an investigation on tightening torque and preload prediction for bolts embedded in softwood using steel washers. A basis for the research was a lack of any information on the tightening torque value for bolted connections in the timber structures’ design codes. For this reason, two experimental tests, theoretical analysis and Finite Element modelling, were performed in the paper. The first experiment based on finding the tightening torque to relative displacement relationship. The next one enabled the author to check the maximal compressing force determined by theoretical approach. In this test, dependencies between plastic modulus including material’s compaction and modulus of elasticity were found too and then applied to the numerical model. Tightening torque was calculated according to agreed formulas elaborated for steel structures based on the obtained preload force value. The high correlation between results from the prepared numerical models and experimental tests was observed. The research presented in the paper has multiple applications, as estimating a proper tightening torque value that should clamp a bolted connection, predicting stresses in connection’s components and clamping pressure when connecting several elements due to tightening torque and bolt preload force introduction or predicting the structural response of multiple bolts connections in the first phase of the loading.
PL
W artykule przedstawiono badania dotyczące przewidywania momentu dokręcenia i siły sprężającej dla śrub osadzonych w miękkim drewnie iglastym przy użyciu podkładek stalowych. Podstawą badań był brak informacji o wartości momentu dokręcenia śrub w połączeniach śrubowych w normach projektowych konstrukcji drewnianych. Z tego powodu w artykule przeprowadzono dwa badania eksperymentalne, analizę teoretyczną oraz modelowanie Metodą Elementów Skończonych. Pierwsze doświadczenie polegało na wyznaczeniu zależności momentu dokręcenia od przemieszczenia względnego. Kolejne umożliwiło autorowi sprawdzenie maksymalnej siły ściskającej określonej teoretycznie. W teście tym znaleziono także zależności pomiędzy modułem plastycznym uwzględniającym zagęszczeniem materiału i modułem sprężystości, które następnie zastosowano do modelu numerycznego. Moment dokręcenia obliczono na podstawie ustalonych wzorów opracowanych dla konstrukcji stalowych bazując na uzyskanej wartości siły sprężającej. Zaobserwowano wysoką korelację pomiędzy wynikami opracowanych modeli numerycznych i wynikami badań eksperymentalnych. Badania przedstawione w artykule mają wiele zastosowań, jak oszacowanie właściwej wartości momentu dokręcenia, jaki powinien zostać wprowadzony do połączenia śrubowego, przewidywanie naprężeń w elementach połączenia i docisku podczas łączenia kilku elementów na skutek wprowadzenia momentu dokręcenia i siły sprężającej śruby, czy przewidywanie reakcji konstrukcji połączeń na wiele śrub w pierwszej fazie obciążenia.
The main purpose of using tapered roller bearings is to obtain high bearing stiffness. High bearing stiffness is achieved by using an appropriate mounting clamp in the bearing system. The mounting clamp, or in other words, the pre-clamp, is currently selected based on experience. The literature lacks precise indications regarding the size of the initial clamp of the bearing arrangement depending on the external load, and it is selected intuitively. The wrong choice of preload can have a disastrous effect on the life of the entire bearing arrangement. This study aims to determine the maximum preload in the tapered roller bearing system, taking into account its durability and the elasticity of the bearings and the shaft. In this article, different load variants are analysed, considering the effect of preload on the fatigue life of the bearing system, and recommendations are proposed for the acceptable preload value depending on the size of the bearings used.
PL
Głównym celem stosowania łożysk stożkowych jest uzyskanie dużej sztywności łożyskowania. Uzyskanie dużej sztywności łożyskowania osiąga się poprzez zastosowanie odpowiedniego zacisku montażowego w układzie łożysk. Zacisk montażowy czy inaczej mówiąc – zacisk wstępny dobierany jest obecnie w oparciu o doświadczenie. W literaturze brakuje dokładnych wskazówek dotyczących wielkości zacisku wstępnego układu łożysk w zależności od obciążenia zewnętrznego i jest on dobierany intuicyjnie. Zły dobór zacisku wstępnego może mieć katastrofalny wpływ na trwałość całego układu łożyskowego. Celem tej pracy jest określenie maksymalnego napięcia wstępnego w układzie łożysk stożkowych, biorąc pod uwagę jego trwałość przy uwzględnieniu sprężystości łożysk oraz sprężystości wału. W artykule przeanalizowano różne warianty obciążenia z uwzględnieniem wpływu napięcia wstępnego na trwałość zmęczeniową układu łożyskowego oraz zaproponowano zalecenia dotyczące dopuszczalnej wartości napięcia wstępnego w zależności od rozmiaru zastosowanych łożysk.
The aim of the paper is to analyse an exemplary bolted connection under the conditions of loss of bearing capacity of some fasteners in the connection. The presented tests are numerical and concern an asymmetric bolted connection. The joined elements in the connection were modelled as 3D finite elements, and the fasteners were treated as hybrid models consisting of rigid heads and nuts, and flexible beams between them. The bolted connection was first preloaded according to six different tensioning orders using a standardised force. After all bolts were tensioned, the selected bolts were removed, simulating bolt damage. The connection was then tested for external loads with temperatures ranging from 20 to 600°C. The influence of loosening the connection on the load in the remaining bolts at the operational stage of the connection was investigated. The calculation results were compared with the test results for a healthy bolted connection. It was shown that the bearing capacity of the connection in the damaged state decreased by 13%.
Tapered roller bearings are usually used in situations in which high bearing stiffness is required. However, a significant increase in stiffness can only be achieved by introducing initial tension (mounting clamp) to the angular contact bearings arrangement. Just like in case of angular contact ball bearings and tapered roller bearings, the preload is an axial displacement of one bearing relative to the other, measured from the neutral state and causing an increase in the internal forces in the bearings. Positive preload causes contact pressures of the rolling parts to appear even when no external force acts. The purpose of this work is to present the influence of the initial tension of a tapered roller bearings system on life of these bearings.
PL
Łożyska stożkowe są zwykle stosowane w takich sytuacjach, kiedy potrzebne jest uzyskanie dużej sztywności łożyskowania. Jednakże znaczące zwiększenie sztywności można uzyskać dopiero dzięki wprowadzeniu napięcia wstępnego (zacisku montażowego) do układu łożysk skośnych. Identycznie jak w wypadku łożysk kulkowych skośnych, i w wypadku łożysk stożkowych, zacisk wstępny jest przesunięciem poosiowym jednego łożyska względem drugiego, mierzonym od stanu neutralnego a powodującym wzrost sił wewnętrznych w łożyskach. Dodatni zacisk wstępny wywołuje pojawienie się nacisków kontaktowych części tocznych nawet wtedy, kiedy nie działa żadna siła zewnętrzna. Celem tej pracy jest przedstawienie wpływu napięcia wstępnego układu łożysk stożkowych na ich trwałość.
In standard solutions, reactions of the supports and bending moments in bearing shafts are calculated without taking into consideration the elasticity of the bearings themselves. They are treated as perfectly stiff supports of articulate character. Whereas, in reality, the majority of bearings do not fulfil conditions of being classified as joints, because the angular tilt of inner bearing ring in relation to the outer one causes inner elastic deformations in elements of bearings and the resulting reaction moments. These moments have an impact on reactions of bearings. The aim of the research is to determine how shaft loading influences the value of preload by using the criterion of the durability of the bearing and taking into consideration the elasticity of bearings.
PL
W standardowych rozwiązaniach oblicza się reakcje podpór i momenty gnące w łożyskowanych wałach bez uwzględnienia sprężystości samych łożysk. Są one traktowane jako doskonale sztywne podpory o charakterze przegubowym. Tymczasem w rzeczywistości większość rodzajów łożysk nie spełnia warunków przegubu, bowiem kątowe wychylenie pierścienia wewnętrznego względem zewnętrznego wywołuje sprężyste odkształcenia wewnętrzne w elementach łożysk i wynikające z tego momenty reakcyjne. Momenty te mają wpływ na reakcje łożysk. Celem przeprowadzonych badań jest określenie, jak wpływa obciążenie wału na wielkość zacisku wstępnego, kierując się kryterium trwałości łożyskowania i z uwzględnieniem sprężystości łożysk.
The article describes a test stand with a spindle equipped with an active bearing preload system using piezoelectric actuators. The proper functioning of the spindle and the active system was associated with the correct alignment of the spindle shaft and the drive motor. The article presents two methods of shaft alignment. The use of commonly known shaft alignment methods with dial indicators is insufficient from the viewpoint of being able to control this preload. This work aims at making the readers aware that, for systems with active bearing preload, the latest measuring devices should be used to align the shaft. The use of commonly known methods of equalization with dial gauges is insufficient from the point of view of controlling this preload. Increasing the accuracy of shaft alignment from 0.1 to 0.01 mm made it possible to obtain a 50% reduction in the displacement of the outer bearing ring during spindle operation.
In the paper, the numerical tests of the contact of a pair of flexible elements were presented. The non-linear phenomena occurring in the contact zone of two elements have been considered separately for the assembly and operational condition of the joint. The physical and mathematical models of the contact joint created using the finite element method were proposed. The contact joint is treated as a system composed of the subsystems: two of them are joined elements and the third one is the contact layer between the elements. The calculations results for the selected contact joint were given.
A proper preload has a decisive influence on the correct work of a system of bearings. According to specialist literature [L. 1, 2, 8, 12], the main benefits of preload application are the following: increasing the stiffness of a system of bearings, reducing noise during work, increasing the precision of the shaft driving, compensation for the wear and settle processes during work, and thus assurance of a longer life of the system. The aim of the study is to determine how application of preload influences the operation of angular bearings, i.e. their durability, stiffness, and friction. The influence of preload will be expressed in a relative way: through variations of ratios.
PL
Odpowiedni zacisk wstępny ma decydujący wpływ na prawidłową pracę układu łożysk. Jak podaje literatura [L. 1, 2, 8, 12] głównymi powodami stosowania zacisku wstępnego są następujące korzystne jego efekty: zwiększenie sztywności układu łożyskowego, zmniejszenie hałasu podczas pracy, zwiększenie dokładności prowadzenia wału, kompensacja procesów zużycia i osiadania podczas pracy, zapewnienie dłuższego czasu eksploatacji. Celem pracy jest określenie, jak wpływa zacisk wstępny na pracę układu łożysk skośnych, tj. na trwałość, sztywność i tarcie w łożyskach. Wpływ zacisku wstępnego będzie wyrażony przez zmianę odpowiednich wskaźników, czyli w sposób względny.
Angular contact ball bearings are usually used in the situation when high stiffness of a bearing is demanded. However, a significant stiffness improvement can be achieved only after introducing a preload (“assembly clamp”) into a system of angular bearings. The aim of the research was to develop a method of preload selection for a system of angular contact ball bearings. As a result, a higher stiffness of the bearing without significant loss in its durability will be obtained.
PL
Łożyska kulkowe skośne są zwykle stosowane w sytuacjach, kiedy potrzebne jest uzyskanie dużej sztywności łożyskowania. Jednakże znaczące zwiększenie sztywności można uzyskać dopiero dzięki wprowadzeniu napięcia wstępnego (tzw. zacisku montażowego) do układu łożysk skośnych. Celem przedstawionej pracy było opracowanie takiej metody doboru napięcia wstępnego układu łożysk kulkowych skośnych, wskutek której byłoby osiągnięte zwiększenie sztywności łożyskowania bez znaczącego uszczerbku dla jego trwałości.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
A test stand with a high speed spindle equipped with an active support, which provides the possibility of changing the preload of the bearings, was presented. The LabVIEW software environment was used for control. The benefits resulting from the use of the active system to reduce the amplitude of the vibration displacement of the spindle tip are presented.
PL
Przedstawiono stanowisko badawcze z wrzecionem szybkoobrotowym wyposażonym w podporę aktywną, która umożliwia zmianę napięcia wstępnego łożysk. Do sterowania wykorzystano środowisko programowe LabVIEW. Pokazano korzyści wynikające z zastosowania układu aktywnego do redukcji amplitudy przemieszczenia drgań końcówki wrzeciona.
The article presents FEM model of an angular contact ball bearing used in spindle systems with active preload control. A two-dimensional replacement model for a single rolling element was developed. Its elastic characteristics were determined and the stress distribution was presented for the FEM 2D model. Based on the elastic characteristics for a single rolling element, a complete 3D bearing was modelled. The substitute model of a bearing developed in this way was used to model the spindle system. The elasticity curve of this spindle was determined. The last stage of the work involved the experimental verification of the FEM model using a custom-built test bench, in which piezoelectric elements were used to preload the bearings.
The paper put forward a thesis that modelling dissymmetric non-linear multi-bolted connections as a system is possible. Modelling of the systems composed of four subsystems on the assembly state was presented. These subsystems included: a couple of joined elements (a flange and a support), a contact layer between them, and bolts. The physical model of the system was described considering the tightening of bolts according to a specific sequence. In this model: the flange and the support were built using spatial finite elements, the contact layer was formed as the non-linear Winkler model, and the bolts were replaced with simplified models made of flexible beams. The calculation model which can be applied to determine the changes in bolt forces, as well as in the normal contact pressure between the joined elements during the tightening of the system and at its end, was presented. The results of sample calculations for the selected multi-bolted system were shown.
The use of preloaded tapered roller bearings in wind turbine drive systems allows a transfer of load in the case of high variations of axial forces. The examined bearing system, a modification of a current design, consists of a pair of different sized bearings. Previous study showed the high sensitivity of tapered roller bearings on the existing radial interference. Dimensional tolerances used in the original design do not allow obtaining precise values of preload required for slippage-free operation of bearings with varying wind turbine load conditions. With the aim of achieving expected preload values, the use of plate springs (Belleville springs) is proposed. The springs will allow creating an axial force, independently of real dimensions in a modernised unit. Furthermore, it is very important in the case of gearbox retrofits to be executed up in the wind turbine nacelle without dismantling the gearbox.
PL
Układ napędowy turbiny wiatrowej przy wykorzystaniu łożysk stożkowych napiętych wstępnie pozwala na przeniesienie napędu z wysokim stosunkiem siły obwodowej do siły promieniowej. Badany układ łożysk składa się z pary dwóch łożysk o różnych wymiarach. Układ taki powoduje trudności obliczeniowe polegające na braku metod obliczeniowych takich układów oraz brak możliwości zapewnienia prawidłowych wartości napięcia wstępnego przy zastosowaniu komercyjnie dostępnych łożysk. W celu osiągnięcia prawidłowych wartości napięcia wstępnego proponowane jest zastosowanie sprężyn talerzowych, które pozwalałoby na generowanie określonej siły osiowej, uniezależniając układ od istniejących warunków wymiarowych. Jest to istotne, ponieważ umożliwia modernizację przekładni w gondoli turbiny wiatrowej bez konieczności kosztownego demontażu przekładni.
A system of two taper roller bearings can carry loads with a high ratio of axial load to radial load. Such a system was proposed for a wind turbine gearbox following the poor durability of original bearing design with the aim of increasing durability. Because of size limits, a proposed system is composed of two different taper roller bearings. Standard manufacturers’ catalogues do not provide information on recommended pre-load or clearance conditions or the durability as a function of pre-load. That was the reason why durability was calculated on the basis of software provided by one of the manufacturers. The analysis presented in the paper shows the relationship between bearing fits, preload values, and the theoretical durability of the bearing.
PL
Zastosowanie zespołu łożysk stożkowych napiętych wstępnie pozwala przenosić obciążenia charakteryzujące się wysokim stosunkiem siły osiowej do siły promieniowej. Rozwiązanie wykorzystujące taki układ zaproponowano do przekładni turbiny wiatrowej w celu poprawy trwałości łożyskowania. Ze względu na ograniczenia gabarytowe jak i warunki obciążenia, zaproponowano układ dwóch różnych łożysk stożkowych. Katalogi producentów łożysk nie przedstawiają metod obliczeniowych trwałości takich zespołów. Trwałość zespołu łożyskowego została obliczona z wykorzystaniem oprogramowania dostarczonego przez producenta łożysk zgodnie z normą ISO/TS 16281:2008. W pracy przedstawiono analizę wzajemnych zależności między pasowaniem łożysk oraz wstępnym luzem osiowym między łożyskami układu a roboczym napięciem wstępnym oraz obliczeniową trwałością.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Modelling of an asymmetrical preloaded bolted ange joint, loaded with a normal external force is presented. The physical model of the joint is designed as a pair of elements (which are a flexible flange element and a rigid support) clamped using simplified models of bolts. Between the joined elements the Winkler model of a contact layer is introduced. The impact of nonlinearity of the contact layer on operational forces in the bolts is analysed. Conclusions of major importance to modelling of preloaded bolted flange joints are put up.
The paper deals with modelling and calculations of asymmetrical multi-bolted joints at the assembly stage. The physical model of the joint is based on a system composed of four subsystems, which are: a couple of joined elements, a contact layer between the elements, and a set of bolts. The contact layer is assumed as the Winkler model, which can be treated as a nonlinear or linear model. In contrast, the set of bolts are modelled using simplified beam models, known as spider bolt models. The theorem according to which nonlinearity of the contact layer has a negligible impact on the final preload of the joint in the case of its sequential tightening has been verified. Results of sample calculations for the selected multi-bolted system, in the form of diagrams of preloads in the bolts as well as normal contact pressure between the joined elements during the assembly process and at its end, are presented.
Łożyska kulkowe skośne są zwykle stosowane w takich sytuacjach, kiedy potrzebne jest uzyskanie dużej sztywności łożyskowania. Jednakże znaczące zwiększenie sztywności można uzyskać dopiero dzięki wprowadzeniu napięcia wstępnego (tzw. zacisku montażowego) do układu łożysk skośnych. Celem tej pracy jest określenie, jak położenie płaszczyzny obciążenia wpływa na dobór zacisku.
EN
Angular contact ball bearings are commonly used when high stiffness of the bearing is needed. However, a significant stiffness increase can be achieved only through introducing preload (mounting tightness) to the system of angular ball bearings. The aim of the study is to determine how the location of a plane of a load influences the selection of preload in a system of angular contact ball bearings, and, in consequence, the durability of the bearing.
The paper presents a research position with the spindle-speed. It is used in the PhD thesis, the aim of which is to develop an active bearing case. This case is intended to provide the opportunity to actively change the preload of the spindle of ball angular contact bearings. The article describes the construction of the test and the parameters of both spindle and measurement systems. It shows the hardware configuration used for the initial measurements. These measurements will allow to determine the operating parameters of the spindle so that setting a real relationship changes the preload of the spindle for changing working conditions. For data acquisition and control software environment LabVIEW was used, its general philosophy is presented in the work. The authors also present the application created in this program which allows for simultaneous control of spindle speed and monitoring of selected parameters of its work.
W ostatnich latach obserwuje się wprowadzanie do typowych konstrukcji łożyskowań tocznych wstępnego obciążenia w celu podniesienia trwałości łożysk tocznych. W artykule przedstawiono wpływ napięcia wstępnego łożysk oraz występującego obciążenia poprzecznego i wzdłużnego na trwałość i opory ruchu łożyskowań na łożyskach tocznych kulkowych zwykłych. W wyniku analizy potwierdzonej badaniami okazało się, że można dobrać obciążenie wstępne oraz dobrać odpowiedni luz poprzeczny w łożysku kulkowym zwykłym tak, że trwałość łożyska ulegnie zwiększeniu jak i zmniejszeniu ulegną opory ruchu ułożyskowania. Opracowana metoda pomiaru momentu oporów ruchu w łożyskach tocznych, nazwana „metodą wybiegu”, wykazała przydatność dając konkretne wyniki w postaci nieznanych dotąd informacji na temat zmniejszania się momentu oporów ruchu dla łożysk z powiększonym luzem poprzecznym w zakresie pracy pod kątem obciążenia mniejszym od kąta działania łożyska. Pokazano jak poszczególne kulki w łożysku są obciążone w zakresie od obciążenia poprzecznego do wzdłużnego oraz co się dzieje z sumą sił oddziaływania kulek na bieżnie przy określonej sile zewnętrznej obciążającej łożysko.
EN
In order to extend life of roller bearings, a preload has been recently introduced to typical designs of roller bearings. The paper presents influence of the bearing preload as well as the existing radial and axial load on the life and resistance to motion of supports by standard ball bearings. As results from the proposed analysis, proved by a respective experimental study, it turned out that it was possible to select a preload and an appropriate radial clearance of a standard ball bearing in such a way that its life would be increased, and at the same time the resistance to motion of such support would be decreased. One developed so-called “coasting method” of measuring the torques of resistance to motion in roller bearings; it was proved to be useful and yielded specific results in a form of information, unknown so far, which concerns decreasing the torque of resistance to motion for bearings with increased radial clearance while operating under load angle smaller than the contact angle of the bearing. It is presented how particular balls in the bearing are loaded as the load direction changes from radial to axial and what happens to the sum of interaction forces between the balls and raceways at a specific external force loading the bearing.
20
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W celu pomiaru wielkości charakteryzujących warunki pracy mechanizmu zespołu śruba nakrętka toczna wykonano stanowisko dydaktyczne. Umożliwia ono wprowadzenie i pomiar napięcia wstępnego nakrętek, zadawanie obciążenia zewnętrznego, a także pomiar przemieszczeń nakrętek względem śruby i oporów ruchu. Umożliwa ono również określenie wartości maksymalnego obciążenia zewnętrznego, powyżej którego nastąpi otwarcie obciążanej nakrętki.
EN
In order to measure quantities characterizing the operating conditions of the mechanism an educational test stand was developed. It allows the introducing and measuring the preload of ball nuts, application of the external load, and measuring displacements of the nuts with respect to the screw and the resistance to motion. It allows also specify the maximum external load above which will open the nut.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.