Исследование влияния степени соприкосновения поверхностей качения на контактные напряжения в шариковых радиальных подшипниках

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Исследование посвящено определению коэффициентов степени соприкосновения поверхностей качения с учетом поля допуска тел качения, а также влияния коэффициентов степени соприкосновения на максимальные контактные напряжения в шариковых радиальных подшипниках. Разработана методика определения максимальной величины коэффициента степени соприкосновения поверхностей качения шариковых радиальных подшипников с учетом поля допуска тел качения. Установлено, что коэффициент степени соприкосновения поверхностей качения для каждого типоразмера подшипника с определенным радиусом дорожек качения располагается в диапазоне, который зависит от предельных размеров тел качения. Показано, что коэффициент степени соприкосновения тел качения с дорожками наружного кольца при одинаковой вспомогательной величине, учитывающей сумму и разность кривизн поверхностей качения, больше, чем внутреннего. Поэтому для снижения контактных напряжений на наружном кольце подшипника радиус его дорожки качения может быть выполнен меньше, чем на внутреннем. Разработана методика расчета максимальных контактных напряжений на дорожках качения шариковых радиальных подшипников с учетом коэффициента степени соприкосновения поверхностей качения и поля допуска тел качения, которая позволяет выполнять расчет контактных напряжений для радиальных шариковых подшипников любого типоразмера при любых коэффициентах степени соприкосновения поверхностей качения.

Полный текст

Введение Шариковые радиальные однорядные подшипники по ГОСТ 8338-751 являются одними из самых распространенных типов подшипников2. Благодаря своей универсальности они имеют множество областей применения и производятся в широком диапазоне размеров. Их отличает простота конструкции, высокая надежность. Они не требуют особого технического обслуживания. По сравнению с другими типами под- 1 ГОСТ 8338-75. Межгосударственный стандарт. Подшипники шариковые радиальные однорядные. Основные размеры. Издание 01.09.2003 г. с изменением № 1, утвержденным в октябре 1983 г. (ИУС № 2-84). М.: Издательство стандартов, 2003. 2 Носов В.Б., Карпухин И.М., Федотов Н.Н. Подшипниковые узлы современных машин и приборов: энциклопедический справочник. М.: Машиностроение, 1997. 640 с. шипников шариковые радиальные подшипники работают с минимальными потерями на трение. Поэтому они способны работать с высокими скоростями вращения. Шариковые радиальные подшипники имеют глубокие дорожки качения, радиус кривизны которых близок к размеру шариков. Это позволяет им воспринимать не только радиальные, но и осевые нагрузки. При конструировании опор на подшипниках качения возникает необходимость в определении напряжений и деформаций в контакте шариков с дорожками качения. При этом необходимо учитывать, что приложенная к подшипнику нагрузка воспринимается небольшими участками дорожек качения подшипника. Поэтому напряжения в местах контакта с ними тел качения даже при сравнительно небольших нагрузках оказываются весьма значительными. Нормальные напряжения в подшипниках качения в местах точечного и линейного контакта равны соответственно σ 5000 МПа и σ 3500 МПа3 [1-3]. Причем высокие напряжения сжатия сконцентрированы только в зоне контакта. Поэтому прочностные свойства подшипников качения зависят главным образом от напряжений, возникающих на поверхности контакта. Деформации в контакте поверхностей качения ввиду их высокой твердости сравнительно невелики. Контактные напряжения и деформации в подшипниках качения зависят от нагрузки, упругих характеристик, размеров и формы контактирующих тел. Но стандарт не регламентирует внутреннюю конструкцию подшипников4. Проблеме оптимизации размеров дорожек и тел качения шариковых радиальных подшипников посвящен целый ряд технических решений и работ5 [4-6]. Однако подробное исследование данного вопроса в литературе отсутствует. 1. Определение максимального коэффициента степени соприкосновения и контактных напряжений на дорожках качения подшипников Тело качения (шарик) может иметь с дорожкой качения внутреннего или наружного кольца ненагруженного подшипника точечный или линейный контакт. Точечный контакт - соприкосновение в одной точке. Линейный контакт - соприкосновение вдоль изогнутой линии, имеюрадиусы дорожек качения наружного и внутреннего колец равны радиусу тела качения. В этом случае поверхность дорожки качения совпадает с поверхностью желоба наружного и внутреннего колец, а контакт шарика с дорожкой качения происходит по всей длине ее образующей [7-9]. Это нежелательно ввиду большого момента трения в подшипнике. С увеличением момента трения повышается износ дорожек и тел качения. При этом ширина дорожки качения меньше диаметра шарика. Поэтому в местах сопряжения дорожек качения подшипников с поверхностью бортов, где обычно имеются участки с малыми радиусами закругления, будет иметь место концентрация нагрузки. Кроме того, из-за деформации самих шариков в этих местах возникают высокие контактные напряжения. Высокие контактные напряжения снижают работоспособность подшипников. Поэтому тело качения должно иметь с дорожкой качения внутреннего и наружного кольца ненагруженного подшипника точечный контакт. В большинстве конструкций шариковых радиальных подшипников дорожки качения обоих колец довольно плотно прилегают к шарикам. Коэффициент, характеризующий степень соприкосновения поверхностей качения в контакте (рис. 1), зависит от геометрии и соотношения размеров этих поверхностей. Для шарикоподшипников коэффициенты степени соприкосновения6 [10; 11] щей нулевую ширину. При линейном контакте 3 Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: в w D Ф 2rв 1 2/в r ; Фн Dw 2rн r 1 2/н ; (1) расчет, проектирование и обслуживание опор: справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 608 с. 4 Носов В.Б., Карпухин И.М., Федотов Н.Н. Подшип-
×

Об авторах

Юрий Вениаминович Белоусов

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: belou.80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7591-8313

кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования машин

Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

Валерий Владимирович Кириловский

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: proekt.33@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2989-500X

кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования машин

Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

Федор Владимирович Рекач

Российский университет дружбы народов

Email: rekfedor@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8584-6755

доцент департамента строительства, Инженерная академия

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы

  1. Vijay A, Sadeghi F. A continuum damage mechanics framework for modeling the effect of crystalline anisotropy on rolling contact fatigue. Tribology International. 2019;140: 105845. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105845
  2. Paulson NR, Evans NE, Bomidi JAR, Sadeghi F, Evans RD, Mistry KK. A finite element model for rolling contact fatigue of refurbished bearings. Tribology International. 2015;85:1-9. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.12.006
  3. Jiaxian C, Wentao M, Yuejian Ch. Transferable health indicator for rolling bearings: a new solution of cross-working condition monitoring of degradation process. 2020 Asia-Pacific International Symposium on Advanced Reliability and Maintenance Modeling. IEEE; 2020. p. 1-6. https://doi.org/10.1109/APARM49247.2020.9209439
  4. Кириловский В.В., Белоусов Ю.В. Теоретическое обоснование новых особенностей работы подшипников качения в условиях комбинированного нагружения // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2021. Т. 22. № 2. С. 184-195. https://doi.org/10.22363.2312-8143-2021-22-2-184-195
  5. Кириловский В.В., Белоусов Ю.В. Экспериментальная проверка новых особенностей работы подшипников в условиях комбинированного нагружения // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2021. Т. 17. № 3. С. 278-287. http//doi.org/10.22363/1815-5235-2021-17-278-287
  6. Полубарьев И.Н., Дворянинов И.Н., Салиев Е.Р. Экспериментальная проверка нового подхода к определению нагрузок, действующих на шариковые радиальные однорядные подшипники // Форум молодых ученых. 2017. № 9 (13). С. 591-600.
  7. Golmohammadi Z, Sadeghi F. A 3D finite element model for investigating effects of refurbishing on rolling contact fatigue. Tribology Transactions. 2020;63(2):251-264. https://doi.org/10.1080/10402004.2019.1684606
  8. Weinzapfel N, Sadeghi F, Bakolas V. A 3D finite element model for investigating effects of material microstructure on rolling contact fatigue. Tribology and Lubrication Technology. 2011;67(1):17-19.
  9. Abdullah MU, Khan ZA, Kruhoeffer W, Blass T. A 3D finite element model of rolling contact fatigue for evolved material response and residual stress estimation. Tribology Letters. 2020;68:122. https://doi.org/10.1007/s11249020-01359-w
  10. Bogdański S, Trajer MA. Dimensionless multi-size finite element model of a rolling contact fatigue crack. Wear. 2005;258(7-8):1265-1272. https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.03.036
  11. Lin H, Wu F, He G. Rolling bearing fault diagnosis using impulse feature enhancement and nonconvex regularization. Mechanical Systems and Signal Processing. 2020;142: 106790. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106790
  12. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. 576 с.
  13. Wang H, Du W. A new K-means singular value decomposition method based on self-adaptive matching pursuit and its application in fault diagnosis of rolling bearing weak fault. International Journal of Distributed Sensor Networks. 2020;16. https://doi.org/10.1177/1550147720920781
  14. Gaikwad JA, Gholap YB, Kulkarni JV. Bearing fault detection using Thomson’s multitaper periodogram. 2018 Second International Conference on Intelligent Computing and Control Systems. IEEE; 2018. p. 1135-1139. https://doi.org/10.1109/ICCONS.2018.8663183
  15. Smith WA, Randall RB. Diagnostics using the case western reserve university data: a benchmark study. Mechanical Systems and Signal Processing. 2015;64-65: 100-131. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2015.04.021
  16. Gao Z, Lin J, Wang X, Xu X. Bearing fault detection based on empirical wavelet transform and correlated kurtosis by acoustic emission. Materials. 2017;10(6):571. https://doi.org/10.3390/ma10060571
  17. Орлов А.В. Повышение статической грузоподъемности шарикоподшипников // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 5. С. 67-70.

© Белоусов Ю.В., Кириловский В.В., Рекач Ф.В., 2022

Ссылка на описание лицензии: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcode

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах