ПОДШИПНИК РОЛИКОВЫЙ РАДИАЛЬНЫЙ

Полезная модель относится к конструкциям подшипников роликовых радиальных, которые могут быть использованы для монтажа узлов опор роторов газотурбинных двигателей.
Подшипник может быть установлен на базовые поверхности опор и эффективно работать как при вращении одного из колец (при посадке одного кольца на вал, а второго кольца на неподвижную опору), так и при вращении двух колец одновременно (когда он расположен между двух валов и является межвальным).
Необходимо отметить, что межвальные подшипники, на которых смонтированы валы газотурбинного двигателя, в процессе работы двигателя часто бывают недозагружены. В данной ситуации ролики «зависают», то есть, они не контактируют с двумя кольцами одновременно, а прижимаются к внешнему кольцу и частота их вращения относительно оси подшипника стремится к частоте вращения внешнего кольца. Однако при изменении режимов работы двигателя или при перегрузках и эволюциях самолета, нагрузки на подшипники могут увеличиваться. В момент контакта тел качения с двумя кольцами подшипника ролики начинают вращаться с частотой, равной половине суммы частот роторов и частота их вращения должна снизиться (если внешнее кольцо вращается быстрее внутреннего) и в этот момент их начинает тащить сепаратор, который вместе с роликами в период их зависания получил большую скорость. Отмеченное выше обуславливает большие динамические нагрузки и проскальзывание роликов относительно дорожек качения колец подшипников, что снижает срок их службы за счет износа роликов, колец и сепаратора и вызывает ударные нагрузки.
Поэтому весьма актуальной задачей является разработка конструкции радиального роликового подшипника, обеспечивающей на всех режимах эксплуатации постоянный контакт части роликов с кольцами, что позволит исключить проскальзывание роликов относительно колец.
Известен подшипник качения, содержащий наружное и внутреннее кольца и размещенные между ними тела качения. На торце колец выполнены резьбовые отверстия для крепления шайбы, фиксирующей подшипник в подшипниковом узле
При монтаже подшипника качения в подшипниковом узле, наружное кольцо устанавливают в посадочное место корпуса, а внутреннее - на посадочное место вала, причем кольца подшипника устанавливают на посадочных местах без натяга, в кольцах выполняют резьбовые отверстия, при помощи которых к подшипнику крепят шайбу.
(см. патент РФ №2006709, кл.F16С 35/06, 1994 г.)
В результате анализа выполнения данного подшипника необходимо отметить, что его конструкция при динамических нагрузках не обеспечивает постоянного контакта части тел качения с дорожками колец, что вызывает повышенный износ тел качения и дорожек колец.
Известен подшипник радиальный роликовый, содержащий внутреннее и наружное кольца, между которыми размещены собранные в сепараторе элементы качения - ролики. Наружное кольцо подшипника выполнено с овальным посадочным диаметром, величина которого определяется как разность диаметров наружного кольца в двух сечениях по формуле
Δ
max
min
=D-D,
max
где D - максимальная величина овального посадочного диаметра наружного кольца;
min
D - минимальная величина овального посадочного диаметра наружного кольца.
Для обеспечения овальности беговой дорожки наружного кольца оно устанавливается в цилиндрическое отверстие корпуса опоры, диаметр которого определяется выражением:
max
отв
π
Doтв=2DE(k)/, где D, - диаметр цилиндрического отверстия корпуса опоры;
max
D - максимальная величина овального посадочного диаметра наружного кольца;
E(k] - эллиптический интеграл 2-го рода. При этом модуль эллиптического интеграла определяется выражением:
2
2
min
max
k=1-(D/D).
max
Δ
При установке наружного кольца в посадочное отверстие опоры его ориентируют относительно направления действия радиальной нагрузки на опору, при этом, больший диаметр кольца (D) располагают перпендикулярно линии действия радиальной нагрузки. При этом происходит деформация наружного кольца - увеличение диаметра по направлению линии действия радиальной нагрузки и уменьшение в направлении, перпендикулярном линии действия. Сумма деформаций в двух направлениях обеспечивает овализацию беговой дорожки с величиной овальности . При этом минимальное значение радиального зазора в подшипнике с овальным наружным кольцом будет равно:
min
0
max
oтв
g=g(D-D)
min
где g - минимальное значение радиального зазора в подшипнике;
0
g - величин овальности наружного кольца подшипника.
max
min
Δ
Максимальное значение зазора будет равно: g=g+
max
min
Изменение радиального зазора в зоне нагружения от g до g обеспечит увеличение количества роликов, воспринимающих радиальную нагрузку, и, тем самым, снижение контактных напряжений. Вследствие этого уменьшается опасность возникновения проскальзывания роликов и увеличивается долговечность подшипника. Оптимальное значение овальности устанавливается по зависимости долговечности от величины овальности кольца.
(см. патент РФ на полезную модель №101120 кл. F16C 19/22, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного подшипника необходимо отметить, что его конструкция обеспечивает контакт с наружным и внутренним кольцами определенного количества роликов, что уменьшает проскальзывание и увеличивает долговечность подшипника. Однако, для данной конструкции подшипника характерны сложность его изготовления и монтажа, а также невозможность полного предотвращения проскальзывания роликов на всех режимах эксплуатации для случая вращения внешнего кольца или двух колец одновременно (межвальный), когда зазор подшипника существенно увеличивается за счет действия центробежных сил и нет механизма, обеспечивающего постоянный контакт роликов с двумя кольцами одновременно.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение долговечности подшипника и эффективности его работы, особенно для подшипников с вращающимся внешним кольцом или двумя одновременно (межвальный), за счет обеспечения гарантированного контакта определенного количества роликов с дорожками колец подшипника на всех режимах, даже при существенном увеличении зазора в подшипнике, и устранения проскальзывания роликов относительно дорожек колец.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в подшипнике роликовом радиальном, содержащем наружное и внутреннее кольца и расположенные между ними тела качения, новым является то, что на одном из колец подшипника образованы два диаметрально противоположных локальных участка с измененной погонной массой, причем локальные участки с измененной погонной массой могут быть образованы удалением материала кольца, наращиванием материала кольца, или образованы как одно целое с кольцом в процессе его формообразования.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - подшипник, общий вид;
- на фиг.2 - вид Б по фиг.1 (пазы выполнены прямоугольной формы под шпонку);
- на фиг.3 - вид Б по фиг.1 (пазы выполнены закругленной формы под штифт);
- на фиг.4 - смонтированный на валах подшипник с закрепленным в торцевом направлении кольцом;
- на фиг.5 - разрез А-А по фиг.4.
- на фиг.6 - смонтированный на валах подшипник с закрепленным в радиальном направлении кольцом;
- на фиг.7 - разрез А-А по фиг.6:
- на фиг.8 - подшипник с овализированным наружным кольцом.
Подшипник роликовый радиальный содержит наружное 1 и внутреннее 2 кольца, между которыми расположены тела качения (ролики) 3.
На наружном кольце 1 или внутреннем кольце 2 подшипника, диаметрально противоположно, образованы как минимум, два места (участка), имеющие иную (большую или меньшую) погонную массу, по сравнению с участками аналогичного размера кольца.
Места, имеющие меньшую погонную массу, могут быть образованы удалением материала, например, выполнением лысок (см фиг.8), расположенных диаметрально противоположно на посадочном диаметре наружного кольца или внутреннего кольца.
Недостатком выполнения лысок на посадочном диаметре является то, что они ослабляют несущую способность кольца, ухудшают посадку и при их изготовлении (которое осуществляется как правило, электроэрозией) может произойти деформирование дорожки качения кольца.
Более предпочтительно места, имеющие меньшую погонную массу, образовывать углублениями (отверстиями, пазами) 4 (под шпонки) и 5 (под штифты), выполненными диаметрально противоположно на торцах наружного или внутреннего кольца (1 или 2). При монтаже подшипника в углубления 4 и 5 вставляют шпонки 6 или штифты 7, которые устраняют проскальзывание наружного кольца подшипника относительно посадочного места наружного вала 8, а внутреннее кольцо подшипника устанавливают на посадочное место внутреннего вала 9.
Кроме этого, на участках кольца с уменьшенной массой имеет место локальное уменьшение жесткости кольца, что также способствует увеличению овала кольца.
Места, имеющие большую погонную массу, могут быть образованы навешиванием на них дополнительной массы в виде грузов, прикрепленных на торцы кольца (1 или 2), например, сваркой, пайкой и пр. При серийном изготовлении подшипников, они могут быть выполнены в виде выступов на торцах кольца за одно целое с ним при изготовлении кольца больших размеров с последующей удалением шлифовкой прилегающих к кольцу элементов, а также могут быть выполнены литьем или прессованием из порошка.
Наличие на двух диаметрально противоположных сторонах кольца локальных мест с иной массой за счет измененной погонной массы кольца в окружном направлении приводит к тому, что при вращении кольца происходит его овализация и на малой оси вала, где диаметр кольца уменьшается, люфт подшипника будет устранен и ролики будут контактировать одновременно с двумя кольцами, т.е. будет образовываться натяг между кольцами 1 и 2 и телами качения 3, что обеспечивает гарантированный контакт дорожек колец с телами качения и устраняет их проскальзывание относительно дорожек колец.
Для реализации возможности овализации наружного кольца (см. фиг.8, штриховая линия) его установка на посадочное место должна производиться с зазором, позволяющим обеспечить увеличение диаметра кольца по большой оси овала, причем кольцо в осевом направлении должно быть свободным.
Для реализации возможности овализации внутреннего кольца его установка на вал должна производиться с зазором, достаточным для отсутствия контакта кольца с валом по малому диаметру овала, причем кольцо в осевом направлении должно быть свободным.
С двух сторон (или с одной) подшипника размещают стопорные кольца.
Локальные участки с измененной массой должны изготовляться при допустимой погрешности масс каждого места не более 1% от усредненной массы всех участков с измененной массой.
При однородной массе кольца в окружном направлении увеличение диаметра от центробежных сил при частоте вращения внешнего кольца 13300 об/мин, составляет 50 мкм и на эту величину увеличивается зазор подшипника по сравнению с монтажным люфтом (при постановке подшипника на посадочное место и ротор неподвижен).
Методики расчета овализации при удалении или навешивании материала на кольца известны специалистам.
При выполнении на двух диаметральных участках внешнего кольца подшипника типоразмера 95×130×18 двух пазов с торцов кольца на внешнем диаметре с размерами 6×4×2 мм (в окружном направлении, по ширине кольца и глубиной в радиальном направлении) уменьшение массы на каждом пазе составляет 0.306 г, а на двух диаметрально противоположных участках кольца - по 0.61 г.
При наличии пазов диаметр кольца между участками с уменьшением массы уменьшается на 4.6 мкм по сравнению с неподвижным кольцом, а в диаметрально противоположном направлении происходит увеличение диаметра на 98 мкм.
При вращении наружного кольца, посадочные место под него (вал) также вращается с такой же частотой и происходит увеличение диаметра посадочного вала на 50 мкм. В этом случае зазор между кольцом подшипника и посадочным валом при неподвижном роторе должен быть 50 мкм.
При увеличении массы в виде "ушек" на двух диаметрально противоположных местах кольца подшипника массами 0.54 г приводит к увеличению диаметра по направлению мест на кольце подшипника с увеличенной массой на 97 мкм, а в диаметрально противоположном направлении уменьшение составит 28 мкм.
Применение данного подшипника при овализации одного вращающегося кольца подшипника под действием центробежных сил за счет изменения погонной массы на двух диаметрально противоположных местах (участках) кольца позволяет обеспечить повышение долговечности подшипника и эффективность его работы на всех режимах его работы за счет обеспечения гарантированного контакта определенного количества роликов с дорожками колец подшипника и устранения проскальзывания роликов относительно дорожек колец.