ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫЙ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
COMPLEX CAGELESS BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Известны комбинированные подшипники качения с короткими цилиндрическими роликами. Например, №612888К, содержит внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные из четырех рядов коротких цилиндрических роликов, и содержит с двух сторон два кольца с дорожками качения для цилиндрических роликов, которые выполняют роль упорных подшипников.
К недостаткам известного подшипника относятся малая частота вращения, наличие трения качения с проскальзыванием тел качения, повышенный шум, низкая долговечность, высокая температура нагрева, например от 100°С и более.
Тела качения - ролики в радиальном участке подшипника не могут одновременно катиться по двум диаметрам наружному и внутреннему дорожкам качения без проскальзывания. Кроме этого, тела качения в контакте с дорожкой качения наружного кольца заставляют его вращаться в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вала. А, как правило, наружное кольцо неподвижно, оно защемлено. Вот почему греется подшипник, когда отношение пути скольжения тел качения к пути качения равняется, например, 24/1. А трение скольжения тел качения к трению качения относится как 500/1 и 10 000/1. По этой причине подшипник перегревается.
А в двух упорных подшипниках с цилиндрическими роликами - весь комплект роликов катится только в одной точке, а все остальные контактные поверхности - скользят.
Известны комбинированные подшипники качения с игольчатыми роликами, например, №594000. Их недостатки аналогичны недостаткам подшипника, описанного и приведенного выше.
Известен подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный - прототип по заявке №2006138364, содержащий однобортовое наружное и двухбортовое внутреннее кольца с дорожками качения и размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов двухступенчатого типа, большая ступень роликов верхнего яруса, имеющая два участка контактирует только с дорожкой качения наружного кольца по линии, а большие ступени роликов нижнего яруса, выполненные с тремя участками контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца по линии, а меньшие ступени верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса, а наружное кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, с постоянной и одинаковой частотой вращения в противоположные стороны в каждом из ярусов, при этом должно выполняться условие сборки подшипника качения:
,
а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, причем в проточки меньших ступеней роликов нижнего яруса входят с зазором два участка больших ступеней роликов верхнего яруса, при этом диаметры трех участков больших ступеней нижнего яруса, контактирующих с тремя участками меньших ступеней роликов верхнего яруса, - равны, и все ролики как верхнего, так и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего яруса.
К недостаткам известного подшипника качения относится относительно невысокая грузоподъемность в радиальном направлении и малая осевая грузоподъемность.
Известные стандартные упорные подшипники качения с коническими роликами имеют основной недостаток - большое трение скольжения между торцами роликов и упорными бортами колец, когда под действием больших радиальных нагрузок борта изнашиваются и скалываются. Эти подшипники имеют малую допустимую частоту вращения, например, скорости от 5 до 10 м/с, что и сдерживает их широкое применение.
Цель изобретения:
-1
- обеспечение более высокой частоты вращения, например, до 1000 мин;
- повышение грузоподъемности как осевой, так и радиальной в два раза;
- снижение шума, например, до 40…60 дБ;
- устранить перекосы и возможность заклинивания тел качения;
- обеспечить реверсивную работу;
- увеличить долговечность, как недостаток, например, в 15…20 раз;
- заполнить свободную нишу подшипнику качения, работающему в условиях чистого качения;
- обеспечить пониженную температуру нагрева подшипника при его эксплуатации, например, до 50°С.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что в конических роликах выполнено ступенчатое коаксиальное отверстие, в котором свободно расположены виброэлементы из металлокерамического сплава, например, из ВК25 сферического типа и различной массой, расположенные между двумя магазинами, выполненными из пористой металлокерамики, пропитанной смазкой, установленными на конусных участках отверстия, а конический ролик снизу содержит дополнительный подпятник, выполненный, например, из шарика, заключенного в обойму и опирающегося на тарельчатую пружину, последний контактирует с поверхностью опорного кольца, жестко зафиксированного в проточке свободного кольца подшипника.
На фиг.1 изображен подшипник качения комбинированный бессепараторный. На фиг.2 приведено сечение А-А фиг.1 радиального участка подшипника с указанием направлений вращения тел качения и кольца подшипника, направление перемещения комплекта тел качения, а также точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой. На фиг.3 приведена развертка тел качения упорного участка подшипника фиг.1 с указанием стрелками направления вращения кольца 5 и тел качения, а точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой и направление перемещения комплекта конических роликов относительно дорожек качения подшипника. На фиг.4 приведена развертка расположения роликов в радиальном участке подшипника. На фиг.5 дано сечение ролика упорного подшипника фиг.1 с размещением его подпятников, виброэлементов, магазинов для смазки.
Подшипник качения комбинированный бессепараторный состоит: из наружного кольца 1, двух рядов роликов 2 верхнего яруса, роликов 3 - нижнего яруса, выполненных двухступенчатого типа, внутреннего кольца 4 - безбортового, двух свободных колец 5, двух рядов конических роликов 6, двух опорных колец 7, двух пружинных упорных колец 8, крепежных винтов 10. На конических роликах 6 (см. фиг.5) выполнено ступенчатое коаксиальное отверстие, в котором расположены с внешней стороны два подпятника 11 и 12, выполненные, например, из шариков, установленных в обоймах 13 и 14 с возможностью вращения. Подпятники 11 и 12 опираются на тарельчатые пружины 15 и 16, выполненные из антифрикционного материала. На конических участках отверстия ролика 6 установлены два магазина 17 и 18, выполненные из пористой металлокерамики, пропитанные смазкой. А в центральной части отверстия располагают виброэлементы 19 и 20, выполненные из металлокерамического сплава типа ВК25, ТК или ТТК по форме, например, шарика, цилиндра, последние установлены с зазором, различны по массе, в количестве 1; 2; 3; … в зависимости от габаритов ролика 6. Два ряда роликов 3 нижнего яруса могут содержать фиксатор 9 для выборки зазоров в роликах 2 верхнего яруса.
Большие ступени роликов 2 верхнего яруса и два их участка контактируют только с дорожкой качения по линии с наружным кольцом 1. Большие ступени роликов 3 нижнего яруса контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца 4 по линии в трех местах. При этом каждый из роликов 2 и 3 контактирует со своими дорожками качения и между собой в трех местах (см. фиг.2), контакты линейные.
Конические ролики 6 расположены в два ряда с шахматным расположением в рядах, контактируют по трем линиям каждый, с углом контакта равным 120°. Ролики 6 своими подпятниками 11 контактируют с бортами колец 1 и 5, а внизу ролики контактируют с возможностью демпфирования (в пределах 20…5 мкм) с поверхностью опорного кольца 7. Конические ролики 6 подвержены демпфированию только вначале включения привода, так как угол конуса ролика мал и составляет ~5…6° - угол несамотормозящий, ролик 6 может слегка проседать. По этой причине подпятник 12 снабжен тарельчатой пружиной 16, последняя выжимает массу ролика 6 до контакта подпятника 11 с бортом кольца 1 или 5.
В радиальном участке подшипника должно выполняться условие сборки:
, где
D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
Dwm2 - большая ступень ролика верхнего яруса;
d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
Dwm1 - большая ступень ролика нижнего яруса.
Подшипник качения комбинированный бессепараторный работает следующим образом. При вращении кольца 4 получают вращение и свободные кольца 5. Кольцо 4 вращается вправо (см. фиг.2), ролики 3 получают вращение влево, а ролики 2 вращаются вправо, обкатываясь без скольжения по дорожке качения кольца 1. При этом комплект роликов 2 и 3 перемещается по кольцу - влево. Кольцо 1 неподвижно. Свободные кольца 5 получают вращение вправо (см. фиг.3), конические ролики 6, контактирующие с дорожкой качения кольца 5, получают вращение влево, а соседние ролики 6 получают вращение вправо, обкатываясь по дорожке качения кольца 1 без скольжения. При этом подпятники 11 роликов 6 контактируют по точке с поверхностями высоких бортов колец 1 и 5, последние воспринимают радиальную нагрузку по оси ролика. А весь единый замкнутый кольцевой комплект из роликов 6 перемещается по кольцу влево с частотой вращения в два раза меньшей, чем частота вращения кольца 5. Подпятники 11 и 12 в своих обоймах 13 и 14 могут и проворачиваться.
Комплект роликов 2 и 3 перемещается влево также с частотой вращения в два раза медленнее, чем вращение кольца 4. Вращение роликов на радиальном участке и на двух участках его упорных подпятниках во взаимно противоположные стороны - вращение в противофазе, а окружные скорости равны, что позволяет снизить шум, например, до 40…60 дБ. Следует отметить, что частота вращения конических роликов 6 по отношению к радиальным роликам 2 и 3 различна.
Надо отметить, что ролики 2 содержат два участка больших ступеней и три участка меньших ступеней с диаметром Dwm1. Ролики 3 содержат три участка больших ступеней с диаметром Dwm1 и два участка меньших ступеней. При этом большие ступени роликов 2 установлены с зазором в роликах 3 с меньшими ступенями. А диаметры меньших ступеней роликов 2 равны диаметрам больших ступеней роликов 3, равные Dwm1 и контактирующие друг с другом (см. фиг.4).
Предварительный натяг внутреннего кольца 4 обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам 2 и 3.
Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника.
Надежность комбинированного подшипника выступает в том, что каждый из участков выполняет свои прямые функции: два упорных участка воспринимают осевую нагрузку в обе стороны - справа и слева, радиальный только радиальную.
Следует отдельно отметить, что количество виброэлементов и их массы подбираются экспериментально. Размещают их, например, в 29 или во всех конических роликах.
-1
-1
Известно, что момент трения тем меньше, чем больше частота и меньше амплитуда колебаний при вибрации. А частота вращения каждого ролика равна, например, 23 400 мин при частоте вращения вала, равной 1000 мин. А число виброэлементов различно. Это создает сложную гармонику акустических колебаний… Это позволяет снизить от 10 до 100 раз момент трения и снизить в подшипнике коэффициент трения качения.
В целом работа виброэлементов позволяет:
- снизить энергетические затраты по мощности привода при прокатке материала;
- увеличить скорость процесса прокатки;
- повысить стойкость инструмента - стойкость валков;
- улучшить качество поверхности изделий;
- произвести структурные изменения в материале проката, что улучшает его механические и технологические свойства и прежде всего пластичность при прокатке;
- уменьшить силы контактного трения между инструментом и деформируемым металлом и изменением свойств последнего при суммарном воздействии знакопостоянных и знакопеременных напряжений;
- снизить предел текучести, например, для меди в 3 раза при снижении относительного удлинения на 40%;
- снизить и внутренние напряжение в материале проката (горячего проката);
- уменьшить степень неоднородности материала по составу;
- улучшить в целом качество проката;
- повысить грузоподъемность подшипника в два раза как осевую, так и радиальную за счет увеличения в два раза числа одновременно работающих тел качения при сохранении исходных габаритов подшипника, но при отсутствии сепаратора;
- устранить перекосы и возможность заклинивания тел качения;
- обеспечить реверсивную работу подшипнику за счет отсутствия сепараторов и за счет контакта всех роликов по трем линиям;
- увеличить долговечность подшипника, например, в 10…15 раз;
- обеспечить пониженную температуру нагрева подшипника при его эксплуатации, например, до 50°С;
- снизить в пять раз количество смазки в подшипнике, повышенное ее содержание увеличивает сопротивление качению и увеличивает нагрев подшипника до 100°С и более.
Получаем «пионерское изобретение», работающее на трении чистого качения в подшипнике, равное, например, 0,00003, улучшающее многие параметры подшипника и влияющее одновременно и на качество проката и увеличивающее стойкость инструмента, а это экономия десятков млн. тонн черного металла и нескольких млн. тонн цветного металла.
Экономическая эффективность
Маленькая победа над трением скольжения в подшипнике чистого качения позволила открыть новую страницу в машиностроении, такие понятия, как надежность, качество, долговечность, становятся более близкими, а не отдаленными, как было ранее.
Новый подшипник качения комбинированный бессепараторный выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников «качения». Только по причине 30…40% от всех технических аварий, которые приходятся на стандартные подшипники качения, подшипник может найти применение на валках прокатных станов, ступицах большегрузных автомобилей типа БЕЛАЗ, на флоте, в атомной энергетике, …, на шахтах, обогатительных комбинатах, в смесителях кирпичных заводов, нефтехимических производствах, бурильных установках и агрегатах.