РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЙ ШАРИКОВЫЙ ОДНОРЯДНЫЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к радиально-упорным шариковым однорядным подшипникам и может быть использована в опорах валов компрессоров и турбин газотурбинных двигателей (ГТД).
Известны аналогичные технические решения - радиально-упорные шариковые однорядные подшипники, содержащие наружное кольцо, внутреннее кольцо, шарики, сепаратор, в гнездах которого расположены шарики (см. например, описания полезных моделей к патентам RU 17071, МПК 7 F16C 33/30, дата публикации 10.03.2001; RU 21075, МПК 7 F16C 33/30, дата публикации 20.12.2001; RU 88084, МПК F16C 19/00, дата публикации 27.10.2009).
Недостатком аналогичных решений является высокая нагрузка со стороны шариков на перемычки сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника. Эти подшипники вследствие недостаточной жесткости опор под действием силовых и температурных деформаций практически часто работают в условиях перекосов колец и зачастую преждевременно выходят из строя по причине повышенного износа и разрушения сепараторов, в частности, при применении в качестве подшипников опор валов компрессоров и турбин газотурбинных двигателей (ГТД).
min
max
Перекос колец подшипника вызывает не только перегрузку шариков, но и приводит к появлению дополнительных нагрузок на сепаратор. Эти нагрузки возникают вследствие разницы скоростей движения шариков по окружности подшипника и скорости сепаратора. Сепаратор вращается, как правило, с постоянной скоростью, равной средней скорости комплекта шариков в подшипнике, а скорости шариков изменяются в соответствии с изменениями углов контакта от β до β (фиг 3). Основная причина состоит в неравенстве углов контакта шариков с дорожками качения при их вращении по орбите подшипника.
Для пояснения работы радиально-упорного шарикового однорядного подшипника (ближайшего аналога) используется следующая схема нагружения перемычек сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника при недостаточном осевом зазоре шариков в гнездах сепаратора (фиг. 3), где:
φ - угол перекоса наружного кольца радиально-упорного шарикового однорядного подшипника;
наб
отст
Т(Т) - усилия на поперечные перемычки сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника со стороны «набегающих» («отстающих») шариков;
б
R - реакция в зоне касания сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника направляющего бортика наружного кольца;
бок
F - сила, действующая со стороны шарика и нагружающая боковую перемычку сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника;
min
max
β и β - минимальный и максимальный углы контакта шариков.
наб
отст
б
Вследствие разницы углов контакта шарика при движении по орбите подшипника шарики стремятся совершать колебательные движения в гнездах сепаратора и в соответствии с изменением углов контакта в подшипнике возникают зоны «набегающих» и «отстающих» шариков. Под действием усилий со стороны «набегающих» - Т и «отстающих» Т шариков сепаратор смещается в подшипнике к центрирующему бортику наружного кольца и вращается эксцентрично, прижатым к бортику силой R (фиг. 3).
наб
отст
б
б
наб
отст
бок
Под действием системы сил Т и Т сепаратор смещается относительно наружного кольца на величину зазора плавания и вначале начинает контактировать с одним из направляющих бортиков наружного кольца с усилием R (в данном случае с левым бортиком, как показано на фиг. 3). Одновременно под действием момента со стороны сил R и Т (Т) сепаратор стремится повернуться в плоскости фиг. 3. При недостаточных зазорах шариков в гнездах сепаратора, (измеряемых вдоль оси подшипника), он дополнительно нагружается усилиями F. В результате могут возникать повышенные износы шариков, дорожек качения и трущихся поверхностей сепаратора, а также поломки его перемычек (фиг. 4).
б
бок
Но вследствие перекоса наружного кольца сепаратор вначале будет контактировать с левым бортиком с усилием R и под действием сил надавливания шариков, будет стремиться повернуться в плоскости фигуры 3 следуя за перекошенными направляющими бортиками наружного кольца. При этом правая перемычка не будет направляться бортиками наружного кольца вследствие действия силы F (фиг. 3), из-за дополнительного зазора между перемычкой и бортиком в ней возникнут большие напряжения изгиба, чем в левой, и, как показывает опыт эксплуатации ряда ГТД, в ней в первую очередь возникают усталостные трещины. Кроме того, работа левой перемычки в условиях кромочного контакта по направляющему бортику кольца снижает несущую способность смазки в зазоре плавания, что приводит к повышенному износу и заеданию центрирующих поверхностей сепаратора и подшипник быстро выходит из строя (фиг. 4).
Ближайшим аналогом является радиально-упорный шариковый однорядный подшипник, содержащий наружное кольцо, внутреннее кольцо, шарики, сепаратор, в гнездах которого расположены шарики (см. например, описание полезной модели к патенту RU 21075, МПК 7 F16C 33/30, дата публикации 20.12.2001).
Недостатком ближайшего аналога является низкая работоспособность радиально-упорного шарикового однорядного подшипника при работе в условиях перекоса колец, особенно, в подшипниках роторов ГТД.
Технический результат заключается в повышении работоспособности радиально-упорного шарикового однорядного подшипника при работе в условиях перекоса колец.
Сущность технического решения заключается в том, что радиально-упорный шариковый однорядный подшипник содержит наружное кольцо, внутреннее кольцо, шарики, сепаратор, в гнездах которого расположены шарики, во внутренних нижних частях боковых перемычек выполнены пазы с формой каждого как части цилиндра, при этом вершины пазов, наиболее близкие к наружным сторонам боковых перемычек, расположены по цилиндрической поверхности, диаметр которой больше диаметра окружности, по которой располагаются центры шариков между наружным и внутренним кольцами, с выполнением условия:
c1
pw
w
d=D+(0,1÷0,15)D,
где:
c1
d - диаметр цилиндрической поверхности, по которой расположены вершины пазов, наиболее близкие к наружным сторонам боковых перемычек;
pw
D - диаметр окружности центров шариков;
w
D - диаметр шарика.
Сущность технического решения поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - вид в сечении;
фиг. 2 - вид сепаратора сбоку;
фиг. 3 - схема нагружения перемычек сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника (ближайшего аналога);
фиг. 4 - изображение разрушенных боковых перемычек и неравномерного износа внешней стороны сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника (ближайшего аналога);
фиг. 5 - схема нагружения перемычек сепаратора заявленного радиально-упорного шарикового однорядного подшипника.
Радиально-упорный шариковый однорядный подшипник содержит наружное кольцо 1, внутреннее кольцо 2, шарики 3, сепаратор 4, в гнездах 5 которого расположены шарики 3 (фиг. 1, 2). Во внутренних нижних частях боковых перемычек 6 сепаратора 4 выполнены пазы 7 с формой каждого как части цилиндра, при этом вершины 8 пазов 7, наиболее близкие к наружным сторонам боковых перемычек 6, расположены по цилиндрической поверхности, диаметр которой больше диаметра окружности, по которой располагаются центры шариков 3 между наружным 1 и внутренним 2 кольцами (фиг. 1, 2), с выполнением условия:
c1
pw
w
d=D+(0,1÷0,15)D,
где:
c1
d - диаметр цилиндрической поверхности, по которой расположены вершины 8 пазов 7, наиболее близкие к наружным сторонам боковых перемычек 6;
pw
D - диаметр окружности центров шариков 3;
w
D - диаметр шарика 3.
При этом сепаратор центрируется по бортикам наружного кольца 1 (фиг. 1).
c1
pw
w
Выполнение пазов 7 в боковых перемычках 6 сепаратора 4 со стороны внутреннего диаметра, выполненных по условию d=D+(0,1÷0,15)D, не будет ограничивать поворот сепаратора 4 при его прижатии к направляющим бортикам наружного кольца 1.
Для пояснения работы радиально-упорного шарикового однорядного подшипника используется следующая схема нагружения перемычек сепаратора 4 радиально-упорного шарикового однорядного подшипника (фиг. 5), где:
1
φ - угол перекоса наружного кольца 1 радиально-упорного шарикового однорядного подшипника;
наб1
отст1
Т (Т) - усилия на поперечные перемычки сепаратора 4 со стороны «набегающих» («отстающих») шариков 3;
б1
R - реакция в зоне касания сепаратора 4 направляющего бортика наружного кольца 1;
min1
max1
β и β - минимальный и максимальный углы контакта шариков 3.
бок
б1
б
Из схемы нагружения перемычек 6 сепаратора 4 (фиг. 5) заявленного радиально-упорного шарикового однорядного подшипника при работе с перекосом наружного кольца 1 следует, что в следствие отсутствия силы F, сепаратор 4 будет контактировать с двумя (левым и правым) направляющими бортиками наружного кольца 1 с усилиями R существенно меньшими по модулю силы R, чем для случая нагружения сепаратора радиально-упорного шарикового однорядного подшипника - ближайшего аналога (фиг. 3).