ПОДШИПНИК РОЛИКОВЫЙ РАДИАЛЬНЫЙ

Полезная модель относится к конструкциям подшипников роликовых радиальных, которые могут быть использованы для монтажа узлов опор роторов газотурбинных двигателей.
Заявленный подшипник роликовый радиальный 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 на межвальные подшипники, на которых смонтированы валы газотурбинного двигателя, в процессе работы двигателя во всем диапазоне его режимов, действуют нагрузки, значения которых в зависимости от режима работы двигателя варьируются в очень широких пределах. При некоторых режимах работы двигателя подшипники бывают недозагружены. В данной ситуации элементы качения - 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 увеличиваются, что приводит к контакту тел качения с двумя кольцами подшипника одновременно и ролики начинают вращаться с частотой, равной половине суммы частот роторов и частота их вращения снижается (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 определенного количества роликов с кольцами, что позволит исключить проскальзывание роликов относительно 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:
max
min
Δ=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:
отв
max
D=2DE(k)/π,
отв,
где D - диаметр цилиндрического отверстия корпуса опоры;
max
D - максимальная величина овального посадочного диаметра наружного кольца;
Е(к] - эллиптический интеграл 2-го рода.
При этом модуль эллиптического интеграла определяется выражением:
2
2
min
max
k=1-(D/D).
max
При установке наружного кольца в посадочное отверстие опоры его ориентируют относительно направления действия радиальной нагрузки на опору, больший диаметр кольца (D) располагают перпендикулярно линии действия радиальной нагрузки. При этом происходит деформация наружного кольца - увеличение его диаметра по направлению линии действия радиальной нагрузки и уменьшение в направлении, перпендикулярном линии действия. Сумма деформаций в двух направлениях обеспечивает овализацию беговой дорожки кольца с величиной овальности Δ. При этом минимальное значение радиального зазора в подшипнике с овальным наружным кольцом будет равно:
min
0
max
отв
g=g-(D-D)
min
где g - минимальное значение радиального зазора в подшипнике;
0
g - величина овальности наружного кольца подшипника.
max
min
Максимальное значение зазора будет равно: g=g+Δ.
max
min
Изменение радиального зазора в зоне нагружения от g до g обеспечивает 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 Δ устанавливается по зависимости долговечности от величины овальности кольца (см. патент РФ на полезную модель №101120 кл. F16C 19/22, 2011 г.).
В результате анализа выполнения данного подшипника необходимо отметить, что его конструкция обеспечивает в процессе эксплуатации подшипника 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 (при использовании в качестве межвального), когда зазор подшипника существенно увеличивается за счет действия центробежных сил и нет механизма, обеспечивающего постоянный контакт роликов с двумя кольцами одновременно.
Известен подшипник радиальный роликовый, содержащий внутреннее и наружное кольца, между которыми размещены собранные в сепараторе элементы качения - ролики. На наружном кольце подшипника диаметрально противоположно образованы места, имеющие большую или меньшую погонную массу по сравнению с остальными участками кольца, причем места, имеющие меньшую массу, образованы удалением с них материала кольца, а места, имеющие большую массу, образованы добавлением грузов на кольцо, что наиболее просто реализуется при его изготовлении.
Данная конструкция обеспечивает овализацию внешнего кольца подшипника при его эксплуатации, которая происходит под действием центробежных сил при наличии двух мест (в окружном направлении) с погонной массой отличной от исходного состояния.
(см. патент РФ на полезную модель №116583 кл. F16C 19/22, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного подшипника необходимо отметить, что его конструкция обеспечивают контакт с наружным и внутренним кольцами определенного количества роликов на всех режимах эксплуатации, что уменьшает проскальзывание роликов относительно колец и увеличивает долговечность подшипника. Однако, для данной конструкции подшипника характерны сложность его изготовления и монтажа, а также пониженный срок эксплуатации, обусловленный концентрацией напряжений на пазах колец, образующихся при удалении материала или навешивании на кольца дополнительной массы.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение долговечности подшипника и эффективности его работы как при его монтаже с вращающимся внешним кольцом, так и с двумя одновременно вращающимися кольцами (межвальный), за счет устранения проскальзывания тел качения и обеспечения гарантированного контакта их определенного количества с дорожками колец подшипника на всех режимах, даже при существенном увеличении зазора в подшипнике и, что весьма важно, без усложнения его изготовления и монтажа, а также без ослабления колец подшипника.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в подшипнике роликовом радиальном, содержащем наружное и внутреннее кольца и расположенные между ними тела качения, установленные с зазором друг относительно друга, новым является то, что как минимум, два диаметрально расположенных зазора между роликами имеют размер, равный сумме двойного стандартного зазора между роликами подшипника плюс диаметр ролика.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - радиальный роликовый подшипник с двумя диаметрально расположенными зазорами «А»;
- на фиг.2 - радиальный роликовый подшипник с четырьмя диаметрально расположенными зазорами «А».
Подшипник роликовый радиальный содержит внутреннее 1 и наружное 2 кольца, между которыми со стандартным в окружном направлении зазором друг относительно друга расположены тела качения (ролики) 3, собранные в сепараторе (не показан). Зазор между роликами в сепараторе составляет фиксированный стандартный размер при их установке в подшипник и равен β (Фиг.1 и Фиг.2). Для обеспечения овализации внешнего кольца подшипника как минимум, на двух диаметрально противоположных местах зазор «А» между соседними роликами (Фиг.1 и Фиг.2) равен А=2β+d, где d - диаметр ролика.
На практике зазор «А», равный 2β+d, может быть реализован удалением из сепаратора как минимум, по одному ролику. Причем при наличии двух мест с увеличенным зазором с одной стороны подшипника удаление роликов может быть осуществлено через один с оставлением между пустыми гнездами в сепараторе одного ролика при соблюдении симметрии по оси подшипника, проходящей через участки с удаленными роликами. Удаление двух роликов с одной стороны подшипника (через один - фиг.2) увеличивает зону гарантированного контакта роликов с двумя кольцами одновременно, в котором посадочные места под ролики выполнены с учетом указанных выше зазоров.
Для реализации возможности деформирования наружного кольца 1 его установка на вал должна производиться с зазором, достаточным для отсутствия контакта кольца с валом по большому диаметру, причем кольцо в осевом направлении должно быть свободным.
С двух (или с одной) сторон подшипника в зависимости от условий монтажа размещают стопорные кольца, устанавливаемые на валах.
За счет неравномерного распределения центробежных сил роликов в окружном направлении, давление на внешнее кольцо подшипника также происходит неравномерно, вследствие чего и реализуется овализация внешнего кольца и зажим роликов на двух диаметрально противоположных местах подшипника. Зажим роликов будет реализовываться на участках наружного кольца, где между роликами больший зазор (А=2β+d).
При этом, так как ролики в межвальном подшипнике вращаются с частотой, отличной от наружного кольца и внешнего вала, большая ось овала кольца подшипника будет перемещаться относительно посадочного места и будет реализовываться перекатывание зоны прижима наружного кольца по посадочному месту в отличие от случая, когда овализация кольца реализуется при изменении погонной массы самого кольца (см. патент РФ на полезную модель №116583), где зона прижима кольца будет неподвижной относительно внешнего вала.
В процессе работы подшипника центробежные силы, действующие на ролики, оказывают давление на внешнее кольцо и при наличии всех роликов распределенная нагрузка q в окружном направлении будет равномерной и составит
Ц
Ц
B
2
где F - центробежная сила, действующая на каждый ролик, F=m*ω*R; m - масса одного ролика; ω - круговая скорость вращения роликов относительно оси подшипника, рад/сек; R - радиус траектории вращения ролика; Z - количество роликов; D - внутренний диаметр наружного кольца подшипника.
При отсутствии какого либо ролика на участке наружного кольца с длиной дуги L равной
распределенная нагрузка, действующая на внешнее кольцо, будет отсутствовать.
Экспериментально установлено, что удаление на двух участках подшипника типоразмера 95×130×18 по одному ролику, массой 4.7 г, будет соответствовать отсутствию распределенной нагрузки в окружном направлении на двух диаметрально противоположных участках кольца длиной L=13.6 мм.
Овализация кольца 1 при удалении на двух диаметрально противоположных местах подшипника по одному ролику, диаметром 9 мм и при зазоре А=16.2 мм была реализована на модели в программном комплексе "ANSYS", где наряду с имитацией вращения было реализовано давление роликов на наружное кольцо от их центробежных сил. Давление на кольцо определялось как распределенная нагрузка q [Н/м], деленная на ширину, равную длине ролика 0.009 м. Частоту вращения роликов принимали равной полусумме частот вращения наружного и внутреннего колец. Так, при частоте вращения на режиме 100% наружного кольца 13300 об/мин и внутреннего 10200 об/мин, частота роликов составила 11750 об/мин, что соответствует 88% от частоты вращения наружного кольца.
При монтажном люфте подшипника 10 мкм, уменьшение диаметра наружного кольца по малой оси на эту величину реализовалось при частоте вращения внешнего кольца n=2593.5 об/мин (19.5%) и происходил контакт роликов с двумя кольцами подшипника одновременно.
При дальнейшем наборе оборотов роторов, когда реализовалась посадка внешнего кольца через ролики на внутреннее кольцо, диаметр по малой оси овала не изменялся, а по большой оси овала за счет увеличения центробежных сил роликов и вытяжки кольца происходило его увеличение.
Увеличение максимального диаметра кольца подшипника при посадке его на ролики по малой оси овала и дальнейшем увеличении оборотов было установлено в программном комплексе "ANSYS" и на режиме 100% оно составило 104 мкм.
Также было определено увеличение диаметра при вращении посадочного вала внешнего кольца подшипника, и оно составило 50 мкм. В этом случае зазор между кольцом подшипника и посадочным валом при установке должен быть 27 мкм (104-50=54/2=27 на радиус).
Применение данного подшипника при неравномерном в радиальном направлении деформировании наружного кольца подшипника под действием неравномерного давления роликов в окружном направлении от их центробежных сил при наличии зазоров А=2β+d на двух диаметрально противоположных местах подшипника 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 колец.