ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции и производству подшипников качения различных типов, в частности однорядных, двухрядных и многорядных шариковых и роликовых подшипников, которые устанавливаются на опорах валов зубчатых и ременных передач, шпинделей станков, на опорах валов электродвигателей, на опорах валков прокатных станов и на опорах валов различного высоконагруженного малооборотного и высокооборотного оборудования, а также к производству роликовых двухрядных радиально-упорных подшипников, которые устанавливаются в буксовых узлах железнодорожного транспорта.
Известен подшипник качения, выбранный в качестве аналога, содержащий наружное кольцо и внутреннее кольцо, имеющие дорожки, между которыми размещены тела качения, причем оба кольца и все тела качения выполнены из термически обработанной стали (см. Анурьев В.И. "Справочник-конструктора машиностроителя". Том 2, изд. 9, переработанное и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. "Машиностроение", 2006. Стр. 89, стр. 93-95, стр. 115).
Однако известный подшипник качения, при своем использовании, имеет следующие недостатки:
1. Обладает недостаточной эксплуатационной надежностью его колец и тел качения из-за того, что для изготовления колец и тел качения в качестве термически обработанной стали обычно применяется подшипниковые стали типа ШХ по ГОСТ 801-78. Детали подшипника, изготовленные из этих сталей, после окончательной их термообработки, имеют следующие недостатки, которые существенно влияют на срок службы подшипника, а именно:
детали подшипника, изготовленные из этих сталей, после окончательной термообработки получаются целиком насквозь закаленные, в связи с чем на их поверхности образуются остаточные растягивающие напряжения, которые складываются с контактными напряжениями, возникающими в местах контакта дорожек качения колец с телами качения, что ускоряет в этих местах образование и рост усталостных трещин, а также скорость их распространения. Величина контактных напряжений находится в пределах 1000-2500 МПа в зависимости от величины нагрузки на подшипник и от разновидности контакта между деталями, который может быть точечным или линейным;
микроструктура по всему объему деталей получается мелко- или среднезернистой в зависимости от размеров деталей и параметров их окончательной термообработки;
в микроструктуре деталей содержится большое количество избыточных карбидов до 7%;
микроструктура деталей имеет карбидную неоднородность, то есть неравномерное распределение по всему объему деталей избыточных карбидов и их неодинаковый размер;
в микроструктуре деталей большое количество неметаллических включений, которые являются концентраторами напряжений и вызывают преждевременное усталостное разрушение и выход из строя деталей подшипника;
в микроструктуре деталей количество остаточного аустенита доходит до 12%;
2
у микроструктуры деталей низкая ударная вязкость порядка 440 кДж/м.
Все эти факторы приводят к тому, что происходит преждевременное хрупкое разрушение в случае непредвиденного возрастания нагрузки на подшипник, который подвергается в процессе свой работы циклическим знакопеременным напряжениям, а это приводит к внезапным поломкам или отказам механизмов при эксплуатации и уменьшению срока их службы.
2. Обладает недостаточной долговечностью его колец и тел качения из-за того, что:
они насквозь закаленные, а это приводит к интенсивному образованию усталостных трещин в местах их контакта, которые зарождаются в зоне действия максимальных касательных напряжений на глубине, равной 0,3-0,4 размера площадки контакта, которая зависит от нагрузки. Постепенно развиваясь, они выходят на поверхность, образуя на ней характерную точечную сыпь. Это явление называется питтингом (усталостное выкрашивание металла на наружной поверхности детали). В результате питтинга соединение, как правило, быстро выходит из строя;
микроструктура деталей после окончательной термообработки содержит неметаллические включения, являющимися концентраторами напряжений, большое количество избыточных карбидов неодинакового размера, которые неравномерно распределяются по всему объему деталей, а также в ней присутствует остаточный аустенит.
В основу полезной модели положена задача создания подшипника качения, не имеющего перечисленных недостатков известного подшипника качения.
Техническим результатом при использовании предложенного подшипника качения являются повышение эксплуатационной надежности и увеличение его долговечности.
Оба эти технические результаты взаимосвязаны между собой, и они в сумме обеспечивают достижение одного общего технического результата, а именно увеличение срока службы предложенного подшипника качения.
Технический результат достигается тем, что предложен подшипник качения, содержащий наружное кольцо и внутреннее кольцо, имеющие дорожки, между которыми размещены тела качения, причем оба кольца и все тела качения выполнены из термически обработанной стали, оба кольца и тела качения выполнены с матрицей твердостью 42…49 HRC, организованного по всему ее контуру переходного слоя твердостью 50…59 HRC и сформированного на переходном слое закаленного слоя толщиной 1,6-3,8 мм твердостью 60…66 HRC, а в качестве термически обработанной стали для изготовления обоих колец и тел качения выбрана углеродистая сталь пониженной прокаливаемости.
Среди признаков, характеризующих предложенный подшипник качения, существенными являются:
выполнение обоих колец и тел качения с матрицей твердостью 42…49 HRC;
организация по всему контуру матрицы переходного слоя твердостью 50…59 HRC;
формирование на переходном слое закаленного слоя толщиной 1,6-3,8 мм твердостью 60…66 HRC;
-ыбор в качестве термически обработанной стали для изготовления обоих колец и тел качения углеродистой стали пониженной прокаливаемости.
Выполнение обоих колец и тел качения с матрицей твердостью 42…49 HRC обеспечивает в выбранном интервале твердости предложенному подшипнику качения по сравнению с известным подшипником качения повышение эксплуатационной надежности за счет того, что исключается хрупкое разрушение его деталей в случае воздействия на него больших циклических знакопеременных напряжений, которые могут возникнуть при внезапном увеличении нагрузки на подшипник, так как матрица при такой твердости имеет микроструктуру с высокой ударной вязкостью.
При выполнении обоих колец и тел качения с матрицей твердостью ниже нижнего предела 42 HRC эксплуатационная надежность предложенного подшипника качения снижается из-за того, что общая прочность матрицы становится меньше, что приводит к снижению срока его службы.
При выполнении обоих колец и тел качения с матрицей твердостью выше верхнего предела 49 HRC эксплуатационная надежность предложенного подшипника качения снижается из-за того, что увеличивается твердость переходного слоя, при этом его толщина уменьшается, что приводит к хрупкому разрушению матрицы.
Организация по всему контуру матрицы переходного слоя твердостью 50…59 HRC обеспечивает в выбранном интервале твердости предложенному подшипнику качения по сравнению с известным подшипником качения повышение эксплуатационной надежности за счет того, что этот слой осуществляет плавный переход твердости от матрицы к закаленному слою. Этот плавный переход твердости не позволяет распространению в матрицу усталостных трещин, которые со временем зарождаются в зоне действия максимальных касательных напряжений и в связи с этим не происходит ее преждевременное разрушение.
При организации переходного слоя твердостью ниже нижнего предела 50 HRC эксплуатационная надежность предложенного подшипника качения снижается, так как в этом случае будет резкий переход твердости от матрицы к закаленному слою и усталостные трещины от максимальных касательных напряжений будут быстро распространяться в матрицу, а это может привести к ее быстрому разрушению.
При организации переходного слоя твердостью выше верхнего предела 59 HRC эксплуатационная надежность предложенного подшипника качения снижается за счет того, что уменьшается толщина закаленного слоя и в этом случае зона действия максимальных касательных напряжений будет находиться в самом переходном слое, а это приводит к быстрому распространению усталостных трещин в закаленный слой, его разрушению и преждевременному выходу деталей из строя.
Формирование на переходном слое закаленного слоя толщиной 1,6-3,8 мм твердостью 60…66 HRC обеспечивает в выбранных интервалах толщины закаленного слоя и его твердости предложенному подшипнику качения по сравнению с известным подшипником качения увеличение долговечности за счет того, что этот слой создает сжимающие напряжения сжатия порядка от 500-800 МПа в зависимости от твердости, которые не позволяют зарождаться усталостным трещинам, возникающим от максимальных касательных напряжений в зоне их действия и выходу этих трещин на поверхность детали, которые могут вывести дели из строя. Интервал толщины закаленного слоя выбран так, чтобы он был больше глубины зоны действия максимальных касательных напряжений, тем более его предел прочности составляет от 2450 до 3000 МПа, что значительно выше допускаемого напряжения в месте контакта дорожек качения колец с телами качения 1000-2500 МПа.
При формировании на переходном слое закаленного слоя толщиной ниже нижнего предела 1,6 мм долговечность предложенного подшипника качения снижается из-за того, что зона действия максимальных касательных напряжений будет находиться в переходном слое, в котором нет остаточных напряжений сжатия, а это может привести к образованию многочисленных усталостных трещин, которые могут разрушить детали.
При формировании на переходном слое закаленного слоя толщиной выше верхнего предела 3,8 мм долговечность предложенного подшипника качения снижается из-за того, что вместо остаточных напряжений сжатия на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения.
При формировании на переходном слое закаленного слоя с твердостью ниже нижнего предела 60 HRC долговечность предложенного подшипника качения снижается из-за того, что предел прочности этого слоя в местах контакта колец с телами качения резко падает, так как начинается интенсивное выкрашивание частиц металла с поверхности закаленного слоя. Это явление называется питтингом.
Формирование на переходном слое закаленного слоя твердостью выше верхнего предела 66 HRC технологически недостижимо и экономически нецелесообразно.
Выбор в качестве термически обработанной стали для изготовления обоих колец и тел качения углеродистой стали пониженной прокаливаемости обеспечивает предложенному подшипнику качения по сравнению с известным подшипником качения повышение эксплуатационной надежности за счет того, что детали из этой стали предложенного подшипника после их окончательной термообработки имеют перед деталями из подшипниковой стали типа ШХ известного подшипника после их окончательной термообработки следующие преимущества, а именно:
детали не насквозь закаленные как в известном подшипнике, а состоят из трех частей, матрицы, переходного слоя и закаленного слоя, при этом каждая часть имеет свою конкретную микроструктуру и свой интервал твердости;
микроструктура деталей мелкозернистая без карбидов, неметаллических включений и остаточного аустенита;
2
2
ударная вязкость деталей KCU по своему сечению за счет мелкозернистой микроструктуры стали составляет от 400 кДж/м в закаленном слое и до 800 кДж/м в матрице;
предел прочности на деталях составляют: матрицы σв=1400-1700 МПа, переходного слоя σв=1790-2300 МПа и закаленного слоя σв=2450-3000 МПа в зависимости от их твердости.
Все эти параметры достигаются за счет выбранной стали и технологии ее окончательной термообработки.
Изготовление предложенного подшипника качения не представляет собой особой сложности. Однако технология выполнения матрицы, организация по всему ее контуру переходного слоя обоих колец и тел качения в заданном интервале их твердости и с определенной микроструктурой, формирование на переходном слое закаленного слоя в заданном интервале его толщины и твердости с определенной микроструктурой, а также химический состав углеродистой стали пониженной прокаливаемости и ее окончательная термообработка являются предметом «Ноу-Хау» и в данной заявке не рассматриваются.
Проведенный анализ технических решений, заложенных в конструкцию предложенного подшипника качения, показал, что у него по сравнению с известным подшипником качения при одинаковых габаритных размерах и массе повышенная эксплуатационная надежность и увеличенная долговечность, которые обеспечивают ему значительно больший срок службы. Кроме того, стоимость производства предложенного подшипника качения намного ниже стоимости производства известного подшипника качения за счет меньшей стоимости стали и применения более эффективной экологически чистой технологии для изготовления его деталей.
В таблице приведены основные сравнительные параметры известного подшипника качения и предложенного подшипника качения.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 поперечный разрез шарикового однорядного подшипника качения, а на фиг. 2 поперечный разрез роликового однорядного подшипника качения.
Шариковый однорядный подшипник качения, представленный на фиг. 1, состоит из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2 и тел качения 3 в виде шариков. Наружное кольцо 1 и внутреннее кольцо 2 имеют дорожки 5. Наружное кольцо 1, внутреннее кольцо 2 и тела качения 3 содержат матрицу 6, переходной слой 7 и закаленный слой 8.
Роликовый однорядный подшипник качения, представленный на фиг. 2, состоит из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2 и тел качения 4 в виде роликов. Наружное кольцо 1 и внутреннее кольцо 2 имеют дорожки 5. Наружное кольцо 1, внутреннее кольцо 2 и тела качения 4 содержат матрицу 6, переходной слой 7 и закаленный слой 8.
Эксплуатация предложенного подшипника качения является стандартной. Предложенный подшипник качения по сравнению с известным подшипником качения имеет повышенную эксплуатационную надежность и увеличенную долговечность, что обеспечивает ему более длительный срок службы до его утилизации. Это позволяет предложенному подшипнику качения по сравнению с известным подшипником качения быть более эффективным в эксплуатации.