Ролик радиального подшипника
RADIAL BEARING ROLLER

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипниками качения.
Одной из существенных проблем проектирования и эксплуатации подшипников является обеспечение необходимого ресурса их работы. Основная назначение ролика - передача усилий контактного взаимодействия наружного и внутреннего колец подшипника.
В эксплуатации ресурс подшипника часто ограничивается появлением контактно-усталостных повреждений (раковины, шелушение, риски и т.п.), что связано с высоким уровнем контактных давлений между роликами и кольцами. Снижение указанного повреждающего фактора обеспечивается как выбором количества и размеров тел качения, так и специальным профилированием поверхностей тел качения и колец подшипника, направленным на снижение неравномерности распределения контактных давлений.
Известен [ГОСТ 22696-2013. Подшипники качения. Ролики цилиндрические. Технические условия. - Введ. 2015-07-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 19 с] цилиндрический ролик подшипника, содержащий боковую цилиндрическую поверхность, плоскую торцовую поверхность, перпендикулярную оси ролика, а также поверхность, сопрягающую боковую и торцовую (поверхность сопряжения).
Существенным недостатком указанного ролика является повышенная концентрация интенсивности механических напряжений в зоне стыка поверхности сопряжения и боковой цилиндрической поверхности ролика.
Известен цилиндрический ролик подшипника, в котором для снижения концентрации контактных напряжений на краях его боковой цилиндрической поверхности на торцах ролика выполнены конусообразные выемки со скругленной вершиной. Эти выемки понижают радиальную жесткость краев боковой поверхности ролика таким образом, что напряжение по длине его образующей распределяется более равномерно [авторское свидетельство №157583 Радзевич Н.В., Смирнов А.А. Опубликовано в «Бюллетене изобретений и товарных знаков» №18 за 1963 г., заявлено 5 августа 1960 г., заявка №675573].
Недостатком описанного ролика является высокая концентрация напряжений под действием эксплуатационных нагрузок в вершине конической выемки, имеющей малую кривизну. Указанный недостаток существенно снижает ресурс работы подшипника.
Известен цилиндрический ролик для подшипников качения, выполненный пустотелым. С целью улучшения распределения контактных давлений вдоль образующих ролика и повышение долговечности ролик состоит, по меньшей мере, из двух установленных с натягом концентричных втулок. Такая конструкция ролика снижает концентрацию контактных напряжений по его краям, способствует более равномерному распределению нагрузки роликов по линии их контакта с беговой дорожкой кольца и обеспечивает повышение долговечности подшипника.
[Авторское свидетельство №800450 Ролик для подшипников качения. Новиков В.Ф. Заявлено 13.01.78. Опубликовано 30.01.81. Бюллетень №4 (51). Дата опубликования описания 10.02.81.]
Недостатком описанного ролика является высокая концентрация напряжений в телах концентричных втулок, вызываемая изгибом втулок при действии на них диаметрально противоположных сил их сжатия кольцами подшипника. Указанная особенность существенно снижает ресурс работы подшипника.
Известен профилированный ролик подшипника, образующая боковой поверхности которого является непрерывной слабовыпуклой линией постоянной кривизны (бомбинированный ролик). Бомбинирование предназначено для снижения концентрации напряжений на краях ролика при его контакте с дорожками качения. Бомбинированные ролики, как и ролики без бомбинирования, имеют поверхности сопряжения.
[3-ЦВРК. Инструктивные указания по эксплуатации и ремонту вагонных букс с роликовыми подшипниками. Утв. 12.03.1998 Руководителем департамента вагонного хозяйства МПС РФ].
Существенным недостатком данного ролика, как и цилиндрического ролика, является сохраняющаяся повышенная концентрация контактных давлений в зоне стыка поверхностей сопряжения и боковой цилиндрической поверхности ролика, а также повышение контактного давления в средней части боковой поверхности ролика, контактирующего с кольцами подшипника, обусловленное бомбинированием. Указанная особенность существенно снижает ресурс работы подшипника.
Известен профилированный ролик, образующая боковой поверхности которого является линией переменной кривизны, являющейся частью логарифмической кривой (ролик с логарифмическим профилем). Указанный конструктивный признак предназначен для снижения неравномерности нагрузки по линии контакта.
[Жильников Е.П., Макарчук В.В., Пахомов А.Н. Оптимизация геометрии высокоскоростного роликового подшипника при перекосах колец // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Т. 11. - 2009. - №5. - С. 106-112].
По совокупности существенных признаков указанный ролик подшипника принят в качестве прототипа.
Данная конструкция ролика наследует недостаток бомбинированных роликов - повышенную концентрацию контактных давлений у его кромок, т.е. в зонах стыка поверхностей сопряжения и боковой поверхности ролика.
Целью предложенного изобретения является увеличение ресурса работы подшипника за счет снижения неравномерности распределения контактного давления между роликами и кольцами подшипника.
Оценка распределения контактных давлений между роликами и кольцами подшипника, осуществленная в ходе вычислительного эксперимента [Цвик Л.Б., Тармаев А.А., Бочаров И.С. Гладкость контуров тел качения подшипников с цилиндрическими роликами и ресурс их циклической работы // Транспорт Урала. - 2019. - №3(62). - С.20-27. DOI: 10/20291/1815-9400-2019-3-20-27], выявила основную причину повышения уровня контактного давления в зоне поверхностей сопряжения известных конструкций ролика. Причина заключается в скачке кривизны линии профиля ролика в зоне стыка боковой поверхности и поверхностей сопряжения.
Идеей данного изобретения является использование линии профиля ролика непрерывной кривизны, что, как показали результаты вычислительных экспериментов, приводит к существенному снижению неравномерности распределения контактных давлений на поверхностях контакта роликов и колец.
Предлагаемый ролик представляет собой тело вращения, образующая которого формирует торец ролика, его боковую поверхность и поверхность их сопряжения. Угол наклона касательной к образующей изменяется вдоль нее непрерывно. Образующая ролика в точке перехода от его боковой поверхности к поверхности сопряжения имеет кривизну изменяющуюся непрерывно.
При нагружении подшипника на поверхности контакта его колец и ролика возникает контактное давление. Степень неравномерности контактного давления определяется при этом степенью гладкости линии профиля ролика. Угол наклона касательной и кривизна линии предлагаемого профиля ролика непрерывны. В силу этого распределение контактных давлений в зонах стыка боковой поверхности и поверхностей сопряжения ролика имеет соответствующую степень гладкости, характеризуемую отсутствием выраженной концентрации указанных давлений.
а
а
i
Эффективность предложенного решения была оценена в рамках вычислительного эксперимента. Известно [7], что усталостный ресурс конструктивного элемента, нагружаемого циклически, определяется максимальным уровнем напряжений в возможном очаге разрушения. В ходе эксперимента оценивался максимальный уровень интенсивности напряжений, величина которого определяет усталостный ресурс подшипника [8]. Конструктивная схема сопряжения ролика с кольцами подшипника, принятая в эксперименте, приведена на фиг. 1. На этой фигуре представлены профили поверхностей роликов:  - с кусочно-постоянной кривизной образующей, изменяющейся в точке стыка скачкообразно; б - с образующей имеющей в точке стыка смежных участков одинаковую кривизну. Напряженно-деформированное состояние роликов, возникающее при их нагружении эксплуатационной нагрузкой, выявленное с помощью численного моделирования, приведено на фиг. 2. На этой фигуре представлено распределение интенсивности напряжений σ вблизи стыка боковой поверхности ролика и поверхности сопряжения:  - с кусочно-постоянной кривизной образующей, изменяющейся в точке стыка скачкообразно; б - с образующей имеющей в точке стыка смежных участков одинаковую кривизну. Из представленных результатов следует, что равенство кривизн смежных участков образующей ролика, примыкающих к точкам стыка его боковой поверхности и поверхностей сопряжения существенно (более чем в два раза) снижает максимальный уровень напряжений приведено на фиг. 2.
Технический результат изобретения выражается в увеличении ресурса работы подшипника.
Библиографический список
1. ГОСТ 22696-2013. Подшипники качения. Ролики цилиндрические. Технические условия. - Введ. 2015-07-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 19 с.
2. Авторское свидетельство №157583 Радзевич Н.В., Смирнов А. А. Опубликовано в «Бюллетене изобретений и товарных знаков» №18 за 1963 г., заявлено 5 августа 1960 г., заявка №675573.
3. Авторское свидетельство №800450 Ролик для подшипников качения. Новиков В.Ф. Заявлено 13.01.78. Опубликовано 30.01.81. Бюллетень №4 (51). Дата опубликования описания 10.02.81
4. 3-ЦВРК. Инструктивные указания по эксплуатации и ремонту вагонных букс с роликовыми подшипниками. Утв. 12.03.1998 Руководителем департамента вагонного хозяйства МПС РФ.
5. Жильников Е.П., Макарчук В.В., Пахомов А.Н. Оптимизация геометрии высокоскоростного роликового подшипника при перекосах колец // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Т. 11. - 2009. - №5. - С. 106-112.
6. Цвик Л.Б., Тармаев А.А., Бочаров И.С.Гладкость контуров тел качения подшипников с цилиндрическими роликами и ресурс их циклической работы // Транспорт Урала. - 2019. - №3(62). - С.20-27. DOI: 10/20291/1815-9400-2019-3-20-27.
7. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости
8. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2-х ч. Часть 1. Критерии прочности и ресурса. - Новосибирск: Наука, 2005. 494 с.