СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА НАГРУЗКИ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF SERVICE LIFE OF BEARING ASSEMBLY AT CHANGING LOAD VECTOR DIRECTION

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в конструкциях машин, механизмов и, в частности, в подшипниковых узлах (ПУ).
Одной из основных проблем, с которой сталкиваются при эксплуатации подшипников качения (ПК), является их небольшой срок службы из-за усталостных разрушений колец и тел качения, быстро возникающих при очень большой неравномерности распределения нагрузки между телами качения. Например, максимальная нагрузка на самый нагруженный ролик или шарик достигает половины от всей внешней радиальной нагрузки на ПК, а на соседний - в несколько раз меньше (см., например, книгу: Решетов Д.И. Детали машин. М., Машиностроение, 1974, с.504-505).
Известен ряд способов и устройств, снижающих неравномерность распределения нагрузки между телами качения. Например, ПУ, в котором этот эффект достигается за счет формирования микрорельефа на некоторой части посадочной поверхности в пределах зоны нагружения (патент RU 218897, кл. F16C 35/00, F16C 35/067, 2000 г.).
В устройстве (патент RU 1771253, кл. F16C 35/04, 1989) для выравнивания нагрузки, по меньшей мере, одно из колец подшипника снабжено средством разгрузки тел качения от рабочей нагрузки в виде локального изменения кривизны посадочной поверхности кольца.
Задача увеличения долговечности ПУ решена в устройстве на основе патента RU 2386870 С1 (опубликовано: 20.04.2010 Бюл. №11) за счет достижения оптимального распределения нагрузки между телами качения путем установки кольца, имеющего локальную зону переменной жесткости и установленного с зазором по отношению с наружным кольцом подшипника и натягом с корпусом. Кольцо можно поворачивать, а затем фиксировать в корпусе таким образом, чтобы плоскость минимальной жесткости локальной зоны совпала с вектором радиальной нагрузки, действующей на подшипник качения, а форма локальной зоны задавала нужный закон распределения нагрузки между телами качения для повышения долговечности подшипника.
1
2
Известно, что во многих машинах и механизмах при их работе может меняться направление вращения валов и соответственно колец подшипника. При этом изменяется направление действующей на подшипник нагрузки. На фиг.1 показана схема цепной или ременной передачи. При реверсе вращения вектор R поворачивается на некоторый угол α и занимает положение вектора R. Величина угла α зависит от соотношения диаметров звездочек или шкивов и величины межосевого расстояния.
w
w
w
На фиг.2 показана схема зубчатой передачи. При реверсировании вращения угол α=180°-2-α, где α - угол зацепления начальный. В стандартной передаче α=20°.
Таким образом, довольно часто угол поворота вектора нагрузки, действующей на подшипник, заранее известен, а направление вращения валов нет, например, в редукторе. В некоторых механизмах, например в механизмах подъема, поворота и передвижения крана, направление вращения валов и колец подшипников периодически меняется в процессе работы крана, а соответственно изменяется и направление вектора нагрузки на ПУ.
При наличии только одной локальной зоны переменной жесткости, сделанной только для одного варианта направления вектора нагрузки, долговечность ПК уменьшится при реверсировании вращения.
Предлагаемым изобретением решается задача увеличения долговечности ПУ за счет создания оптимального распределения нагрузки между телами качения в ПК и при изменении направления действующей на ПУ нагрузки.
Достижение указанного результата осуществляется за счет того, что ПУ, содержащий цапфу вала, корпус и ПК, отличается тем, что в нем изготавливают, как минимум, две локальные зоны переменной жесткости на кольце, установленном между подшипником и корпусом, или на внутренней поверхности корпуса, или на наружном кольце подшипника, причем плоскости минимальной жесткости локальных зон располагают под углом друг к другу, равным углу поворота вектора нагрузки на подшипник.
Поэтому при реверсировании нагрузки нет необходимости изменять конструкцию ПУ или взаимное расположение его деталей. Размеры и форму каждой локальной зоны рассчитывают в зависимости от конфигурации корпуса и направления нагрузки.
1
2
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на чертежах. На фиг.3 изображен ПУ с кольцом переменной жесткости. Между корпусом (1) и наружным кольцом подшипника (2) установлено кольцо (5) с двумя локальными зонами переменной жесткости (3 и 4). На его наружной поверхности в зонах возможного нагружения выполнено локальное снятие материала, за счет чего достигается переменная толщина и соответственно переменная жесткость локальных зон, что позволяет задавать оптимальный закон распределения нагрузки по телам качения в зонах нагружения. Между кольцом (5) и наружным кольцом подшипника (2) сделан соответствующий небольшой зазор, который позволяет медленно вращаться наружному кольцу (2) относительно кольца (5), установленного с натягом в корпусе (1), обеспечивая таким образом циркуляционный режим нагружения. При реверсировании вращения вала вектор нагрузки F поворачивается в положение F или наоборот, совпадая с плоскостями минимальной жесткости локальных зон нагружения кольца (5).
1
2
1
2
На фиг.4 показан корпус (1), на внутренней поверхности которого в зонах (3 и 4) максимально возможного нагружения также выполнено локальное снятие материала, за счет чего наружное кольцо (2) подшипника в этих зонах под действием сил F и F изгибается в большей степени, чем на других участках, снижая нагрузку на ближайшие к плоскости симметрии тела качения, но увеличивая ее на удаленные от плоскости симметрии тела качения, что позволяет задавать оптимальный закон распределения нагрузки по телам качения в зонах нагружения. Между корпусом (1) и наружным кольцом подшипника (2) сделан соответствующий небольшой зазор, который позволяет медленно вращаться наружному кольцу (2) подшипника относительно корпуса (1), обеспечивая таким образом циркуляционный режим нагружения. При реверсировании вращения вала вектора нагрузок F и F также будут совпадать с плоскостями минимальной жесткости локальных зон нагружения корпуса (1).
1
2
На фиг.5 изображен ПУ, состоящий из корпуса (1) и вставленного в него с натягом подшипника, наружное кольцо (2) которого поэтому не может вращаться, из-за чего создается местный режим нагружения кольца. На его наружной поверхности в зонах (3 и 4) возможного нагружения выполнено локальное снятие материала, за счет чего достигается переменная толщина и соответственно переменная жесткость локальных зон, что позволяет задавать оптимальный закон распределения нагрузки по телам качения в зонах нагружения. При реверсировании вращения вала вектор нагрузки F поворачивается в положение F или наоборот, совпадая с плоскостями минимальной жесткости локальных зон нагружения кольца (2).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Сначала анализируют работу механизма, в котором может меняться направление вращения вала, например редуктора. Определяют величину нагрузки на подшипник и угол, на который поворачивается вектор силы. Затем в зависимости от типа-размера ПУ и величины нагрузки рассчитывают размеры локальных зон, обеспечивающих такое распределение усилий между телами качения в каждой зоне, чтобы получить максимальную долговечность работы ПУ. До начала работы подшипника последовательно изготавливают две локальные зоны переменной жесткости (3 и 4 на фиг.3) путем снятия материала с кольца, установленного между наружным кольцом (2) подшипника и корпусом (1), или эти зоны (3 и 4 на фиг.4) делают на внутренней поверхности корпуса (1), или (см. фиг.5) на наружном кольце (2) подшипника. Причем плоскости минимальной жесткости зон располагают под углом, равным углу поворота вектора нагрузки на подшипник.