Исследование напряжённо-деформированного состояния сепаратора роликового подшипника

В связи с тем, что к конструкциям авиационных изделий предъявляются требования по их минимальной массе, в них для изготовления сепаратора можно использовать полимерные материалы, существенно более лёгкие, чем металлы. Однако полимерные материалы являются дорогостоящими, и поэтому конструкторы стремятся минимизировать затраты, облегчая конструкцию и, тем самым, снижая расход материала на каждую деталь. Не стоит при этом забывать, что облегчение конструкции приводит к снижению её прочностных характеристик. В настоящем исследовании было проведено сравнение различных конструкций сепаратора с целью определения варианта, отвечающего требованиям, как минимального расхода материала, так и необходимого запаса прочности.

Исследовалось напряжённо-деформированное состояние (НДС) трёх вариантов конструкции сепаратора, выполненного из полимера тех-намид Б-СВ-30М, отличающихся количеством выемок на перемычке: без выемок (рис. 1, а), с 3-мя (рис. 1, б) и с 5-ю выемками (рис. 1, в). Характеристики материала приведены в табл. 1.

Ввиду сложности геометрии детали проведение расчётов по аналитическим зависимостям теории прочности не представляется возможным, поэтому исследование проводилось в среде конечно-элементного программного комплекса «ANSYS».

Объёмные модели различных конструкций сепаратора были получены с использованием

пакета UGS NX 7.0, поскольку средства моделирования в «ANSYS» представлены довольно слабо. Так как детали обладают поворотной симметрией, то достаточно создать сектор каждой из них, составляющий часть от всей модели, кратную числу тел качения, которых в данном случае 15. Полученные 3-D модели затем были экспортированы в препроцессор ANSYS, где на их основе были созданы конечно-элементные модели. На всех моделях была реализована регулярная стека конечных элементов, что повышает точность и снижает время расчёта. Для этого модель была разбита на элементарные объёмы, поверхности которых можно свести к четырёхугольникам. Последующее связывание этих объёмов было осуществлено благодаря подбору размеров и числа элементов таким образом, чтобы узлы соседних элементов совпадали. Далее угловым копированием были получены полные модели сепараторов, к которым прикладывались граничные условия и действующие нагрузки.

Граничные условия представлены запретом на перемещение колец сепаратора в окружном направлении. Нагружение перемычек сепаратора осуществлялось силами, приложенными в узлах по линиям контакта тел качения с удерживающими площадками. Величина силы, действующей на площадку каждой перемычки от ролика, определялась по специальной методике, учитывающей характер нагружения каждого из тел качения [1]. Было рассмотрено три варианта распределения нагрузки в зависимости от точности изготовления сепаратора и роликов:

• 1.    Ролик обладает большей кривизной, чем удерживающая площадка сепаратора; в этом случае контакт осуществляется по линии (рис.2, а).

• 2.    Ролик обладает меньшей кривизной, чем удерживающая площадка сепаратора; в этом случае контакт осуществляется по двум линиям (рис.2, б).

• 3.    Ролик, и удерживающая площадка имеют одинаковую кривизну; в этом случае контакт происходит по всей поверхности. Данный случай распределения усилий возможен либо при точном изготовлении ролика и сепаратора, либо получается из варианта 1 или 2 приработкой контактирующих поверхностей (рис.2, в).

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №4, 2012

Рис. 1. Конструкции сепаратора с перемычками: а- без выемок; б- с 3-мя; в- с 5-ю выемками

Таблица 1. Характеристики материала сепаратора

Парам етр	Прочность при растяжении, МПа	Изгибающее напряжени е при максимальной нагрузке, МПа	Мод уль упругости при растяжени и, МПа	Плотнос ть, кг/м3	Коэффициент Пуассона
Величи на	140	190	7000	1330	0,44

Величины усилий принимались из условия максимальной радиальной нагрузки, которую может воспринимать подшипник. Для данного подшипника максимальная нагрузка в радиальном направлении составляет 3000 кг, при этом от наиболее нагруженного ролика на перемычку сепаратора передаётся нагрузка в 100 кг.

Проведённый расчёт показал, что характер распределения контакта ролика и сепаратора существенно влияет лишь на НДС на удерживающей площадке сепаратора и оказывает незначительное влияние на величину напряжений в наиболее опасном сечении – месте перехода кольца в перемычку. Также было выявлено, что величина напряжений в зависимости от величины нагрузки изменяется по линейному закону. Распределение эквивалентных напряжений в опасном сечении для всех трёх вариантов конструкции сепаратора показано на рис. 3.

Величина максимального напряжения составили: для сепаратора без выемок – 100 МПа, с тремя выемками – 107 МПа, с пятью выемками – 223 МПа. Поскольку предел прочности на изгиб для материала сепаратора составляет 190 МПа, очевидно, что деталь, имеющая 5 выемок в перемычке, является неработоспособной. Сепаратор без выемок на перемычках обладает наибольшим запасом прочности из представленных вариантов конструкций, однако, расход материала для него самый большой. Сепаратор с тремя выемками на перемычке требует меньше материала, и при этом запас прочности для него лишь на 7% меньше, чем для сепаратора со сплошными перемычками.

Рис. 2. Варианты распределения нагрузки

а                                             б

в

Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений в опасном сечении сепаратора: а – без выемок; б – с 3-мя выемками; в – с 5-ю выемками

Таким образом, наиболее рациональной является конструкция сепаратора с тремя выемками в перемычках, так как из всех рассмотренных   1^.

она обладает оптимальным соотношением прочностных характеристик и расхода материала.