Экспериментальное определение моментных характеристик подшипников 6-766907Ю в рабочем диапазоне осевых нагружений

В связи с расширением эксплуатационных условий двигателей РД-107А/108А необходимы мероприятия по снижению моментов трения в узлах качания рулевых агрегатов, работающих совместно с данными двигателями. В работе [1] было показано, что совокупный момент трения в узлах создают 5 основных трибосопряжений, два из которых являются подшипниками 6-766907Ю. Для определения доли момента каждого трибосопряжения необходимо получить моментные характеристики подшипников 6-766907Ю в зависимости от их осевой нагрузки. Получив в дальнейшем распределение суммарного момента трения по отдельным составляющим, возможна разработка мероприятий по снижению момента трения в каждом из элементов трибосопряжений.

Замер моментов трения в паре радиальноупорных подшипников 6-766907Ю проводился на специально спроектированной установке. Конструкция такой установки представлена на рис. 1. Использование серийных элементов узлов качания в ее составе обеспечивает подобие условий монтажа и нагружений подшипников. Установка позволяет создавать осевое нагружение на пару подшипников 6-766907Ю в любом требуемом диапазоне путем вворачивания наружной обоймы в зафиксированную накидную гайку с помощью моментного (динамометрического) ключа. Замер момента осуществляется на закрепленной горизонтально установке с помощью уравновешенного кронштейна, играющего роль линейки, и специально оттарированного груза, создающего момент вращения внутреннего вала (цапфы) установки. Рабочее положение установки представлено на рис. 2 и рис. 3. При замере

момента вращения наружная обойма удерживается от проворачивания путем постановки на ее шестигранник накидного блокирующего ключа.

В установке осевое усилие, воспринимаемое подшипниками, создается путем их осевого поджатия с помощью резьбовой пары «гайка-обойма». Согласно третьему закону Ньютона указанное усилие приходит на каждый из подшипников. При этом безразлично, какой из двух элементов резьбовой пары вращается в процессе затяжки. Указанное соображение следует из того, что величина трения в резьбе зависит от среднего диаметра d2, одинакового для гайки и обоймы, а трение по торцу определяется геометрией наружного кольца подшипника, одинакового для сопряжения как с буртом гайки, так и с буртом обоймы.

При работе с установкой крутящий момент создавался путем перемещения груза на фиксируемую величину плеча. Момент трения становился равным крутящему моменту при перемещении линейки после страгивания на угловую величину 5…7°.

РАСЧЕТ ПОТРЕБНЫХ МОМЕНТОВ ЗАТЯЖКИ ПОДШИПНИКОВОЙ ПАРЫ ПРИ ЗАДАННЫХ ОСЕВЫХ УСИЛИЯХ

В общем виде [2] момент на ключе записывается в виде:

т = т - т , ¹ м т ¹ р'

где Тт– момент трения бурта гайки (обоймы) о наружное кольцо подшипника;

т р – момент сопротивления в резьбе.

Момент трения бурта вычисляемая по формуле:

Тт = HRTF), где ^ – коэффициент трения во фрикционной паре «накидная гайка – кольцо подшипника»;

Рис. 1. Схема установки для замера моментов трения в подшипниках:

1 – пылезащитное кольцо; 2 – подшипник опоры; 3 – накидная гайка; 4 – обойма; 5 – подшипник 6-766907Ю

Рис. 2. Установка в рабочем положении, фронтальный вид

^0 – осевая затяжка, Н;

Ят – приведенный радиус трения.

Приведенный радиус трения имеет вид зависимости:

1 D3-^ т 3 D2 — dy’ где D – наружный диаметр наружного кольца подшипника, м;

^о – внутренний диаметр наружного кольца подшипника, м.

Для подшипника 6-766907Ю D = 52 ■ 10”³ D = 52 • 10"³ м, d₀ = 46,034 ■ 10"³ м, Л_т = 24,54- 10^-а м.

Момент сопротивления в резьбе вычисляется по формуле:

Tp^dVo.16—+ 0,5fp где tin – средний диаметр резьбы, для резьбы М60´1,5d2 = 59,026 ■ IO"3 м;

Р – шаг резьбы, Р = 1,5 ■ 10^-а м;

Ур – коэффициент трения в резьбе.

Коэффициент трения в резьбе вычисляется по формуле:

где я – угол вершины профиля резьбы, для метрической резьбы а = 60^е;

Рис. 3. Установка в рабочем положении, профильный вид

– коэффициент трения во фрикционной паре материалов накидной гайки и обоймы.

Материал накидной гайки – сталь 30ХГСА, обоймы – сталь 12Х18Н10Т, наружного кольца подшипника – 95Х18. Экспериментально определенный для фрикционной пары «сталь 30ХГСА – сталь 12Х18Н10Т» коэффициент трения составил 0,14. С определенным допущением можно принять:

Согласно имеющейся гарантийной документации максимальная осевая нагрузка для подшипника 6-766907Ю составляет 10,79 кН (1100 кгс).

Расчет потребных моментов затяжки в диапазоне осевых усилий 0,981…10,791 кН (100…1100 кгс) представлен в табл. 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННОГО МОМЕНТА ТРЕНИЯ УСТАНОВКИ

При вращении внутреннего вала (цапфы) установки реализуется момент трения в подшипниковой опоре и во фторопластовом пылезащитном кольца корпуса, играющего роль второй вспомогательной опоры. Указанную величину необходимо вычитать в процессе замера момента затянутой подшипниковой пары. Измерение собственного момента трения установки было организовано при следующих условиях:

• -    замер плеча выполнялся на приспособлении с ценой деления (10±0,2) мм;

• -    промежуточные (между делениями) значения снимались с точностью ±0,5 мм;

• -    масса груза составляет (94,043±0,003) г, =94,043 г.

Величина момента вместе с погрешностью определялась по следующей методике:

• а)    по результатам 16-ти замеров находилась средняя величина плеча и среднее квадратичное отклонение замера ;

• б)    округлялось до ближайшего целого деления N, после чего находилась инструментальная погрешность замера :

sit = VrT^o^y, где 0,2 мм – абсолютная погрешность цены деления, мм;

• в)    погрешность съема промежуточных (между делениями) показаний задавалась величина мм;

• г)    с доверительной вероятностью 99% случайная погрешность замера плеча определялась величиной:

6l₂ = +3

• д)    суммарная погрешность замера плеча составляла среднюю квадратичную сумму погрешностей:

Таблица 1. Усилия и моменты затяжки подшипниковой пары

Усилие затяжки Fo, кН (кгс)	Момент в резьбе Тр , Н*м (кгс^м)	Момент трения бурта Тт , Нм (кгсМ	Момент на ключе Т . = Тт + Тр , Н•м (кгс-м)
1	2	3	4
0,98 (100)	4,91 (0,50)	3,37 (0,34)	8,28 (0,84)
1,96 (200)	9,83 (1,00)	5,74 (0,69)	16,57 (1,69)
2,94 (300)	14,74 (1,50)	10,10 (1,03)	24,84 (2,53)
3,92 (400)	19,66 (2,00)	13,44 (1,37)	33,10 (3,37)
4,91 (500)	24,57 (2,50)	16,87 (1,72)	41,44 (4,22)
5,89 (600)	29,46 (3,00)	20,21 (2,06)	49,67 (5,06)
6,87 (700)	34,40 (3,51)	23,59 (2,41)	57,99 (5,92)
7,89 (800)	39,31 (4,00)	26,96 (2,75)	66,27 (6,75)
8,83 (900)	44,23 (4,51)	30,33 (3,09)	74,56 (7,60)
9,81 (1000)	49,14 (5,01)	33,70 (3,43)	82,84 (8,44)
10,79 (1100)	54,06 (5,51)	37,07 (3,78)	91,13 (9,29)

5lT= 31? + 8Й + 8Ц;

• е)    вычислялась относительная погрешность замера

• ж)    рассчитывалось среднее значение момента трения:

Mcp = 5 ‘ Wcp ‘ ^

• з)    в соответствии с [3] относительная погрешность произведения равна среднеквадратичной сумме исходных относительных погрешностей; соответственно, относительная погрешность замера момента находилась по формуле:

SM 8mV TsiyV

--= -- + — ;

Mcp            Мер/

• и)    окончательная величина момента трения установки принимала вид:

M = M + --— M .

yc ср—I w

Полученные результаты представлены в табл. 2.

Полученный момент трения установки составил (141,1±21,2) Н·мм.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ТРЕНИЯ В ПОДШИПНИКОВОЙ ПАРЕ

Фиксированное осевое усилие в подшипниковой паре создавалось путем ее затяжки на момент , указанный в табл. 1. Относительная погрешность задания момента в процентах вычислялась в соответствии с [4,5] по формуле:

где N – текущее показание индикатора моментного ключа.

Соответствие показаний индикатора моментного ключа определенным значениям момента получалось из имеющейся тарировочной характеристики. С учетом того, что момент затяжки пропорционален усилию затяжки, относительная погрешность задания осевого усилия соответствовала относительной погрешности задания момента:

SF0

Расчетная величина погрешности осевого усилия представлена в табл. 3.

Каждому последующему этапу нагружения предшествовало полное снятие нагрузки с подшипникового узла. Методика замера повторяла последовательность определения собственного момента установки со следующими дополнениями:

• а)    при осевой нагрузке свыше (6,87±0,12) кН использовался груз (177,699±0,003) г;

• б)    средний момент трения в подшипниковой паре вычислялся как разность средних значений замеренного момента и момента установки;

• в)    в соответствии с [3] суммарная погрешность разности вычислялась как среднеквадратичная сумма погрешностей:

6М„ОД = J(5M)4(5nQ2;

• г)    итоговое значение момента трения в подшипниковой паре:

Таблица 2. Расчетно-экспериментальные данные момента трения установки

Z Cp , MM	ff, MM	SZ1, mm	SZ2, mm	SZ3, mm	51 ^ , mm	Mcp , H-mm	5Myc Mcp	5Myc , H^mm
153,0	7,7	±0,8	±1,0	±23,2	±23,2	141,1	0,15	±21,2

Таблица 3. Этапы нагружения и погрешность осевого усилия

№ этапа	Fo, кН (кгс)	Ткд , H^m (кгсМ	N	5Т™     5F0 Ткл        Fo	5F0, кН
1	0,98 (100)	4,91 (0,50)	8	±0,100	±0,10
2	1,96 (200)	9,83 (1,00)	17	±0,049	±0,10
3	2,94 (300)	14,74 (1,50)	25	±0,034	±0,10
4	3,92 (400)	19,66 (2,00)	34	±0,026	±0,10
5	4,91 (500)	24,57 (2,50)	42	±0,022	±0,10
6	5,89 (600)	29,46 (3,00)	51	±0,019	±0,11
7	6,87 (700)	34,40 (3,51)	59	±0,018	±0,12
8	7,89 (800)	39,31 (4,00)	68	±0,016	±0,13
9	8,83 (900)	44,23 (4,51)	76	±0,015	±0,13
10	9,81 (1000)	49,14 (5,01)	84	±0,014	±0,13
11	10,79 (1100)	54,06 (5,51)	93	±0,014	±0,15

Таблица 4. Расчетно-экспериментальные данные моментов трения в подшипниковой паре

№ этапа m ср 1 ср, мм о, мм 8^, мм Мер , Н-мм 8М, №мм Мср. под., №мм 8Мпод, №мм 1 94,043 212,2 13,0 39,0 195,5 ±35,9 54,4 ±41,7 2 228,8 9,1 27,0 211,0 ±25,3 70,0 ±30,0 3 276,2 9,1 27,0 254,4 ±25,4 113,3 ±33,0 4 306,1 7,4 22,1 282,1 ±19,7 141,0 ±29,0 5 344,8 15,0 15,1 318,1 ±41,4 177,0 ±46,5 6 410,9 14,8 44,5 379,2 ±45,5 237,9 ±50,2 7 480,5 23,4 70,3 443,0 ±66,5 301,9 ±69,8 8 177,699 287,5 10,8 32,5 502,0 ±55,2 360,9 ±59,1 9 332,9 9,0 27,1 580,4 ±46,4 439,3 ±51,0 10 405,7 11,1 33,3 707,7 ±56,6 566,6 ±60,4 11 460,8 18,4 55,0 803,5 ±96,5 662,9 ±98,8 под ср. под. — под

Полученные данные моментов представлены в табл. 4, нумерация этапов соответствует нумерации табл. 3.

На рис. 4 представлена полученная экспериментальная зависимость момента трения подшипниковой пары от осевого усилия, построенная по средним значениям моментов в виде полинома 3-ей степени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получена зависимость моментной характеристики подшипникового узла с новыми подшипниками при начальном ступенчатом нагружении до максимального допустимого осевого усилия. Подшипники применялись без смазки, что соответствует условиям их работы в составе узла качания рулевого агрегата двигателя. Определенная моментная характеристика позволяет выполнить предварительную оценку абсолютной величины момента трения в подшипниках конкретного серийного узла. При этом возможно дополнительное уточнение полученной зависимости при многократном повторении осевого нагружения в имеющемся эксплуатационном диапазоне. Уточненная моментная характеристика послужит критерием проверки соответствующего теоретического расчета, методика проведения которого может быть создана в дальнейшем.

M, №мм

Рис. 4. Г рафик зависимости момента трения подшипниковой пары от осевого усилия