Влияние износа тел качения и беговых дорожек на долговечность подшипников качения

В процессе работы подшипников качения наблюдается проскальзывание тел качения, что обуславливает наличие трения скольжения в контакте с беговыми дорожками [1]. Это приводит к износу тел качения и беговых дорожек в процессе работы и увеличению радиального зазора в подшипнике [2,3]. Автор наблюдал износ роликов подшипника свободной турбины изделия НК-12СТ после эксплуатации на перекачивающей станции в Средней Азии, который достигал нескольких миллиметров. Это было обусловлено назначенным ресурсом в 100000 часов и эксплуатацией при попадании в систему смазки песчаной пыли мелкой фракции, частицы которой не улавливались фильтрами с тонкостью очистки 20 мкм. Износ в подшипнике приводит к перекосу колец и снижению долговечности [4,5]. Теоретические [6,7] и экспериментальные [8] исследования показали существенное влияние геометрических параметров на характеристики подшипников качения. Кроме этого, увеличение зазора в подшипниках качения влияет на жёсткость опор роторов и как следствие на собственные частоты системы [9,10]. Следовательно, очень важно знать истинное значение радиального зазора в подшипниках качения, который меняется в процессе работы, и учитывать это при расчёте характеристик подшипников качения.

Цель исследования – повышение долговечности подшипников качения за счёт разработки методики расчёта подшипников с учётом износа тел качения и беговых дорожек.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В работе [3] было показано, что во время работы подшипника происходит износ тел качения. Этот износ приводит к увеличению радиального зазора в подшипнике, что влияет на долговечность подшипника. Полученные экспериментально результаты [4] показали экспоненциальную зависимость между интенсивностью изнашивания I и контактными напряжениями σ _H

I = ae C°H + b,                                (1)

где а =9,036 ^. 10^-3, b =0,961, с =4,984 ^. 10^-3.

Полученная зависимость (1) позволяет определить изменение радиального зазора в роликовом подшипнике ∆ g за счёт износа тел качения:

z

^Л g * = ² Ё ^л g * i¹ z , i

Л      Iei v* ЛLh где Лg = * *--- - износ от контакта с внутренним кольцом;

*   nD l р р

z

i

Iν ΔL где Лg . =-------- - износ от контакта с наружным кольцом.

^H     n D „ l Р

Для шарикового подшипника:

.     IV * ЛL h

Лg. = — —-— - износ от контакта с внутренним кольцом;

*    nDW д      IHivн ЛL h

Лg. = — —-— - износ от контакта с наружным кольцом,                             (5)

^H     n D ^

где z - число тел качения, Л g *i , Л g _Hi - износ тела качения на i- ом участке с расчётным значением интенсивности износа I * и I_Hi в контакте с внутренним и наружным кольцами соответственно, I * , I_Hi - интенсивность износа тела качения при расчетном значении контактного напряжения а _н ^и & _нн в контакте с внутренним и наружным кольцами соответственно, v * , v _H - скорость скольжения относительно внутренней и наружной дорожек качения соответственно, D_w и D_p – диаметр шарика и диаметр ролика соответственно, l_p – рабочая длинна ролика.

Несмотря на то, что результаты работы [4] можно использовать для учета влияния износа подшипника при расчете долговечности, нужно отметить, что сделаное предположение, что износ тел качения сопоставим с износом дорожек качения небыло подтверждено эксперитальными данными. Задача этого исследования заключается в том, чтобы определить экспериментальным путем величину износа дорожки качения с целью учета при определении изменения радиального зазора подшипника качения, а также разработать методику расчета долговечности подшипника с учетом износа тел и дорожек качения.

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

В данной работе, проведены эксперименты для определения износа дорожек качения подшипника и их влияние на радиальный зазор в подшипнике. Эксперименты проводились с использованием трибометра швейцарской фирмы СSM в режиме пары трения сфера плоскость. Шарик диаметром 9,525 мм из стали устанавливался в держатель и со скоростью 1м/с скользил по смазанному кольцу из той же стали с твёрдостью HRc =62…63. Длительность испытаний устанавливалась в виде длины пути S =100 000 м.

После испытаний профиль поверхности кольца измерялся с помощью профилометра SURTRONIC 25. Профилометр устанавливался на экспериментальном столе, как показано на рисунке 1, и в шестнадцати равномерно расположенных по окружности сечениях измерялся профиль микронеровностей поверхности кольца в радиальном направлении.

Рисунок 1 – Измерение профиля поверхности кольца подшипника

Рисунок 2 – Профиль микронеровностей h поверхности по радиусу кольца после испытаний

Результат измерения профиля микронеровностей поверхности по радиусу R показан на рисунке 2, где выделена область износа.

Объем изношенного материала рассчитывался автоматически программным обеспечением трибометра и определялась величина интенсивности износа дорожки I _д с размерностью мм³/м.

Среднее значение шестнадцати измерений принималось за истинное значение интенсивности износа кольца.

В качестве материала шариков и колец при испытаниях использовались стали ШХ-15, ШХ-15Ш, 8Х4В9Ф2(ЭИ347), 95Х18, которые наиболее часто применимы в отечественных подшипниках, а в качестве смазки масло ИПМ-10. Исследования проводились для пяти разных контактных напряжений – 500 МПа,750 МПа,1000 МПа,1250 МПа,1500 МПа. Величина контактных напряжений обеспечивалась набором тарированных грузов. По полученным экспериментальным данным были построены графики зависимости коэффициента интенсивности изнашивания кольца от контактных напряжений, представленные на рисунке 3. Экспериментальные кривые на рисунке 3 были аппроксимированы с погрешностью не более 11% нелинейной зависимостью в виде

где а =9,55 ^. 10^-3, b =0,98, с =5,234 ^. 10^-3 для ШХ-15;

а =9,028 ^. 10^-3, b =0,957, с =4,981 ^. 10^-3 для ШХ-15Ш;

а =8,827 ^. 10^-3, b =0,757, с =4,682 ^. 10^-3 для 95Х18;

а =3,438 ^. 10^-3, b =0,612, с =6,275 ^. 10^-3 для ЭИ-347.

Полученные данные в результате эксперимента показали, что разность между интенсивностью износа кольца по уравнению (6) и тел качения, согласно уравнению (1), не превышает 10% во всём рассматриваемом диапазоне.

Рисунок 3 – Зависимости коэффициента интенсивности изнашивания колец от контактных напряжений для подшипниковых сталей

Для применения полученных выше результатов исследования в расчете долговечности подшипника предлагается рассматривать долговечность подшипника на отдельных участках с дискретным значением зазора. Эквивалентную долговечность подшипника необходимо определять [11] в виде

N

Lh, = £ L

\ 1

A-1

• N ,

где N – число интервалов разбиения долговечности для дискретизации величины изменяющегося зазора, L_hj – долговечность подшипника при каждом дискретном значении зазора.

Величина износа наружной и внутренней беговой дорожки будет различной, так как будут различными линейные скорости скольжения тел качения и контактные напряжения. Поэтому отдельно определяем величину изменения зазора при износе внутренней и наружной дорожек качения от каждого тела качения, которое имеет контакт.

Для роликового подшипника уравнения получим в следующем виде:

. v                 It ^v « ALh

A g_de = L ^ gdei , где A g dei =---—,--для внутренней дорожки качения;               (7)

n D . l p

z

A v AL, du н h

• dui , где    g dui

KDJ p

– для наружней дорожки качения;

Здесь A g_dgi и A g_dHi - износ внутренней и наружной дорожки качения от одного тела качения (ролик или шарик) на участке с расчётным значением контактных напряжений O _Hei и & H _Hi в контакте с внутренним и наружным кольцом соответственно, I_d . I_d . - интенсивности износа внутрен

ней и наружной дорожек качения при расчётном значении контактных напряжений & _Hei и & H _Hi в контакте с внутренним и наружным кольцами соответственно, D _в и D _н – диаметр внутренней и наружной беговой дорожки соответственно.

Для шарикового подшипника вместо рабочей длины ролика необходимо использовать значение b – ширины площадки контакта шарика с беговой дорожкой.

Алгоритм расчета долговечности с учетом износа тел качения и беговых дорожек

• 1.    Выполняем расчет долговечности подшипника L _{h 0} при заданном исходном значении зазора g₁ без учета износа.

• 2.    Полученное значение долговечности делим на N = 10...100, получаем A L _h - время работы подшипника с промежуточным дискретным значением величины зазора.

• 3.    По полученным из программы значениям скоростей скольжения v и напряжений & н в контакте каждого тела качения с наружным и внутренним кольцом определяем интенсивность изнашивания I .

• 4.    Вычисляем величины износа тел качения, согласно уравнениям (2) и (3) для роликоподшипника или (4) и (5) для шарикоподшипника.

• 5.    Вычисляем величину износа беговых дорожек внутреннего и наружного колец от каждого тела качения, согласно уравнению (7) и (8) соответственно.

• 6.    Вычисляем новое значение зазора

• 7.    Выполняем расчет долговечности L _{hj + 1} с новым значением зазора g j + 1 и повторяем с п. 2 N раз.

• 8.    Вычисляем эквивалентную долговечность подшипника с учетом износа:

  

  L = V L ^{- 1}    • N .

  hhj

  
  

gj+, = gj + 2 (Agj + AgHj + Ag* + AgdHj ) ■

Приведем пример расчета долговечности подшипника с учетом износа тел качения и беговых дорожек по разработанной методике.

Автором использовалась методика [12] и разработанная программа для расчета долговечности подшипника с учетом проскальзывания тел качения.

Был рассчитан межевальный роликовый подшипник 5-272822 P2[10].

Подшипник имеет номинальную долговечность без учета износа Lh1=1472,7ч. Разделим это время на 10 равных интервалов согласно предложенному алгоритму. При работе подшипника радиальный зазор в подшипнике будет увеличиваться в зависимости от скорости скольжения и контактных напряжений. Для каждого из десяти участков вычислялись дискретные значения зазоров согласно уравнениям (1) и (2) с помощью программы определялась скорость скольжения и контактные на- пряжения, а также соответствующие долговечности при каждом зазоре. Рассмотрим порядок расчета первой итерации.

Полученные результаты дают нам исходные данные для расчета нового радиального зазора и расчета долговечности при второй итерации: ∆t_h =1472,7 ч; v _в =3,843 м/с; v _н =0,416 м/с; контактные напряжения в телах качения при контакте с внутренним кольцом σ _{в i} и с наружным кольцом σ _{н i.}

Для определения следующего значения долговечности L_h1 вводим новое значение радиального зазора в программу расчета и получим L_h2 =1547,3 ч. Расчет проводится аналогичным образом для всех итерации долговечности и при каждом интервале, результаты которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета долговечности при различных значениях радиального зазора

П/н	Радиальный зазор, мм	Долговечность, ч
1	0,02000	1472,7
2	0,02029	1547,3
3	0,02058	1626,8
4	0,02086	1706,2
5	0,02114	1787,6
6	0,02140	1863,7
7	0,02165	1946,1
8	0,02190	2022,0
9	0,02213	2098,5
10	0,02237	2179,3

Эквивалентная долговечность подшипника с учетом износа колец и тел качения определялась в виде [11]

1     T1

——— + 1863,7

• 10 = 1796,7 ч .

( 11,111

--ZTT +---- +------ +--Z---Г +--ZT^--

1472,7 1547,3 1626,8 1706,2 1787,6

++         +        +

^ 1946,1 2022,0 2098,5 2179,3

Таким образом, эквивалентная долговечность рассматриваемого подшипника с учётом износа тел качения и беговых дорожек возрастает. Погрешность в определении долговечности без учёта износа составляет 22%.

Расчёт данного подшипника на другом режиме работы при скоростях вращения внутреннего кольца 7200 об/мин и наружного 9200 об/мин показал, что погрешность при расчёте без учёта износа может составить 50%.

На рисунке 4 показаны зависимости долговечности подшипника 5-272822P2 от величины радиального зазора при различных скоростях вращения валов. Из рисунка видно, что в зависимости от величины исходного значения зазора долговечность с увеличением зазора от износа сначала увеличиваться, а затем уменьшаться.

Для каждого из режимов работы имеет место оптимальная величина радиального зазора. Таким образом, для многорежимных изделий невозможно обеспечить оптимальный зазор во всём диапазоне работы.

ВЫВОДЫ

Разработанная методика позволяет рассчитать долговечность подшипников с учётом износа тел качения и беговых дорожек. Определение долговечности конкретного типа подшипника показало, что, если не учитывать износ в подшипниках качения, погрешность в определении долговечности может достигать 50%. Разработанная методика расчета долговечности роликовых и шариковых подшипников с учётом износа дает возможность выбирать параметры подшипников, повышающие их долговечность.

Рисунок 4 – Зависимость долговечности подшипника от радиального зазора: 1– при частотах вращения колец n _в =10200 об/мин и n _н =13300 об/мин;

2 – при частотах оборота колец n _в =7200 об/мин и n _н =9300 об/мин