Влияние материалов на запас прочности сепаратора при различных способах базирования в роликовом подшипнике

Объектом исследования в данной статье выбран сепаратор авиационного роликового подшипника 5-1032930Р1.56-ЕТУ100. В качестве материалов сепаратора рассматривается сталь 40ХН2МА-Ш, алюминиевый сплав Д1-Т и бронзовый сплав Бр.АЖМц 10-3-1,5. Исследуются различные способы базирования сепаратора.

Задачей исследования является определение наиболее приемлемого типа материала и способа центрирования сепаратора с точки зрения запасов прочности.

Геометрическая модель сепаратора создана в пакете трёхмерного моделирования Unigraphics NX 8.0. Конечно-элементная модель сепаратора получена в программном комплексе ANSYS [1]. По оценкам западных компаний расчеты с неупорядоченной сеткой можно считать лишь весьма приближенными, не дающими особой точности, в силу особенностей октаэдрических элементов и практически неконтролируемого способа разбиения модели на конечные элементы. Поэтому расчеты производились с помощью упорядоченной сетки конечных элементов, которая практически лишена вышеуказанных недостатков.

Полученный результат моделирования представлен на рис. 1.

Поскольку расчёт проводился в обращённом движении без учёта сил инерции в силу их малости, то сепаратору задан запрет на перемещение в окружном направлении.

Нагрузка на контактную поверхность сепаратора в зависимости от формы тел качения мо-

Рис. 1. Конечно-элементная модель сепаратора жет быть распределена на длине контактной линии от 1 до 5 мм, согласно техническим требованиям чертежа на данный подшипник (рис. 2).

Силы прикладывались в узлы элементов, принадлежащие поверхностям контакта с роликами.

Нагрузки от роликов на сепаратор передаются через перемычки. Перемычка является наиболее нагруженным элементом сепаратора, поэтому для расчёта сепаратора на прочность необходимо рассчитать окружное усилие, действующие на все перемычки сепаратора из условия равновесия. Затем выбрать наиболее нагруженную перемычку и использовать значения нагрузок на перемычку при расчёте на прочность в программном комплексе ANSIS.

С помощью программного комплекса по рас-

Рис. 2. Способ приложение нагрузки к сепаратору

сплава

Рис. 3. Распределение усилий по перемычкам сепаратора в зависимости от номера ролика для сепараторов из различных материалов при базировании по наружному кольцу чёту роликовых подшипников [2] исследуем нагрузки на перемычки сепаратора для роликоподшипника 55-1032930Р1 для случаев изготовления сепаратора из стали 40ХН, бронзы БрАЖМц и алюминиевого сплава Д1Т при базировании сепаратора по наружному и внутреннему кольцу.

Рассмотрим режим работы подшипника в авиационном газотурбинном двигателе при оборотах вала n =12000мин^-1 , радиальной нагрузке Fr= 4500Н, радиальном зазоре 40мкм и нормальных условиях по температуре ( Т _масла =20^оС, Т _колец =20^о С, Т _{роликов} =20^о С). Результаты расчёта представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

Необходимо отметить, что нагрузки на перемычки сепаратора зависят от способа базирования сепаратора и материала, из которого он изготовлен. При базировании по внутреннему кольцу нагрузки на сепаратор больше, чем при базировании по наружному. Различие знаков нагрузки говорит о том, что направление действия сил различное, так как при положительном значении ролики ведут сепаратор, а при отрицатель-

Номер ролика

Сепаратор из

-♦— Стальной сепаратор -*— алюминиевого сплава "^ Бронзовый сепаратор

Рис. 4. Распределение усилий по перемычкам сепаратора в зависимости от номера ролика для сепараторов из различных материалов при базировании по внутреннему кольцу ном сепаратор ролики.

Наименее нагружен сепаратор из алюминиевого сплава при базировании сепаратора по наружному кольцу, а наиболее нагружен бронзовый сепаратор при базировании по внутреннему кольцу.

Полученное распределение напряжений показано на рис. 5-10. Для получения картины распределения напряжений в местах стыка перемычек с кольцами часть элементов скрыта.

Результаты расчёта максимальных напряжений приведены в табл. 2.

Определим запас статической прочности для каждого типа сепаратора.

Запас статической прочности определяется по зависимости

^ST = ^ Т ^П х .

Данные механических характеристик материалов сепаратора приведены в табл. 3.

Результаты расчёта запаса статической прочности приведены в табл. 4

Из результатов расчёта видно, что наилучшие показатели запаса статической прочности имеет сепаратор из стали, а наихудшие сепаратор из алюминиевого сплава при центрировании

Таблица 1. Значения максимальных нагрузок на сепаратор

Материал	Вид центрирования	Величина нагрузки, Н
Сталь 40ХН2МА-Ш	по наружному кольцу	156,96
	по внутреннему кольцу	255,06
Д1Т	по наружному кольцу	49,05
	по внутреннему кольцу	230,54
БрАЖМц	по наружному кольцу	176,58
	по внутреннему кольцу	259,97

а)                                б)

Рис. 5. Распределение напряжений в стальном сепараторе при центрировании по наружному кольцу: а – при длине линии контакта 1 мм; б – при длине линии контакта 5 мм

а)                                                          б)

Рис. 6. Распределение напряжений в стальном сепараторе при центрировании по внутреннему кольцу: а – длина линии контакта 1 мм; б – длина линии контакта 5 мм

а)

б)

Рис. 7. Распределение напряжений в алюминиевом сепараторе при центрировании по наружному кольцу: а – длина линии контакта 1 мм; б – длина линии контакта 5 мм

по внутреннему кольцу. Однако при центрировании по наружному кольцу запас статической прочности сепаратора из алюминиевого сплава выше, чем у бронзового.

Так как нагрузки на перемычки сепаратора меняются циклически, оценим запас их усталостной прочности по зависимости [3]

5 , = а -1 /(К ^ ₊ ^_с О т ). (1)

а)

б)

Рис. 8. Распределение напряжений в алюминиевом сепараторе при центрировании по внутреннему кольцу: а – длина линии контакта 1 мм; б – длина линии контакта 5 мм

а)

б)

Рис. 9. Распределение напряжений в бронзовом сепараторе при центрировании по наружному кольцу: а – длина линии контакта 1 мм; б – длина линии контакта 5 мм