научная статья по теме ПОВЫШЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПОВЫШЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 5, 2009

УДК 621.822

© 2009 г. Орлов А.В.

ПОВЫШЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ

Приведены закономерности, определяющие зависимость остаточной деформации от уровня и количества контактных нагружений, и показана вытекающая из них возможность повышения статической грузоподъемности опор качения.

Опоры качения в ряде случаев преждевременно выходят из строя вследствие так называемого ложного бринеллирования, которое представляет собой образование на их рабочих поверхностях местных углублений (лунок) под воздействием периодических кратковременных резких перегрузок в процессе вращения подшипника, либо вибраций и ударов в неподвижном состоянии (например при неправильно подготовленной транспортировке). Эти лунки ухудшают динамические и акустические характеристики опоры, а концентрация нагрузки у их краев ускоряет выкрашивание тел качения и беговых дорожек колец.

Эксперименты, проведенные в Институте машиноведения АН СССР (ИМАШ) [1], показали, что на деталях из закаленной подшипниковой стали твердостью ЫЯС 60-61 глубина этих лунок достигает величин, соизмеримых с показателями точности деталей подшипников, уже при относительно невысоких значениях максимального контактного давления. Например после однократного сжатия шара диаметром 76,2 мм со стальной плитой нагрузкой, соответствующей р0 = 3 ГПа, глубина лунки составляла 0,7 мкм.

В начале циклического нагружения пластическая деформация, которая оценивалась по глубине лунки, постепенно увеличивается, но после первых 5—10 циклов рост резко замедляется и к этому времени составляет 40—60% того ее значения, которого она достигает после длительной работы, т.е. порядка нескольких миллионов циклов нагружения. Наиболее вероятным объяснением такого явления представляется то, что основная часть ресурса пластической деформируемости материала исчерпывается уже на первом этапе работы.

В таблице показаны результаты испытаний (остаточные деформации в зависимости от числа циклов нагружения, мкм) на гидравлическом пульсаторе четырех пар образцов, имеющих форму цилиндра диаметром 50 и высотой 30 мм, один из торцев которых, несший контактную нагрузку, был плоским или представлял собой часть сферы радиусом 60 мм. На образцах со сферической рабочей поверхностью за величину деформации принимали уменьшение его высоты (в сравнении с эталонным образцом). Интересно отметить, что во всех случаях деформация на сферической поверхности была меньше, чем на плоской. Это можно объяснить различием объемных напряжений на сфере и плоскости, накладывающихся на контактные напряжения непосредственно в зоне соприкосновения. Современными расчетными методами это различие, как правило, не учитывается. При усталостных испытаниях пары сфера—плоскость первым в большинстве случаев разрушался также плоский образец.

3* 67

Номера образцов ЫЯС Я, мм N циклов

1 10 50 1500 20000 5 ■ 105 1 ■ 106 5 ■ 106 17,5 ■ 106

220 59 да 20,5 25 27,8 - 28 47 47,5 - -

116 59 60 12,5 15 15 - 15 24,5 24,5 - -

221 59 да 16 18,5 21 - 20,5 32,5 33,7 - -

117 59 60 14,5 16,5 16,5 - 16,5 30 30 - -

209 55 да 21,5 26,5 29 30 - 33,5 36 38 53,5

154 58 60 10 12 12,2 13 - 14,2 16 17 26

210 55 да 20 25,5 26 29 - 33 35 36 48,5

158 58 60 8,5 9,8 10 10,5 - 12 13,2 14 20

Представление о том, что основная часть ресурса пластической деформируемости исчерпывается при первых нескольких десятках нагружений, подтверждается опытами работы [2], где показано, что максимальное сопротивление качению шара по плоскому образцу (ЫЯС 61-62) имеет место при первом проходе. При втором оно уменьшается почти вдвое и на 20-м проходе составляет 20—30% от первоначального значения (рис. 1). Логично предположить, что такое падение является результатом уменьшения доли потерь на пластическое деформирование материала после уменьшения его ресурса во время предыдущих проходов.

Эта особенность закаленной стали дает возможность уменьшить ложное бринелли-рование, когда по условиям эксплуатации оно неизбежно. Для этого нужно перед монтажом подшипника в узел обкатать рабочие поверхности его колец и тел качения под плавно увеличивающейся переменной нагрузкой, несколько превышающей ту, при которой ожидается бринеллирование, уделив особое внимание наиболее тяжело нагруженным участкам рабочих поверхностей. Для этого может понадобиться обкатка при сочетании радиальной нагрузки с осевой, переменной по направлению.

Несмотря на кратковременность предварительной обкатки и, следовательно, малую вероятность накопления в поверхностных слоях тел качения и беговых дорожек усталостных повреждений до опасного уровня, вопрос о величине нагрузки при обкатке остается ключевым. Для его решения необходимо знать зависимость остаточной деформации от максимального контактного давления.

В ИМАШ были проведены опыты при сжатии шаров диаметром 12,7^50,78 мм с плоской плитой, твердость деталей ЫЯС 58-62. Глубину лунок определяли с помощью профилографа. Обработка полученных результатов показала, что в общем случае ее можно описать зависимостью

а = кр;, (1)

где к - некоторый постоянный для заданных условий коэффициент; р0 - максимальное контактное давление, а показатель степени т изменяется от 4 до 5,1. Зависимость (1) позволяет определять пластическую деформацию в широком диапазоне нагрузок, если для заданных условий известна ее величина А,- при каком-то определенном (р0).

Вторая серия опытов была проведена при сжатии шаров диаметром от 12,66 до 50,78 мм с плоским образцом, имевшим твердость ЫЯС 62-63. Каждый опыт проводили дважды. Чтобы избежать влияния релаксации, измерения производили через 30 минут после разгружения и принимали их средние значения. Обработка результатов показала, что в данных условиях зависимость А = /(р0, с1) приобретает вид

А = 5,6dp0•15 • 10-4'7, (2)

Г, Н

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Рис. 1. Зависимость сопротивления качению шара диаметром по 152,4 мм плоскому образцу от числа прокатываний: 1 - рср = 3,33; 2 - 3; 3 - 2,66 ГПа Рис. 2. Зависимость остаточной деформации от твердости и максимального давления: 1 - р0 = 5,5; 2 - 5; 3 - 4,5; 4 - 4; 5 - 3,5 ГПа

где А мкм, й мм, р0 ГПа. Расхождение полученных по (2) и экспериментально определенных значений А во всех 25 случаях контакта лежало в пределах 0,6^17%.

Обработка данных работы [3] в результате аналогичных опытов на шарах диаметром 9,52-28,6 мм при нагрузках, соответствовавших р0 = 4-10 ГПа, подтвердила зависимость (1). В этом случае показатель степени т = 4,24-4,50 и лишь при р0 > 8 ГПа он достигает величины 5,2. Надо заметить, что при таких высоких расчетных значениях р0 происходят существенные формоизменения рабочих поверхностей, они становятся более конформными и действительные напряжения оказываются значительно ниже расчетных [1].

По данным обеих работ глубина отпечатка прямо пропорциональна диаметру шара.

О степени влияния твердости на величину пластической деформации при контактном нагружении можно судить по представленным на рис. 2 данным, которые получены в результате сжатия шара диаметром 50,8 мм с закаленной плитой из стали ШХ15 диаметром 200 и толщиной 60 мм. Твердость шара НЯС 62^63. Твердость плиты по поверхности переменная, поэтому ее измеряли 2-3 раза у краев каждого отпечатка и принимали среднее значение. Все опыты проводили на новых, ранее ненагружавших-ся участках обеих поверхностей. Обращает на себя внимание то, что в четырех случаях из пяти экстраполированная линия А = / (НЯС) пересекает ось абсцисс вблизи отметки НЯС 65. Это наводит на мысль, что при этой твердости материал пластически не деформируется. Однако, такое направление не представляется перспективным, так как имеются сведения, что чрезмерное повышение твердости увеличивает склонность материала к разрушению.

Полученные результаты дают основание полагать, что предварительную обкатку можно проводить под нагрузкой, на 20-25% превышающей ту, при которой ожидается их брипеллирование в процессе эксплуатации (или транспортировки) узла. В целом же задача об упругопластической деформации твердых тел в условиях контактного на-гружения является очень сложной вследствие большого количества взаимозависимых факторов, оказывающих сильное и трудно поддающееся количественной оценке влия-

ние на поведение материала в зоне контакта. Сюда относятся способы окончательной обработки поверхности, твердость, структурная неоднородность, температурный режим и условия смазки, влияющие на величину тангенциальных сил, на картину напряженного состояния в зоне контакта, а также на скорость нагружения, время выдержки под нагрузкой, масштабный фактор и краевой эффект.

Конечно, полностью воспроизвести при опыте упомянутые условия, мягко говоря, затруднительно. Но выбрать необходимую нагрузку при обкатке в заданном конкретном случае можно с помощью несложного устройства для контроля обкатки внутреннего кольца подшипника (рис. 3). Подшипник 1, внутреннее кольцо которого обкатывается, устанавливается на цилиндрической части четырехгранной державки 2, закрепленной в резцедержателе 3 токарного станка. Внутреннее кольцо во избежание проворота фиксируют гайкой и контргайкой, отметив его положение относительно державки. Вращение наружному кольцу сообщается ступенчатой оправкой 4, зажатой в патроне станка после расточки его кулачков. Поверхности А и Б оправки должны быть обработаны с одной установки. Контрольная нагрузка на подшипнике создается поперечным движением суппорта 5. Для плавности и стабильности нагружения, между опорным торцем гайки 6 ходового винта и корпусом суппорта устанавливается эластичный элемент в виде спиральной пружины 7, которую можно использовать и как динамометр. Нагрузка измеряется с помощью проволочного датчика, наклеенного на плоскую поверхность оправки. В процессе обкатки нагруженной оказывается половина беговой дорожки внутреннего кольца, границы которой необходимо обозначить и маркировать. После обкатки, без разборки подшипника, производят однократное на-гружение работавшей половины беговой дорожки внутреннего кольца нагрузкой, при которой ожидается бринеллирование. Затем, поверну

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»