Подшипник качения

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности. Подшипник качения, преимущественно крупногабаритных размеров, содержит тела качения - ролики, которые выполнены двухступенчатыми. Большая ступень обкатывается только по дорожке качения наружного кольца подшипника, а меньшая ступень ролика, выполненная по меньшей мере с двумя участками, обкатывается только по дорожке качения внутреннего кольца подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения. Большая ступень ролика выполнена бочкообразной и контактирует с дорожкой качения наружного кольца подшипника по линии, а тела качения - ролики выполнены с отверстием, в котором расположена ось с зазором и два встроенных радиально-упорных подшипника качения. Два диска выполняют роль сепараторов и не контактируют ни с телами качения, ни с кольцами основного подшипника, а передаточное отношение от внутреннего кольца подшипника к сепаратору при неподвижном наружном кольце подшипника равно двум. Технический результат - повышение частоты вращения подшипника, устранение контакта сепаратора с телами качения и повышение долговечности по критерию износа. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.

Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора.

Одним из недостатков известных стандартных подшипников качения при их эксплуатации является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения.

К значительным недостаткам в крупногабаритных подшипниках качения относится малая частота вращения, например, от 100 до 400 мин^-1, что уже не удовлетворяет спрос и потребности промышленности. Не удовлетворяет и наличие повышенного шума при работе подшипников от контакта тел качения с сепаратором, неизбежного наличия трения скольжения, увеличение радиального зазора порождает вибрацию и биение в валах машин, создавая угрозу аварии.

Для примера возьмем подшипник качения однорядный радиальный роликовый №927/825 ГОСТ 8328-75, d825 × D1100 × В 180; диаметр ролика D_w=60 мм, Z=34, n_пл=200 мин^-1. За один оборот вала ролик делает по дорожке качения внутреннего кольца d_1m=902 мм

N_{оборотов}=d_1m·π/60π=15,033,

а по дорожке качения наружного кольца D_1m=1022 мм

N_{оборотов}=D_1m·π/60π=17,033.

Таким образом, ролик делает по дорожке качения внешнего кольца на два оборота больше, чем по дорожке качения внутреннего кольца - это и есть величина проскальзывания ролика. Имеем трение качения с проскальзыванием.

Далее проведем подсчет пути качения и проскальзывания.

Длина развертки ролика

С_⊘60=60·π=188,495 мм.

Длина пути качения

С_кач=C_⊘902=902·π=2833,716 мм.

Длина пути скольжения

С_ск=(D_w·π·2)Z=12817,693 мм

вращаются все 34 ролика и за один оборот вала делают по два лишних оборота.

Сравним во сколько раз путь скольжения больше пути качения в подшипнике

n=С_ск/С_кач=12817,698/2833,716=4,523 раза.

Кроме этого наружное кольцо подшипника стремится повернуться на 0,133 оборота в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вала, если ролики вращаются без скольжения.

Сепаратор в этом случае работает как поводок.

Известен подшипник качения - прототип - патент RU 2232926 С2, 7 F 16 C 19/22, 33/34 от 20.07.2004, Бюл. № 20, содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора, тела качения - ролики, выполненные двухступенчатыми, больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а меньший диаметр ступени, выполненный с двумя участками, контактирует только с дорожками качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника

d_1m/D_wm1=D_1m/D_wm2=Const,

где d_1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника,

D_wm1 - диаметр меньшей ступени ролика;

D_1m - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;

D_wm2 - диаметр большей ступени ролика, а по меньшей мере одна дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с по меньшей мере одной проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, при этом ступень тела качения - ролика с большим диаметром выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической.

Подшипник качения №927/825 должен отвечать условию сборки

Условие сборки выполняется и в результате имеем чистое качение тел качения как по наружной, так и по внутренней дорожкам колец подшипника.

Цель изобретения:

- обеспечение более высокой частоты вращения подшипника качения;

- устранение контакта сепаратора с телами качения подшипника качения;

- повышение долговечности по критерию износа.

Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что больший диаметр ступени ролика 2 выполнен бочкообразным и контактирует с дорожкой качения наружного кольца подшипника по линии; что передаточное отношение от дорожки качения внутреннего кольца (а) подшипника к сепаратору Н при неподвижной дорожке качения наружного кольца (в) подшипника равно двум

а передаточное отношение от дорожки качения внутреннего кольца подшипника к дорожке качения наружного кольца подшипника при неподвижном сепараторе равно «минус единице»

где q - диаметр меньшей ступени ролика;

f - диаметр большей ступени ролика,

а передаточное отношение от сепаратора к дорожке качения внутреннего кольца подшипника при неподвижной дорожке качения наружного кольца подшипника равно одной второй

На фиг.1 изображен подшипник качения радиальный роликовый бочкообразный однорядный с кольцевой проточкой на дорожке качения внутреннего кольца. Направление воспринимаемых нагрузок - радиальное.

На фиг.2 дан вид А фиг.1.

На фиг.3 дано сечение радиально-упорного встроенного подшипника вид Б фиг.2.

Подшипник качения, например, крупногабаритный подшипник качения состоит из наружного кольца 1, тел качения 2, сепаратора 3, внутреннего кольца 4. Тела качения 2 - ролики выполнены двухступенчатыми с центральным отверстием, в котором установлены два радиально-упорных подшипника 5 и ось 6 с зазором. Большая ступень ролика с D_wm2 контактирует только с дорожкой качения D_1m наружного кольца 1 подшипника. Большая ступень ролика выполнена бочкообразной и контактирует с дорожкой качения D_1m по линии. Две меньших ступени ролика с D_wm1 контактируют по линии только с дорожкой качения d_1m внутреннего кольца 4 подшипника, на внешней поверхности кольца 4 выполнена проточка для образования зазора с большей ступенью ролика.

Сепараторы 3 выполнены в виде дисков не контактируют своими торцевыми и радиальными поверхностями с наружным 1 и внутренним 4 кольцами подшипника. В сепараторах 3 выполнены отверстия, в которые проходят оси 6. Последние снабжены резьбовыми участками, на которых размещены гайки 7 с конусными самотормозящими поверхностями, контактирующие с ответными поверхностями на сепараторах 3.

В целях обеспечения контровки резьбовых пар 6 и 7 на гайках имеются пазы, а на консолях осей 6 - отверстия, в которые установлены штифты. Оси 6 закреплены жестко и не вращаются вокруг собственной оси (см. фиг.2). Условие сборки подшипника качения на фиг.1

d_1m/D_wm1=D_1m/D_wm2=Const.

Данное условие сборки позволяет телам качения 2 обкатываться по дорожкам качения подшипника с одинаковой окружной скоростью, чем и достигается чистое качение тел качения без проскальзывания.

Рассмотрим фиг.3, на которой изображен встроенный радиально-упорный подшипник качения 5.

Подшипник 5 состоит из наружного кольца 8, тел качения 9, сепаратора 10, внутреннего кольца 11 со ступенчатой кольцевой проточкой, например, трапецеидального типа.

Тела качения 9 - ролики - выполнены двухступенчатого типа. Большая ступень ролика выполнена сферического типа с диаметром D_wm4. Две меньших ступени ролика с D_wm3 выполнены цилиндрическим и контактируют только с дорожками качения с d_2m внутреннего кольца 11 подшипника 5 по линии.

Большая ступень ролика контактирует с дорожкой качения D_2m наружного кольца 8, имея точечный контакт. Кроме этого большая ступень ролика имеет два дополнительных точечных пятна контакта в зоне перехода сферического участка в цилиндрический - с участком кольцевой проточки внутреннего кольца 11. По схеме установки подшипники 5 воспринимают радиальные и осевые нагрузки. А работая в паре, подшипники 5 фиксируют положение тел качения 2 основного подшипника.

В подшипнике 5 также выполняется условие сборки

d_2m/D_wm3=D_2m/D_wm4=Const.

Подшипник качения на фиг.1-3 работает следующим образом: при вращении вала получает вращение кольцо 4 подшипника, тела качения - 2 - ролики - своими меньшими ступенями с D_wm1 обкатываются только по дорожкам качения d_1m внутреннего кольца 4. Больший диаметр D_wm2 ступени ролика обкатываются только по дорожке качения D_1m наружного кольца 1. Вращение тел качения 2 по дорожкам качения наружного и внутреннего колец подшипника проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. При этом кольцо 1 - закреплено неподвижно.

Тела качения 2 вращаются на двух встроенных радиально-упорных подшипниках 5. При обкатке тел качения 2 получают вращение и диски сепараторов 3.

Данное исполнение подшипника качения позволило вынести диски сепараторов 3 и устранить контакт тел качения 2 и осей 6 с телами качения 2 и кольцами 1, 4 подшипника качения.

Встроенные подшипники качения 5 имеют при работе большую частоту колебаний по отношению к телам качения 2, чем способствуют снижению момента трения и коэффициента трения в опорах тел качения 2, например, в 3...10 раз и более. Известно, что момент трения тем меньше, чем больше частота и меньше амплитуда колебаний.

В целях подтверждения равенства окружных скоростей при обкатке тел качения по дорожкам качения как внутреннего, так и наружного колец подшипника, приведем кинематический анализ - расчет как в стандартном подшипнике качения, так и в предложенном подшипнике качения.

Для сравнения берем стандартный подшипник качения №2113 d65 × D100 × В 18, d₁=73,5 мм, D₁=91,5 мм, D_w=9 мм, Z=82,5 мм.

Согласно фиг.4 - схеме планетарной передачи, где

а=73,5

в=91,5

q=9

Н=82,5

Сделаем допущение - передача работает без проскальзывания.

Получили передаточные отношения в подшипнике качения №2113.

Вывод: сепаратор Н в стандартных подшипниках всегда делал и делает число оборотов больше двух оборота за один оборот вала (а), а наружное кольцо (в) всегда стремилось провернуться в противоположную сторону на «-0,245» оборота. Почему?*

Возьмем подшипник качения №2113, но уже с двухступенчатым роликом и в котором выполняется условие сборки

d_1m/D_wm1=D_1m/D_wm2=Const=10,166;

Проведем кинематический расчет подшипника согласно фиг.5 - схеме планетарной передачи,

где a=73,112

в=91,5

q=7,388

f=9

H=82,5

Вывод: Для всех подшипников качения, у которых выполняется условие сборки, данные

расчетные формулы верны и являются Const (формулы 4, 5, 6, 7...).

На этом только начинается теория качения в подшипниках качения. Теперь ответ на вопрос «Почему?»*

В стандартном подшипнике

1. , а должно быть

4. , когда окружные скорости равны разница «-0,245».

В стандартном подшипнике

2. , а должно быть

5. .

Разница вновь - 0,245

Это и есть величина проскальзывания в стандартных подшипниках.

В стандартном подшипнике №2113 ролик, ведомый сепаратором, делает 8,166 оборота по дорожке качения и наружного кольца подшипника.

Определим величину пути качения и скольжения за один оборот вала

С_кач=С_⊘73,5=d₁·π=73,5·π=230,9 мм;

C_ск=(D_w·π·8,166)Z-9·π·8,166·20=4617,76 мм

Определим, во сколько раз скольжение в подшипнике преобладает над величиной качения

Становится понятно почему греется подшипник качения. Почему шумит. Почему требует большого количества смазки. Почему так быстро изнашиваются шарики и ролики стандартных подшипников.

Почему от 30% до 40%: всех технических аварий происходит по вине подшипников качения. («Китайские» подшипники работают 1 час)

Подшипник качения, работающий на трении качения без проскальзывания, способен восстанавливать изъяны своей кристаллической решетки самостоятельно, например, как материалы с памятью формы.

Долговечность подшипников в целом может возрастать, например, от 10 до 50 лет.

Следует отметить, что тела качения 2 на внешних поверхностях содержат накатку типа пчелиных сот, например, глубиной и шириной от 0,1 до 0,15 мм, что повышает надежность сохранения смазочной пленки на поверхностях тел качения. Рисунок накатки несет дополнительную функцию - служит в качестве индикатора износа поверхностей тел качения.

Предложенный подшипник качения предназначен, например, в опорах прокатных станов.

В целом предложенный подшипник качения обеспечивает:

- более высокую частоту вращения, например, от 1000 до 3000 мин^-1;

- устранение контакта сепаратора с телами качения;

- повышение долговечности по критерию износа;

- передаточное отношение сепаратора, равное двум;

- снижение момента трения и коэффициента трения в 3...10 раз и более;

- чистое качение тел качения без скольжения;

- снижение шума, например, до 40...80 дБ, ранее достигало >120 дБ;

- стабильность зазоров и повышенную центровку вала;

- пониженный расход смазки;

- вывод стандартных подшипников из разряда подшипников скольжения в подшипники чистого качения.

Однако в идеале всего этого достигнуть представляет большую трудность, так как трение качения всегда «ходит» рядом с трением скольжения - пуск, остановка, торможение, еще есть культура производства, инерция мышления, что вместе растягивается от 100 до 500 лет на внедрение.

Подшипник способен «петь» песни, длинные грустные бесконечные, которые поют киты, при изменении тона можно судить о времени его дальнейшей службы.

Впервые становится безразлично для работы подшипника качения - какое кольцо закреплено - внутреннее или наружное, какое из колец вращается - внутреннее или наружное, во всех случаях сепаратор будет иметь передаточное отношение, равное двум.

Вынесенный сепаратор позволяет расположить в подшипнике максимальное число тел качения с минимальным зазором между ними.

Следует заметить, что большая ступень ролика 2 с D_wm2 выполнена бочкообразной, радиус бочкообразного участка равен в пределах от 5 до 10 диаметров наружного кольца подшипника и более, в некоторых случаях может быть равен от 6 до 12 метров), что и позволяет выполнить линейный контакт ролика с дорожкой качения наружного кольца подшипника, профиль дорожки качения аналогичен профилю большей ступени ролика 2.

1. Подшипник качения, содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов 2 ступенчатого типа, большая ступень, имеющая один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника качения, а меньшая ступень, выполненная с двумя участками, контактирует только с дорожкой качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника качения

d_lm/D_wm1=D_lm/D_wn2=Const,

где d_lm - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника качения,

D_wm1 - диаметр меньшей ступени ролика 2;

D_lm - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника качения;

D_wm2 - диаметр большей ступени ролика 2,

а, по меньшей мере, дорожка качения внутреннего кольца подшипника качения выполнена, по меньшей мере, с одной проточкой для образования зазора с большей ступенью ролика 2, а тела качения выполнены с отверстием, в котором расположена ось с зазором и два встроенных радиально-упорных подшипника качения 5, консоли осей входят в диски подшипника качения и закреплены неподвижно, диски выполняют роль сепараторов и не контактируют ни с телами качения, ни с кольцами подшипника качения, встроенные радиально-упорные подшипники качения 5 содержат, например, внутренние и наружные кольца с дорожками качения, тела качения, выполненные в виде роликов 9, установленных в гнездах сепаратора, тела качения - ролики 9 выполнены двухступенчатыми, большая ступень, имеющая один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца радиально-упорного подшипника качения 5, а меньшая ступень, выполненная с двумя участками, контактирует только с дорожками качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки

d_2m/D_wm3=D_2m/D_wm4=Const.

где d_2m - диаметр дорожки качения внутреннего радиально-упорного кольца подшипника 5;

D_wm3 - диаметр меньшей ступени ролика 9;

D_2m - диаметр качения наружного кольца радиально-упорного подшипника 5;

D_wm4 - диаметр большей ступени ролика 9,

а, по меньшей мере, одна дорожка качения внутреннего кольца радиально-упорного подшипника качения 5 выполнена с, по меньшей мере, одной проточкой для образования зазора с большей ступенью ролика 9, которая выполнена сферической, как и дорожка качения наружного кольца радиально-упорного подшипника качения 5, имеющего точечный контакт с роликом 9, а в зоне перехода большей ступени ролика 9 к меньшей ступени - большая ступень ролика 9 имеет два точечных контакта с дорожками качения внутреннего кольца радиально-упорного подшипника качения 5 в верхней части проточки и два линейных контакта с меньшей ступенью ролика 9, отличающийся тем, что большая ступень ролика 2 выполнена бочкообразной и контактирует с дорожкой качения наружного кольца подшипника качения по линии.

2. Подшипник качения по п.1, отличающийся тем, что передаточное отношение от дорожки качения внутреннего кольца а подшипника качения к сепаратору Н при неподвижной дорожке качения наружного кольца в подшипника качения равно двум

а передаточное отношение от дорожки качения внутреннего кольца подшипника качения к дорожке качения наружного кольца подшипника качения при неподвижном сепараторе равно "минус единице"

где q - диаметр меньшей ступени ролика 2;

f - диаметр большей ступени ролика 2,

а передаточное отношение от сепаратора к дорожке качения внутреннего кольца подшипника качения при неподвижной дорожке качения наружного кольца подшипника качения равно одной второй