239911Статья о сепараторе. Дудников В. С., Уколов М. Ю
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
Технические науки/3. Отраслевое машиностроение Дудников В.С., Уколов М. Ю. Днепровский национальний университет имени Олеся Гончара , Украина Сепаратор подшипника качения волновой передачи Настоящее сообщение касается сепаратора подшипника качения, преимущественно шарикового, предназначенного для генераторов волн волновых передач. Известно, что значительный процент выхода из строя подшипников качения, особенно быстроходных, связан с разрушением сепаратора. Разрушение сепараторов вызвано центробежными силами и воздействием на сепаратор тел качения [1]. В работе [2] приведена формула для определения угловой скорости сепаратора, для случая вращения внутреннего кольца: , где – угловая скорость внутреннего кольца подшипника; – диаметр беговой дорожки качения на внутреннем кольце подшипника; – диаметр тела качения (шарика). Из формулы следует, что угловая скорость сепаратора зависит от размера тела качения. Тела качения, имея неодинаковый в пределах допуска диаметр, вращаются вокруг оси вала с неодинаковой скоростью, оказывают на сепаратор силовое воздействие, изнашивают его и сами испытывают автоколебания, связанные с неизбежным проскальзыванием. Разница в скоростях тел качения возникает также в результате перекосов осей колец подшипника (изменяются ). При неточности изготовления шариков большие из них тормозят, а меньшие ускоряют сепаратор, между сепаратором и шариками могут возникать значительные давления и силы трения. С этим связаны износ шариков и сепаратора, увеличение потерь в подшипнике и случаи поломки сепараторов. Это обуславливает также высокие требования к точности изготовления деталей подшипников и ответственность сепаратора как одной из этих деталей [3,4]. В работе [5] отмечено, что вследствие технологических отклонений при изготовлении деталей подшипника, а также изменения начальной геометрии деталей в результате взаимного переноса материала контактирующих поверхностей, движение шариков в подшипнике происходит с различными угловыми скоростями, поэтому одни шарики воздействуют на переднюю стенку гнезда сепаратора, способствуя его вращению (ведущие шарики), а другие – на заднюю, затормаживая вращение (ведомые шарики). Шарик при своем взаимодействии с сепаратором переходит от одной стенки гнезда к другой, силы его взаимодействия с сепаратором изменяются, периодически достигая максимальных и минимальных значений. А это, в свою очередь, вызывает изменение момента трения подшипника. Взаимодействие шарика с сепаратором сопровождается дополнительными энергопотерями в подшипнике (уменьшение КПД), приводя к разрушению перемычек сепараторов. В работе [6] указывается, что сепаратор испытывает ударные нагрузки от тел качения, так как не все из них одновременно находятся в контакте между двумя беговыми дорожками. Как правило, в контакте с двумя беговыми дорожками находится от одного до четырех тел качения. В то время как остальные выбирают рабочий зазор и контактируют только с одной беговой дорожкой. Когда каждый шарик находится в контакте с двумя беговыми дорожками - они перемещают сепаратор. При контакте лишь с одной беговой дорожкой – сепаратор перемещает их. Соответственно, при каждом обороте сепаратора изменяется на противоположное направление приложения сил к каждому его гнезду, и так как имеются рабочие зазоры, происходит ударное взаимодействие тел качения с перемычками сепаратора. За один оборот сепаратора каждая перемычка испытывает два противоположных динамических ударных взаимодействия. Когда напряжения от сил, приложенных шариками, превысят предел прочности материала перемычек сепаратора, то произойдет разрушение хотя бы одной из них. В работе [7] сделан вывод, что основной причиной возникновения значительных сил, действующих на сепаратор, является разность скоростей движения сепаратора и тел качения, что превращает сепаратор из свободного плавающего элемента в нагруженную деталь. Известно, что сепаратор подшипника качения выполняет несколько функций, из которых первая – собственно разделительная, вторая – обеспечение перемещения шариков (тел качения), находящихся в свободном, ненагруженном состоянии вне зоны нагружения благодаря радиальному зазору и относительному смещению колец под нагрузкой, третья – принудительному заталкиванию первоначально находящихся в свободном ненагруженном состоянии тел качения в зону нагружения, вход в которую предоставляет собой, как известно, сужающуюся полость, до состоянии, когда они вступят во фрикционный контакт с обоими кольцами и получат принудительное вращение от них, а также и поступательное движение; четвертая – работать на растяжение и изгиб при передаче усилия от тех тел качения, которые выходят из зоны нагружения, находясь во второй половине зоны нагружения, в ее расширяющейся полости, к тем телам качения, которые принудительно заталкиваются в зону нагружения со стороны первой половины зоны нагружения, т.е. со стороны сужающейся полости; пятая – работа в качестве подшипников скольжения, сопряженных соответствующими поверхностями с каждым телом качения [8]. При упомянутом выше заталкивании тел качения в зону нагружения всегда имеет место удар, который если не демпфирован сепаратором, вызывает торможение тела качения, что имеет неизбежным следствием повышенную скорость истирания поверхностей, как тел качения, так и дорожек качения, а сами по себе недемпфированные удары циклически нагружают в очень высокой степени сам сепаратор, вызывая усталостное (хрупкое) разрушение – разрыв кольцевого основания сепаратора. Высокоэффективное демпфирование этих ударов возможно только при выполнении сепаратора из пластмасс, преимущественно термопластов, имеющих в 50-100 раз меньший, чем у металлов, модуль упругости. Поэтому цельные пластмассовые сепараторы могут быть, в отличии от металлических, выполнены ажурными, имеющими минимизированную массу. Известны цельные пластмассовые сепараторы роликоподшипников, в которых в качестве средств демпфирования ударов роликов использованы средние участки перемычек, выполненные упругоподатливыми [8,9, 10]. Таким образом, установлено, что тела качения подшипников качения совершают осциллирующее (колебательное) движение между стенками перемычек сепаратора. Если на пути тела качения оказывается перемычка, то между ними осуществляется силовое взаимодействие, величина которого определяется жесткостью (податливостью) перемычки. Чем выше податливость перемычки, тем меньше усилие в контакте тела качения с сепаратором. Вышеприведенный обзор касается подшипников, у которых беговая дорожка качения на внутреннем кольце номинально, теоретически, имеет круговую форму в поперечном сечении. В гибких подшипниках качения, которые используются в составе кулачковых генераторов волн волновых передач, беговая дорожка качения на внутреннем и наружном кольцах имеет явно некруговую, а, например, овальную форму [11], т.е. параметр является переменным. Поэтому проблемы, описанные выше, усугубляются. В этой связи заслуживают внимания сепараторы, выполненные в виде пружин сжатия, устанавливаемые между телами качения и выполняющих роль упругоподатливых перемычек [12-16]. Однако, такие сепараторы приводят к уменьшению количества тел качения из-за значительных линейных размеров перемычек, к повышению внутреннего момента трения, к снижению КПД. Подобная задача выполнения упругоподатливой перемычки сепаратора решена с помощью двух телескопических секций, которые раздвигаются с помощью закрытой пружины [17-20]. Такое решение, помимо вышеуказанных недостатков пружинных перемычек, характеризуется значительной сложностью конструкции. Известен сепаратор подшипника качения, преимущественно для генераторов волн волновых передач, содержащий кольцо, систему перемычек, равномерно расположенных по окружности и перпендикулярно плоскости кольца, представляющие собой консольные балки, защемленные на одном торце кольца, образуя при этом прямоугольные гнезда для тел качения, например, шариков [22]. Недостатком данного решения является значительная изгибная жесткость перемычек сепаратора, что снижает их демпфирующую способность. Авторами поставлена задача повышения демпфирующей способности перемычек сепаратора путем снижения их изгибной жесткости. Поставленная задача решается тем, что в сепараторе подшипника качения, преимущественно для генераторов волн волновой передачи, содержащем кольцо, систему перемычек, равномерно расположенных по окружности и перпендикулярно плоскости кольца, предоставляющих собой консольные балки, защемленные на одном торце кольца, образуя при этом прямоугольные гнезда для тел качения, например, шариков, посередине перемычек выполнены сквозные прорези глубиной не менее глубины гнезда. При этом в конце прорезей выполнены радиально ориентированные сквозные отверстия диаметром не менее ширины прорези, которая выполняется не менее 0,01 , где D – наружный диаметр подшипника. Сущность предлагаемого сепаратора поясняется чертежами, где на рис.1 показан предлагаемый сепаратор в составе гибкого подшипника качения генератора деформаций волновых передач; на рис.2 – сепаратор, вид сверху; на рис.3 – вид на сепаратор сбоку. Сепаратор представляет собой кольцо 1, на одном торце 2 которого выполнена система перемычек 3, которые расположены равномерно по окружности торца 2 и перпендикулярно к нему. Перемычки 3 образуют гнезда 4 для тел качения 5 подшипника. Оси 6 гнезд 4 ориентированы радиально. Боковые стенки 7 гнезд 4 выполнены параллельными оси 6 гнезд. Тела качения 5 установлены в дорожках качения наружного 8 и внутреннего 9 колец. Посередине перемычек 3 выполнены сквозные прорези 10 глубиной не менее глубины гнезда 4. В конце прорезей 10 выполнены радиально ориентированные сквозные отверстия 11 диаметром не менее ширины прорезей 10. Ширина b гнезда 4 превышает диаметр тела качения 5, т.е. Применительно к подшипникам качения генераторов деформаций волновых передач , где - величина радиальной деформации гибкого колеса (гибкого подшипника качения генератора деформаций волновых передач) [21, c. 101, формула (6.26)]. При этом максимально допустимая величина радиальной деформации , где – наружный диаметр недеформированного гибкого подшипника [21, c.110]. Ширина прорезей 10 выполнена не менее величины ( ). Наружный и внутренний диаметр кольца 1 сепаратора выполнены такими, что они не касаются наружного 8 и внутреннего 9 колец деформированного на величину гибкого подшипника генератора деформаций волновой передачи. Сепаратор при этом центрируется по телам качения, т.е. висит на них. Осевые перемещения сепаратора ограничены бортом 12 ведущего вала 13 волновой передачи. Сепаратор работает следующим образом. Специфика работы гибкого подшипника кулачкового генератора подробно рассмотрена в работе [21, c. 99-111]. В деформированном гибком подшипнике сепаратор остается круглым и не изменяет своего положения, а положение шариков в гнездах изменяется. Шарики перемещаются в гнездах сепаратора в окружном и радиальном направлениях. При недостаточной ширине гнезд шарики прижимаются к стенкам перемычек сепаратора, оказывая на них силовое воздействие, величина которого зависит от изгибной жесткости перемычек, представляющих собой защемленные консольные балки. Разделенная прорезью на две части перемычка сепаратора (даже без учета ширины прорези) имеет уменьшенную в 8 раз изгибную жесткость, что в 8 раз уменьшает силу трения тел качения с сепаратором, уменьшает момент трения, снижает интенсивность износа перемычек сепаратора, повышает КПД. Пример расчета Подшипник №815 по ГОСТ 23179-78 «Подшипники шариковые радиальные для волновых передач» имеет следующие размеры: – внутренний диаметр, мм; D = 100 – наружный диаметр, мм; – диаметр шарика, мм; Z = 21 – число шариков; 87,5 – средний диаметр сепаратора, мм; (1,01 ... 1,03) = (1,01 … 1,03) мм – ширина гнезда сепаратора [21, c. 110]; мм – шаг гнезда сепаратора; , мм – ширина перемычки сепаратора; мм – величина максимальной радиальной деформации; мм – ширина прорези перемычки сепаратора; мм – толщина перемычки гнезда после выполнения прорези; – соотношение изгибных жесткостей перемычек до и после выполнения прорези. Таким образом, за счет выполнения прорезей в перемычках сепаратора в 20 раз уменьшилось силовое взаимодействие между телами качения и сепаратором, благодаря чему повысился КПД, уменьшился момент трения в подшипнике, повысилась износостойкость и надежность сепаратора. Выполнение в конце прорезей сквозных отверстий, диаметр которых не меньше ширины прорезей, способствует снижению концентрации изгибных напряжений в основании перемычек, что повышает их выносливость. Доработка серийных сепараторов, предусмотренных ГОСТ 23179-78, не представляет технических затруднений. Литература 1. Решетов Д. Н. Детали машин, 1989. – С. 351. 2. Иванов М. Н. Детали машин, 1976. – С. 355. 3. Андриенко Л. А. Детали машин, 1980. – С. 431. 4. Иванов М. И. Детали машин, 1984. – С. 289. 5. Коросташевский Р. В. Работоспособность самосмазывающихся подшипников. Тр. Всес. н-и констр – технолог. ин-т подшипниковой пром- ти, 1981, том 4/110. – С. 41-54. 6. Звонарев С. Л. О возможных причинах отказов подшипников качения/ С. П. Звонарев, А. И. Зубко, Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3 (34), 2012 – С. 16-22. 7. Новиков В. Ф. О работе сепараторов и бессепараторных подшипников с сепарирующими роликами/ В. Ф. Новиков, О. И. Головко, О. В. Вендровский. Межвузовский тематический сборник «Вопросы надежности и долговечности зубчатых передач и подшипников подвижного состава, №140, 1977. – С. 82-89. 8. Патент Российской федерации №2162173, F16C33/00, F16С33/46, 20.01.2018., бюл. №2. 9. Авторское свидетельство СССР №1732044, F16С33/46, опубликовано 07.05.1992, бюл. №18. 10. Авторское свидетельство СССЗ №1733750, F16С33/46, опубликовано 15.05.1992, бюл. №18. 11. Патент США №417340, 1880. 12. Патент США № 821461, 1906. 13. Патент США №821703, 1906. 14. Патент США №2367554, 1942. 15. Патент США №2675282, 1950. 16. Патент США №3037827, 1959. 17. Патент США №820520, 1906. 18. Патент США №824820, 1906. 19. Патент США №860186, 1907. 20. Патент США №1015441,1909. 21. Иванов М. Н. Волновые зубчатые передачи. Учебное пособие для студентов вузов – 1981, С. 184. 22. Авторское свидетельство СССР №1495546, F16С33/38, опубл. 23.07.89. бюл. №27. |