Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности с учетом долговечности

В качестве основных критериев работоспособности подшипника качения следует считать износостойкость поверхностей качения, сопротивляемость пластическим деформациям и, в конечном итоге, долговечность подшипника.

Так как подшипники качения в подавляющем большинстве являются стандартизованными изделиями, при разработке подшипникового узла их проектный расчёт заменяется процедурой подбора подшипника.

Выбор подшипника качения (и установление необходимого паспорта подшипника) определяются следующими основными показателями:

1. характером нагрузки (постоянная, переменная, ударная), её величиной и направлением действия;

2. диаметром цапф вала и частотой его вращения;

3. необходимой долговечностью подшипникового узла;

4. нагрузочной способностью подшипника (статическая и динами­ческая грузоподъёмность).

Долговечность – количество миллионов оборотов (L) одного кольца подшипника относительно другого либо число моточасов работы (L_h) до появления усталостного разрушения.

Поскольку в силу разных причин (различия в прочности исходных материалов, колебания технологических режимов обработки и т.п.) однотипные подшипники качения могут несколько отличаться по долговечности, то в расчётах широко используется понятие базовой долговечности, под которой понимают долговечность большинства из одновременно испытанных подшипников. В общем машиностроении и при стандартных испытаниях подшипников обычно используется 90% базовая долговечность L₁₀, то есть долговечность, которую имеют не менее 90 % участвующих в испытаниях подшипников (90 %-ная надёжность подшипников). При более жёстких требованиях к надёжности подшипникового узла в расчётах используется 95 %-ная базовая долговечность L₅, а иногда и 97 %-ная - L₃.

Базовая долговечность обеспечивается при базовой динамической грузоподъёмности. Базовая динамическая грузоподъёмность (C_r – радиальная для радиальных и радиально-упорных подшипников, C_a – осевая для упорных и упорно-радиальных) – нагрузка, которую выдерживает подшипник при сохранении базовой долговечности. В стандартах для каждого конкретного подшипника указывается обычно базовая динамическая грузоподъёмность C и предельно допустимая статическая нагрузка C₀. Под статической понимается нагрузка, действующая на подшипник при относительной частоте вращения колец до 10 оборотов в минуту.

В реальных механизмах действующие в подшипнике нагрузки часто одновременно имеют как радиальную, так и осевую составляющие, а испытания подшипников производятся, как правило, под действием однонаправленной нагрузки. Поэтому для возможности сравнения долговечности подшипника под действием реальной и испытательной нагрузок введено понятие эквивалентной нагрузки. Эквивалентная динамическая нагрузка - постоянная однонаправленная нагрузка, при которой подшипник имеет такую же долговечность, как и в реальных условиях работы. Использование в расчётах эквивалентной нагрузки позволяет учесть не только характер и направление действующих сил, но и некоторые другие факторы, действующие на подшипниковый узел в реальных условиях его работы. Эквивалентная нагрузка R_E подшипника качения может быть вычислена по выражению

; (11.1)

где F_r и F_a – радиальная и осевая составляющие нагрузки, действу­ющей на вращающееся кольцо подшипника, X и Y – коэффициенты влияния радиальной и осевой нагрузок, соответственно; V – коэффициент вращаю­щегося кольца (если относительно действующей нагрузки вращается внут­реннее кольцо, то V = 1, если наружное - V = 1,2); К_Б – динамический коэф­фициент безопасности, учитывающий действие динамических перегрузок на долговечность подшипника (для редукторов общего применения К_Б = 1,3…1,5); К_Т – коэффициент, учитывающий влияние температуры подшип­никового узла на долговечность подшипника. При рабочей температуре подшипникового узла t° £ 100 °C, принимают K_T = 1, а для температур 100 < t° £ 250 °C температурный коэффициент можно определить по эмпирической зависимости

. (11.2)

Для радиальных подшипников, неспособных воспринимать осевую нагрузку (например, для роликовых цилиндрических), F_a = 0 и X = 1; для упорных – F_r = 0 и Y = 1. Для шариковых радиальных, шариковых и роликовых радиально-упорных (конических) подшипников в стандарте указывается величина «e», зависящая в основном от угла наклона беговой дорожки к оси вращения. Если для внешних сил, действующих на подшипник, F_a / VF_r £ e, то X = 1, а Y = 0. В противном случае, когда F_a / VF_r > e, X и Y определяются по каталогу для данного типа подшипников.

При нагружении радиально-упорных подшипников радиальной нагрузкой наклон контактной ли­нии между внешним кольцом и телом качения на угол a к торцовой плоскости подшипника вызывает появление горизонтальной составляющей (рис. 11.6, б, сила S_i). Для шариковых радиально-упорных подшипников эта сила S_i = e×F_ri, а для роликовых конических - S_i = 0,83×e×F_ri. В этом случае осевые составляющие сил, действующих на каждый из подшипников вала, в существенной степени зависят от S_i.

Долговечность подшипника, его базовая динамическая грузоподъёмность и эквивалентная динамическая нагрузка связаны соотношением

; (11.3)

где L₁₀ в миллионах оборотов вращающегося кольца, а L_h10 в моточасах работы подшипника; n – частота вращения подвижного кольца, мин.^-1, p – показатель степени кривой усталости; для шариковых подшипников p = 3, для роликовых - p = 10/3.

Обычно в техническом задании на разработку механизма указывается и срок его работоспособности. Принимая долговечность подшипника рав­ной этому сроку (предпочтительный вариант) или при назначении замен по­дшипников в процессе эксплуатации (вариант с текущим ремонтом) некото­рой части этого срока и используя зависимость (11.3), нетрудно установить необходимую динамическую грузоподъёмность подшипника

; (11.4)

где величина p в показателе степени у скобок зависит от типа подшипника (см. выше). По известной требуемой величине грузоподъёмности подшипник может быть выбран из соответствующего каталога, при этом грузоподъёмность выбранного подшипника должна быть не меньше требуемой.

ТЕМА 6.