Подшипник качения это: Подшипники качения. Классификация, устройство, смазка

alexxlab | 14.07.1976 | 0 | Разное

Подшипники качения. Классификация, устройство, смазка

Подшипники и смазки

Подшипник качения – готовый стандартный узел, состоящий из тел качения – различной формы шариков и роликов, установленных между наружным и внутренним кольцами.

Наружное кольцо (неподвижная деталь) находится в корпусе инструмента, а внутреннее (подвижное) на валу или оси. В рабочем процессе шарики или ролики катятся по беговым дорожкам колец, геометрическая форма которых зависит от формы тел качения. Чтобы равномерно распределить между кольцами тела качения нужен сепаратор.

Обычно размеры подшипника качения – это ширина и внутренний и наружный диаметры.

Среди подшипников встречаются и более сложные по конструкции, имеющие дополнительные защитные шайбы, уплотнения, крепежные втулки и другие элементы.

Основными преимуществами подшипников качения являются:

• Низкие потери на трение

• Невысокая стоимость

• Небольшие осевые размеры

• Широкий выбор размеров и типов

• Простота монтажа и обслуживания

• Малая разница момента трения при пуске и установившемся движении

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники различаются на радиальные, радиально-упорные и упорные по числу рядов тел качения; по способности самоустанавливаться – не- и самоустанавливаемые.

Подшипники с одинаковым диаметром внутреннего кольца в зависимости от диаметра наружного кольца могут быть: сверхлегкими, особо легкими, легкими, средними и тяжелыми, а так же узкими, нормальными, широкими или особо широкими, в зависимости от ширины кольца.

Подшипники разных типов и размеров имеют различные грузоподъемность и быстроходность.

При высокой частоте вращения и действии небольших нагрузок целесообразно использовать подшипники сверхлегкой и особо легкой серий. Для восприятия повышенных нагрузок при высокой частоте вращения используют подшипники легкой серии. Наиболее часто применяют на практике подшипники легкой и средней серий, нормальные по ширине.

Подшипники изготавливаются следующих классов точности в порядке ее повышения: 0 (нормальный), 6 (повышенный), 5 (высокий), 4 (особо высокий), 2 (сверхвысокий).

Выбор класса точности подшипника производится в зависимости от требований, предъявляемых к механизму. Увеличение точности подшипника приводит к росту его стоимости.

Чаще всего используют подшипники нормальной точности – класса 0.

Самым распространенным видом подшипника является шариковый радиальный однорядный подшипник. Он предназначен для радиальной нагрузки, но может воспринимать и осевую в пределах 70 % от неиспользованной радиальной допускает перекос осей колец не более 0,25°, имеет минимальные потери на трение и возможность наибольшей скорости вращения. Подшипник обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях.

В подшипниках качения смазка уменьшает трение, шум, отводит тепло, защищает подшипник от коррозии, заполняет зазоры в уплотнениях, обеспечивая герметизацию подшипникового узла. Применяют жидкие, консистентные и твердые смазки.

Жидкие смазки используют при окружной скорости вала выше 10 м/с. Чаще всего применяют минеральные масла: приборное МВП, индустриальное 12 (веретенное), индустриальное 20 и масла с антифрикционными присадками (дисульфит молибдена, графита).

Консистентные смазки (густые мази) применяют при окружной скорости вала до 10 м/с. Корпус подшипникового узла заполняют смазкой в объеме 1/3 его свободного пространства. Наилучшими признаны литиевые смазки: Литол-24, Циатим-221, Циатим-201 и др. Они хорошо удерживаются в узлах трения и не требуют сложных уплотнений, их не рекомендуют применять при большом тепловыделении

Твердые смазки используются в вакууме и специальных средах (графит, дисульфид молибдена, нитрат бора). При повышенных температурах (+140 … +275 °С) возможно применение массивных сепараторов из самосмазывающихся пластмасс.

Ресурс подшипника определяется временем до повреждения перемычек сепаратора.

Подшипники качения.

Подшипники качения



Общие сведения

Подшипники качения (рис. 1) представляют собой готовый узел, основными элементами которого являются тела качения – шарики

2 или ролики, установленные между кольцами 1 и 3 и удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга сепаратором 4.

Сепаратор служит для направления и удержания тел качения в определенном положении (для обеспечения соосности колец) и для разделения тел качения от их взаимного контакта с целью уменьшения изнашивания и уменьшения потерь на трение.

Внешнее и внутреннее кольца подшипника (или, как их еще называют – обоймы) имеют на рабочей поверхности желобки – дорожки качения, по которым и перекатываются тела качения. Форма колец подшипников качения (наружных и внутренних) определяет угол контакта тел качения с дорожкой качения и, соответственно, влияет на величину осевой или радиальной грузоподъёмности подшипника.

Распределение радиальной нагрузки между телами качения, находящимися в нагруженной зоне (ограниченной дугой не более 180˚), неравномерно (рис. 2

) вследствие контактных деформаций колец и различных тел качения. На размер зоны нагружения и неравномерность распределения нагрузки оказывают влияние величина радиального зазора в подшипнике и жесткость корпуса.

В отдельных случаях для уменьшения радиальных размеров подшипник применяют без колец (рис. 3) и тела качения катятся по дорожкам качения, образованным непосредственно на цапфе и в корпусе (в блоке зубчатых колес). Твердость, точность и шероховатость поверхности дорожек качения в этом случае должны быть такими же, как у подшипниковых колец (обойм). Такие игольчатые подшипники могут применяться без сепаратора (а) или с сепаратором (б).

Подшипники качения стандартизированы и широко распространены во всех отраслях машиностроения. Их изготовляют в больших количествах на специализированных подшипниковых заводах, которые организованы во многих городах России и других стран.

Достоинства и недостатки подшипников качения

По сравнению с подшипниками скольжения подшипники качения обладают рядом положительных свойств и преимуществ:

• Сравнительно малая стоимость благодаря возможности стандартизации и массового производства.
• Небольшие потери на трение и незначительный нагрев при работе, при этом потери на трение в момент пуска и в рабочем режиме практически не отличаются.
• Полная взаимозаменяемость, что облегчает монтаж и ремонт машин и механизмов.
• Небольшой расход дефицитных цветных материалов по сравнению с подшипниками скольжения, в конструкции которых обычно применяются медесодержащие сплавы и цветные металлы.
• Незначительный расход смазочного материала во время эксплуатации.
• Малые осевые размеры, простота монтажа и эксплуатации.

Не лишены подшипники качения и недостатков:

• Относительно большие радиальные размеры.
• Высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.
• Большое сопротивление вращению, шум и низкая долговечность при высоких частотах вращения.
• Повышенный шум из-за циклического перекатывания тел вращения через нагруженную зону подшипника (рис. 2).
• Более сложная конструкция по сравнению с подшипниками скольжения.

Область применения подшипников качения

Подшипники качения являются основным видом опор в машинах (автомобилях, сельскохозяйственной, дорожной и военной технике, самолетах, станках и т. п.). Так, в одном автомобиле может применяться более 120 типоразмеров подшипников качения, в самолете их количество может превышать 1000 шт. При этом надежность и долговечность подшипников во многом определяют ресурс машины или механизма.

***

Классификация подшипников качения

Подшипники качения классифицируют по следующим основным признакам:

По форме тел качения (рис. 4) – шариковые и роликовые, причем последние могут быть с цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми роликами. Применяют и тела качения сложной геометрической формы (

рис. 4,а).

По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные, радиально-упорные, упорные и упорно-радиальные. Деление подшипников в зависимости от направления воспринимаемой нагрузки носит в ряде случаев условный характер. Например, широко распространенный шариковый радиальный однорядный подшипник успешно применяют для восприятия не только радиальной или комбинированной, но и чисто осевой нагрузки, а упорно-радиальные подшипники обычно используют только для восприятия осевых нагрузок.

По числу рядов тел качения – одно-, двух- и четырехрядные.

По основному конструктивному признаку – самоустанавливающиеся (например, сферические самоустанавливающиеся при угловом смещении осей вала и отверстия в корпусе) и несамоустанавливающиеся; с цилиндрическим или конусным отверстием внутреннего кольца (обоймы), сдвоенные и др.

Кроме основных подшипников каждого типа изготавливают их конструктивные разновидности (модификации).

***



Условные обозначения и маркировка подшипников качения

В нашей стране условные обозначения подшипников регламентируются российским стандартом ГОСТ 3189-89 «Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений». Импортные подшипники имеют отличающуюся от российской маркировку, подробное описание которой приведено на следующей странице.

Условное обозначение подшипника обычно наносится на торцевую поверхность внешнего или/и внутреннего кольца (см. рисунок).

Основное условное обозначение может быть составлено из семи цифр, условно обозначающих внутренний диаметр подшипника, размерную серию, тип, конструктивные особенности и др. Нули, стоящие левее последней значащей цифры, не проставляют. В этом случае число цифр в условном обозначении может быть меньше семи, например: 7206.

Две первые цифры справа обозначают диаметр d отверстия внутреннего кольца подшипника. Для подшипников с внутренним диаметром d = 20…495 мм

размер внутреннего диаметра определяется умножением указанных двух цифр на 5. Так, подшипник 7206 имеет диаметр внутреннего кольца d = 30 мм (06×5).

Третья цифра справа обозначает серию диаметров и совместно с седьмой цифрой, обозначающей серию ширин, определяет размерную серию подшипника, т. е. условно характеризует его внешние габариты. В порядке увеличения наружного диаметра подшипника (при одном и том же внутреннем диаметре d) серии бывают: особо легкая – 1, легкая – 2, средняя – 3, тяжелая – 4 и др. Так, подшипник 7206 – легкой серии диаметров 2.

Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника:

•     0 – Шариковый радиальный
•     1 – Шариковый радиальный сферический двухрядный
•     2 – Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами
•     3 – Роликовый радиальный сферический двухрядный
•     4 – Роликовый радиальный игольчатый однорядный
•     5 – Роликовый радиальный с витыми роликами
•     6 – Шариковый радиально-упорный однорядный
•     7 – Роликовый конический
•     8 – Шариковый упорный, шариковый упорно-радиальный
•     9 – Роликовый упорный, роликовый упорно-радиальный

Приведенный выше в качестве примера подшипник 7206 является роликовым коническим.

Пятая и шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного (базового) типа. Например, подшипник 7206 основной конструкции пятой цифры в обозначении не имеет, а аналогичный подшипник с упорным бортом на наружном кольце имеет обозначение 67206.

Седьмая цифра справа обозначает серию подшипника по ширине. В порядке увеличения ширины подшипника (при одних и тех же наружном и внутреннем диаметрах) серии по ширине бывают 0, 1, 2, 3 и др.

Кроме цифр основного обозначения справа и слева от него могут быть нанесены дополнительные буквенные или цифровые знаки, характеризующие специальные условия изготовления данного подшипника.

Так, класс точности подшипника маркируется цифрой слева от основного обозначения через тире (дефис). В порядке повышения классы точности обозначают: 0, 6, 5, 4, 2. Класс точности, обозначаемый цифрой 0 и соответствующий нормальной точности, не проставляют.
В общем машиностроении применяют подшипники классов 0 и 6. В изделиях высокой точности или работающих с высокой частотой вращения (высокооборотные электродвигатели, шпиндели скоростных станков и т. п.) применяют подшипники классов 5 и 4. Приведенный в нашем примере подшипник 7206 имеет класс точности 0.
Помимо приведенных выше имеются и дополнительные (более высокие и низкие) классы точности.

В зависимости от наличия дополнительных требований к уровню вибраций, отклонениям формы и расположения поверхностей качения, моменту трения и другим параметрам установлены три категории подшипников:
    А – повышенные регламентированные нормы;
    В – регламентированные нормы;
    С – без дополнительных требований.
Знак категории указывают слева от обозначения класса точности.

Возможные знаки справа от основного обозначения:
    Е – сепаратор выполнен из пластических материалов;
    Р – детали подшипника из теплопроводных сталей;
    С – подшипник закрытого типа, заполненный смазочным материалом и др.

Примеры обозначений подшипников:

311 – подшипник шариковый радиальный однорядный средней серии диаметров 3, серии по ширине 0, с внутренним диаметром 55 мм, основной конструкции класса точности 0.

6-36209 – подшипник шариковый радиально-упорный однорядный, легкой серии диаметров 2, серии по ширине 0, с внутренним диаметром 45 мм, с углом контакта α = 12˚, класса точности 0.

4-12210 – подшипник роликовый однорядный с короткими цилиндрическими роликами, легкой серии диаметров 2, серии по ширине 0, с внутренним диаметром 50 мм, с одним бортом на наружном кольце, класса точности 4.

4- 3003124Р – подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный особо легкой серии диаметров 1, серии по ширине 3, с внутренним диаметром 120 мм, основной конструкции, класса точности 4, детали подшипника изготовлены из теплостойких сталей.

***

Статьи по теме “Подшипники качения”:

Характеристика основных типов подшипников качения
Расчет и подбор подшипников качения на заданный ресурс и статическую грузоподъемность
Примеры решения задач на подбор подшипников
Конструирование подшипниковых узлов
Обозначение и маркировка импортных подшипников



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

что это и какие они бывают ?. Статьи компании «Технологии века»

Подшипник – так называется механизм, используемый в узлах вращающихся деталей и элементов. Благодаря подшипнику ось, вал и др. элементы фиксируются в пространстве так, чтобы было обеспечено свободное вращение конструкции, либо её качение или линейное смещение с оптимальным коэффициентом трения.

Подшипник обычно состоит из элементов:

• Внутреннего и наружного кольца.
• Шариков или роликов (тела качения).
• Сепаратора (разделителя) – деталь, одновременно удерживающая и разделяющая тела качения.

Популярными видами подшипников являются контактные (с трущимися поверхностями) подшипники скольжения и качения, а также бесконтактные (не имеющие трущихся поверхностей).

Разновидности подшипников:

• Подшипники качения и скольжения.
• Гидростатические и гидродинамические.
• Газостатические и газодинамические.
• Магнитные подшипники.

Подшипники качения имеют свою классификацию

Они делятся по форме тел качения на шариковые, роликовые и комбинированные. Формы роликов бывают конические, игольчатые, цилиндрические, сферические.

Подшипники качения классифицируют по типу воспринимаемой нагрузки на:

• Упорные – используются в механизмах, где нагрузка идет вдоль оси вала.
• Радиальные – при нагрузках, перпендикулярных оси вала.
• Радиально-упорные, применяемые при нагрузках, комбинированных под определенным углом, либо идущих вдоль/перпендикулярно оси вала.

Классификация по количеству рядов тел качения: однорядные, двухрядные и многорядные.

Некоторые подшипники могут компенсировать изгиб и несоосность втулки и вала, допуская отклонение до 3 градусов, их называют самоустаналивливающиеся. Для остальных изделий не рекомендуется допускать перекос вала относительно опоры.

По наличию защитных шайб и контактных уплотнений бывают:

• Открытые подшипники.
• Закрытые стальными шайбами с одной стороны (60205) или с двух сторон (80205).
• Закрытые резиновыми уплотнениями: с одной стороны (160205) или с двух сторон (180205).

Классификация по способу монтажа и форме внутреннего отверстия:

• Стандартная посадка обеспечивается изделиями с цилиндрическим отверстием.
• Установка при помощи стяжной/закрепительной втулки – с коническим отверстием.
• С упорным бортом на внешнем кольце.
• С канавкой под стопорное кольцо на внешнем кольце изделия.

Для механизмов с более высокими оборотами предназначены шариковые подшипники, поскольку они их поверхность трения меньше, чем у других. Повышенные нагрузки лучше переносят роликовые подшипники.

Игольчатый тип подшипников, упорный и радиальный чаще применяется в устройствах, для которых важно обеспечить высокую точность вращения, оптимальную грузоподъемность и рациональное использование полезного пространства.

Шариковые и роликовые радиальные подшипники предназначены для радиальных нагрузок. При мощной осевой нагрузке срок эксплуатации изделия снижается. В этом плане шариковый подшипник является более универсальным, т.к. может лучше компенсировать как осевую нагрузку и допустимый перекос вала.

Самоустаналивающиеся сферические подшипники имеют на внешнем кольце специальную дорожку качестве сферической формы, которая позволяет изделию сохранять достаточную работоспособность даже при значительном перекосе внутреннего кольца относительно внешнего.

Для восприятия радиальной и осевой нагрузки применяются радиально-упорные подшипники. Конический тип изделий востребован в сельском хозяйстве и машиностроении. Шариковые и роликовые подшипники этого типа с большим углом контакта имеют большую грузоподъемность в осевом направлении и менее ― в радиальном.

На осевые нагрузки рассчитаны упорные шариковые и роликовые подшипники.

В нашей компании вы можете купить в наличии и под заказ подшипники всех видов и размеров – радиальные, роликовые, шариковые, подшипники качения и скольжения и др.

устройство и классификация, какие бывают виды

Конструкция подшипника качения известна благодаря его способности обеспечивать свободное качение без повреждения, трения и износа при вращении. В современной механике ему нет аналогов, которые могли бы с большей эффективностью снижать трение и скольжение вращающихся частей.

История возникновения и развития

Отсчёт истории начинается с 3500 года до нашей эры, во времена Древнего Египта, когда его жители использовали примитивные и очень эффективные на то время опорные подшипники без применения шариков. Ближе к нашему времени, в 700-м году до нашей эры, кельты достаточно активно стали применять изделия, аналогичные современным цилиндрическим подшипникам качения.

Следующая точка в истории это 330 год до нашей эры, когда инженер Древней Греции Диад создал осадную машину, основным отличием которой отмечается применение простых скользящих элементов.

В 1490 году Леонардо Да Винчи опубликовал первый чертёж подшипника качения в мире. Отмечается тот факт, что это изобретение произвело большое впечатление в кругу специалистов этого профиля. В 1794 году он был впервые запатентован. А в 1839 году американец Исаак Баббит изобрёл специальный металлический сплав, из которого в дальнейшем изготавливались шарики. В состав этого сплава входили медь, свинец, сурьма и олово.

Большим прорывом этой области считается 1853 год, когда Филлипп Мориц Фишер создал конструкцию педального велосипеда с применением специализированных роликовых подшипников в его механизмах. Последним значимым событием стало то, что в 1883 Фридрих Фишер создал машину, которая шлифовала шарики из закалённой стали. За счёт её создания появился всемирно известный швейтфуртский подшипниковый завод, а в скором времени эта технология стала использоваться повсюду.

Классификация, виды и типы

Подшипник представляет собой кинематический механизм, задача которого состоит в определении положения подвижных элементов частей конструкции и обеспечение их более эффективного вращения относительно друг друга. Он также обеспечивает опору вращающемуся валу механизма. Параллельно с этим выполняет функцию распределения радиальной и осевой нагрузки, передавая её на корпус всей машины. Благодаря этим свойствам вал фиксируется в нужном положении и одновременно вращается вокруг своей оси.

Классификация подшипников качения имеет следующий перечень:

• Шариковый. Главной особенностью выделяется основной подвижный элемент — шарики. Считается самым распространненым видом, наиболее активно используется в автомобилях, электродвигателях, бытовом инструменте. Благодаря их сферической форме он может вращаться в разные стороны, предназначен на выдерживание радиальной и осевой нагрузки. Но из числа недостатков можно отметить малую площадь соприкосновения, поэтому в автомобиле их применяют в местах с низкой нагрузкой без воздействия ударов и вибраций. Использование шарикоподшипников для большой нагрузки влечёт за собой увеличение диаметра шариков, поэтому размер всего элемента увеличивается.
• Роликовый. Состоит из деталей, представленных в цилиндрической форме. Различные радиальные нагрузки, оказываемые на ролики, равномерно распределяются по широкому пятну соприкосновения. Из-за этого они считаются оптимальным вариантом для использования в тяжёлых условиях. Но из-за цилиндрической формы такой вид не в состоянии обеспечивать большие осевые нагрузки. В узлах с малым диаметром вала применяется роликовый тип и для установки в труднодоступные места.
• Конический. Устройство подшипника состоит из конусных роликов. Применяются они для удерживания высокой радиальной, осевой и ударной нагрузок. Основным местом установки считается ступица колеса машины. Некоторые производители в одном подшипнике устанавливают два ряда конических роликов по зеркальной схеме.

Устройство и составляющие подшипника

Какие бывают подшипники описано выше, но в большинстве своём их объединяет состав элементов, из которых они состоят.:

• Обойма. По геометрической форме представляет собой кольцо, внутренняя и наружная поверхность которого обработаны. Между этими обоймами движутся шарики. В современном автомобильном производстве внешняя обойма может встраиваться в ступицу и ремонт подшипника производится путём замены всего узла в сборе.
• Сепаратор. Обойма специальной формы, по окружности которой находятся отверстия диаметром с используемый шарик. Выполняет роль ограничителя движения шарика внутри обойм.
• Сальник. Применяется для замыкания открытой боковой поверхности подшипника, изготавливается из специальной резины. Препятствует попаданию грязи в смазку подшипника. Наиболее подвержена износу та часть, которая продаётся по отдельности для проведения ремонта.

Определение параметров по маркировке

Государственный стандарт определяет конструктивные параметры и характеристики устройства.

Корпус подшипника может быть с выемкой и без неё. В первом случае применяется на обработанных поверхностях при удерживании радиальной нагрузки. А без выемки устанавливаются в противоположном случае. Корпус бывает разной ширины, для определения типа используют следующие аббревиатуры:

• ШМ — Широкий неразъемный.
• УБ — Узкий неразъемный.
• РШ — Широкий разъёмный.
• РУ — Узкий разъёмный.

При изготовлении этих изделий производителем строго соблюдаются установленные законодательством стандарты. Поэтому производитель вместе со своим изделием предоставляет сопроводительную документацию о нём. Принятая маркировка на территории нашей страны состоит из следующих пунктов:

• Основного обозначения.
• Дополнительных префиксов.

Например, маркировку: 6−18030ПР20П. Основные параметры заложены в шесть цифр. Первоначальная цифра 6 — это класс точности изготовления изделия. А ПР20П можно расшифровать так:

• П — префикс степени шероховатости поверхности.
• Р2О — Тип используемой смазки подвижных частей.
• П — Показатель уровня шума.

Остальной цифровой индекс обозначает:

• Тип подшипника.
• Указатель серии наружного диаметра и ширины.
• Внутренний установочный диаметр.
• Конструктивная особенность конкретной модели.

Класс точности изделия

Этот параметр указывает в основном на сферу применения изделия. Например, в современных автоматизированных станках применяются только изделия с высшим классом точности. В остальных массово применяемых механизмах используются подшипники с более низким уровнем качества при изготовлении. Класс точности может быть следующим:

• Нормальный.
• Сверхвысокий, применяемый индекс — 2.
• Особо высокий — 4.
• Высокий — 5.
• Повышенный — 6.
• Пониженный — от 7 до 8.

Анализируя вышеприведённый пример, можно сделать вывод, что изделие относится к повышенной степени точности.

Применение подшипников

Основное назначение этих устройств — это снижение фактора трения между подвижными элементами механизма. Могут применяться в автомобильной и сельскохозяйственной промышленности и при изготовлении различного производственного и бытового оборудования.

Преимущества и недостатки конструкции

Преимуществами изделий с такой конструкцией прежде всего считается низкий коэффициент трения и малая чувствительность к смазывающим материалам, дешевизна изготовления

Из числа минусов отмечается слабая стойкость к ударным нагрузкам и невозможность эксплуатации в агрессивных средах и при очень высоких оборотах.

Техническое обоснование технологии подшипников качения.

Введение

Подшипники качения – это стандартизованные детали машин. Они передают силу, момент и вращающиеся движения, а также направляют валы и шпиндели.Передача сил и движений создает трение. Сопротивление трения возрастает пропорционально крутящему моменту и создает дополнительное нежелательное тепло. Любое уменьшение сопротивления трению минимизирует эти критерии.

Основные принципы

В общем случае существуют два различных типа подшипников.

• скольжения
• качения

Подшипники скольжения:

Рис 1.1

В подшипнике скольжения присутствует сила трения скольжения, когда две поверхности, как правило, отделенные третьей средой, движутся относительно друг друга.

Максимальные силы, передаваемые подшипниками скольжения, определяются в основном с помощью допустимого удельного давления в контактирующей поверхности находящейся между компонентами.Удельное давление определяется с помощью прочности используемых материалов.Этот исторический принцип используется для всех типов подшипников скольжения.Основное преимущество подшипников скольжения заключается в очень простой и недорогой конструкции. Они часто используются в не обслуживаемых конструкциях и требуют меньше места в конструкции машины.

Их основными недостатками являются ограниченные возможности в передаче сил, меньшая точность направляющих валов и шпинделей, а также относительно большой пусковой момент.

Подшипники качения:

Подшипники качения работают по принципу трения качения.

Рис 1.2

Приложенная нагрузка передается качением элементов, вращающихся вокруг и между двух подшипниковых колец,как правило, ориентирующихся по дорожкам качения в кольце подшипника. Как правило, элементы качения разделены внутри подшипника сепараторами, называемыми также фиксаторами или обоймами.Как описано для подшипников скольжения, подшипники качения также требуют смазочного материала, разделяющего металлические части.Смазка наряду с хорошей шлифовкой поверхности уменьшает трение от передаваемых сил, поэтому приводит к минимизации потерь мощности.На практике чистое движение не происходит внутри подшипников качения. Основное движение элементов качения включает в себя элементы трения скольжения.Величина трения скольжения внутри подшипника зависит от кинематических свойств соответствующего подшипника.Чрезмерное количество трения скольжения может привести к серьезному повреждению несущих компонентов и, таким образом, может привести к преждевременному выходу из строя. Подшипники качения являются типовыми в наше время, но могут вызвать некоторые проблемы в случае высоких скоростей, быстрых ускорений или при работе с малой нагрузкой. Существует доказательство того, что для работы подшипников качения требуется эффективная нагрузка.

Подшипники качения, по сравнению с подшипниками скольжения, имеют следующие преимущества:

• Меньший пусковой момент, экономия энергии
• Большая доступность различных типов и размеров
• Многие виды способны комбинировать радиальную и осевую нагрузку
• Больше реализация возможностей за счет размера
• Не нуждается в обслуживании
• Меньше расход смазки
• Очень точное наведение валов и шпинделей
• Подшипники качения являются более подходящими для больших рабочих температур
• Подшипники качения доступны в специальных конструкциях для удовлетворения конкретных запросов клиентов, таких как подшипники из нержавеющей стали, специальные смазки и т.д.

Компоненты подшипников качения.

Рис 1.3

Подшипники качения, как правило, состоят из двух колец, или – в случае упорных подшипников – шайбы с элементами качения в большинстве случаев, удерживаемых сепаратором.

Несколько типов подшипников поставляются с встроенными уплотнениями или защитными шайбами.

Кольца и шайбы.

Рис 1.4

Опорные кольца или шайбы выдерживающие нагрузки, которые передаются к местам на валах и / или корпусах.Несущие кольца или шайбы обычно имеют пазы, где элементы качения расположены и вращаются. Для определения точного местонахождения наружное кольцо и внутреннее кольцо имеют особенность тонкой шлифовки поверхности.Подшипники качения в зависимости от типа способны вместить радиальные нагрузки, осевые нагрузки или комбинированные нагрузки.

Типы элементов качения.

Рис 1.5

Элементы качения представляют собой простые геометрические тела т.е. шарики, ролики или несущие иглы, которые передают приложенные силы. Принципиальным отличием между подшипниками качения и исходного описания подшипника обычно классифицируют исключительно форму элемента. Разница между шариковыми и роликовыми подшипниками также рассматривается в формуле расчета для подшипников качения. Это происходит из-за различий в геометрической поверхности контакта.

А) Шар, лежащий на плоской поверхности контактирует в одной точке. Эта точка называется точкой контакта.На практике мяч под нагрузкой будет иметь упругую деформацию.

Рис 1.6

Изогнутая форма шарикоподшипниковой дорожки изменяет эту контактную форму на эллипс. В связи с этим, как правило, при очень маленьком контакте шариковые подшипники имеют меньшее сопротивление трению и более пригодны в высокоскоростных применениях. Эти небольшие участки контакта приводят к более высокому удельному давлению при заданных нагрузках по сравнению с роликовыми подшипниками одинакового размера (т.е. меньше нагрузочная способность).

Б) Ролик, лежащий на плоской поверхности образует линию контакта.Когда появляется нагрузка линия контакта выглядит в виде прямоугольника для цилиндрических поверхностей и в виде трапеции для конических поверхностей.

Рис 1.7

При данной нагрузке контактирующие участки для линии контакта больше, чем у точечного контакта. Таким образом, роликовые подшипники имеют более высокие показатели нагрузки, чем шариковые, хотя они более подвержены трению. Величина площади контакта делает роликовые подшипники более чувствительными к не соосности между роликами и дорожками качения. Перекос создает нежелательную нагрузку на концах ролика. Такие пики напряжения могут вызвать локальную перегрузку подшипниковой стали. Для устранения концентраций этих напряжений, называемых максимальными нагрузками, обычно адаптируют изогнутый или полу – изогнутый геометрический профиль вдоль диаметра ролика.

Формы элементов качения.

Рис 1.8

Элементы качения, используемые в подшипниках качения имеют разную форму. Основные формы показаны на рисунке 1.8

Элементы качения.

Шар.

Подшипниковые шары производятся с высокой степенью точности как для размерности, так и для геометрии.

Цилиндрические ролики.

Рис 1.9

В основном они производятся в профилированной форме диаметра ролика, чтобы избежать чрезмерных краевых напряжений. Цилиндрические ролики также могут выпускаться с выемками на лицевой стороне.

Игольчатые ролики.

Игольчатые ролики — это в основном цилиндрические ролики с отношением длины к диаметру более 3,5.

Конические ролики.

Сформированы в виде усеченного конуса.

Бочкообразные ролики.

Ролики в виде бочонка производятся либо в симметричной, либо в асимметричной конструкции (например, используемый в само устанавливающихся сферических роликовых подшипников).

Обойма подшипника(Сепаратор).

Рис 1.10

Сепаратор выполняет несколько функций для подшипников качения, например,

• для разделения элементов качения
• для направления и позиционирования элементов качения между дорожками
• для повышения срока службы элементов качения
• для уменьшения шума, повышения скоростных характеристик и смазки

Рис 1.11

При определенных условиях сепаратор может быть исключен из подшипника.Такая конструкция обеспечивает максимальную несущую способность за счет использования площади поперечного сечения подшипника с максимальным количеством роликов. Можно четко увидеть, что каждый элемент качения контактирует с другими вращающимися в противоположном направлении, тем самым создавая повышенный износ. Это также вызывает большее трение и, следовательно, более низкие скоростные возможности. Для обычных подшипников качения, т.е. подшипников, установленных с сепараторами, минимальное трение скольжения происходит только между соответствующими поверхностями качения и сепаратором.

Рис 1.12

Корпуса подшипников изготавливаются из следующих материалов:

• мягкая листовая сталь
• прессованная латунь или бронза
• латунь или бронза
• пластмассы (например, полиамид или нейлон)
• легкие металлические сплавы
• обработанная твердая сталь
• резина
• металлокерамика
• специальные материалы, т.е. графит, стекло и т.д.

Дополнительные детали и принадлежности.

Рис 1.13

Некоторым типам подшипников, в основном, цилиндрическим роликовым могут также потребоваться дополнительные элементы или определенные части. Многие эти части доступны по отдельности. Цилиндрические роликоподшипники, например, могут быть использованы с отдельными упорными кольцами.

Аксессуары, как правило, это составные части подшипника. Например, втулки, контргайки, шайбы и т.д.

Как работает подшипник — принцип работы подшипника

Без такого изделия как подшипник не может работать ни один механизм. Он незаменим в большом количестве вращающихся деталей разных машин. Продукция данного типа используется как в миниатюрной (домашней) технике, так и в огромных механизмах производственного назначения. На сегодняшний день ученные не придумали альтернативу данному изделию. Поэтому можно смело утверждать, что эффективную и безаварийную работу любого производственного комплекса можно организовать только в том случае, если своевременно заменять отработавшие свой срок службы, поставлять и монтировать новую продукцию. Для того, чтобы понять, как работает подшипник, необходимо знать его устройство. А эта продукция может быть представлена несколькими типами подшипников: качения, скольжения.

Подшипник качения

Данное изделие состоит из одной пары колец и тел качения. В роли тел качения могут быть использованы шарики, ролики и т.д. В наружном кольце (большего диаметра) имеется внутренний желоб, а во внутреннем (меньшего диаметра) – наружный. По этому желобу и катаются тела качения. Чтобы избежать блокировки, тела качения помещаются в сепаратор. Работа тут основана на трении качения. Потери в данной конструкции не большие и связаны с трением тел качения о сепаратор. Чем меньше площадь соприкосновения, тем меньше износ.

Достоинства:

1. Невысокая цена. Производство изделий этого типа массовое.
2. Трение сопровождается малыми потерями, нагрев незначительный.
3. Упрошенный ремонт и монтаж механизмов, так как изделия этого типа отличаются высокая степенью взаимозаменяемости.
4. Не требуется большого количества смазочного материала.
5. Минимальный уход.

Недостатки:

1. Жесткая конструкция чувствительна к ударам и вибрации.
2. Не используются в высокоскоростных механизмах.
3. Радиальные габариты большие.
4. Шумят при высоких скоростях.

Подшипники скольжения

Принцип работы подшипника данного типа основан на вращении двух сопряженных поверхностей. Как правило, одна из них подвижная, а вторая находится в состоянии покоя. Данное изделие служит для соединения двух валов с неподвижным корпусом механизма. Одна поверхность скользят в слое смазки по специальному желобу. Под наружным кольцом   расположен вкладыш. В зависимости от смазки эти изделия могут быть гидростатическими или гидродинамическими. Первый тип отличается тем, что смазка в них подается с внешней стороны. От скорости вращения это не зависит. Подача осуществляется гидронасосом. Второй тип предусматривает подачу смазки за счет самого подшипника. При работе между составными частями создается разница давлений. Этот подшипник принцип работы которого обеспечивает собственные потребности самостоятельно, так же широко используется в промышленности.

Достоинства:

1. Могут работать при высоких угловых скоростях.
2. Справляются с большими радиальными усилиями.
3. Позволяют использование в разъемных конструкциях.
4. Малые размеры.
5. Успешно работают в агрессивных средах.
6. Бесшумны.
7. Не боятся вибрации.
8. Упрощенный ремонт.

Недостатки:

1. В результате повышенного трения быстро изнашиваются вкладыши.
2. Нужен постоянный уход.
3. Большие потери при пуске.
4. Большие размеры.
5. Не изготавливаются массово.
6. Используют тогда, когда нельзя применить подшипники качения: требуется разъемный подшипник, большие нагрузки, сверхбыстроходные валы, работа в сильно загрязненной среде.

 

Как классифицируют подшипники качения | Маркировка подшипников качения

Подшипники качения представляют собой один из самых востребованных в промышленности видов подшипников. Если сравнивать с подшипниками скольжения, то у данных деталей гораздо меньшие потери энергии на трение и больший срок изнашивания запчастей.

Конструкция подшипников качения

Конструктивно подшипник качения представляет собой деталь, в которой расположены два кольца, различные по форме тела качения и сепаратор. Наличие сепаратора – необязательное условие в конструкции подшипников качения. Если сепаратор имеется, то он не просто разграничивает тела качения, а держит их на одинаковом расстоянии и направляет их движение. Двигаются тела качения по специальным дорожкам.

Если подшипник качения не оснащен сепаратором, у него имеется большее количество тел качения. Такие детали характеризуются большей грузоподъемностью, но частота вращения у них значительно ниже.

Современные производители предлагают широкий ассортимент подшипников качения. То, как классифицируют подшипники качения, зависит от их конструктивных особенностей, а также количества и расположения тел качения.

Классификация подшипников качения

По виду тел качения данные подшипники бывают шариковыми и роликовыми. У первых тела качения имеют форму сферы, их используют при необходимости снижения коэффициента трения. Вторые имеют форму цилиндра и характеризуются способностью выдерживать более высокие нагрузки.

Тела в подшипниках качения могут быть расположены в один, два или несколько рядов. Отсюда следует разделение деталей на однорядные, двухрядные и многорядные. Чем больше дорожек, по которым двигаются тела качения, тем выше срок эксплуатации подшипника. Стоит учитывать тот факт, что расположение тел качения в несколько рядов влияет и на цену детали.

По форме колец подшипники качения делятся на цилиндрические и конические. Первые обладают повышенной статической и динамической грузоподъемностью.

По типу воспринимаемой нагрузки подшипники качения делятся на радиальные, упорные и радиально-упорные.

Также подшипники качения делятся на группы по ширине детали, ее габаритам и классу точности. Разобраться с данными классификациями достаточно просто, так как все становится понятно из названия конкретной группы.

Маркировка подшипников качения

Маркировка подшипников качения, как и любых других подшипников, производится посредством нанесения нескольких цифр на торец кольца. Данные цифры содержат информацию и принадлежности подшипника к определенной группе.

Две первые цифры справа указывают на внутренний диаметр подшипника качения.

Третья цифра служит для обозначения веса детали. Сферхлегкие подшипники можно узнать по цифрам 8 и 9, особолегкие – по цифрам 1 и 7, легкие – по цифре 2, средние – по цифре 3, тяжелые – по цифре 4, легкие широкие – по цифре 5, средние широкие – по цифре 6.

Четвертая цифра содержит информацию о том, шариковый подшипник или роликовый. Цифры 0,1,6,8 указывают на шариковый, цифры 2,3,4,5,7,8 – на роликовый.

Узнать о количестве рядов, по которым двигаются тела качения, можно по пятой и шестой цифрам маркировки.

Седьмая цифра справа или первая слева указывает на ширину подшипника. Для обозначения узких подшипников используется цифра 7, нормальных – 1, широких – 2, особошироких – 3,4,5,6.

Сфера применение подшипников качения

Подшипники качения активно применяются в современной промышленности. Это основной вид опор в любых видах машин – сельскохозяйственных, дорожной и военной технике, самолетах, станках и прочих подобных механизмах. В обычном автомобиле можно насчитать около 120 разновидностей подшипников качения, в самолете этот показатель превышает тысячу.

Как работают подшипники качения

Возможно, одними из самых распространенных компонентов в отрасли являются подшипники, в частности подшипники качения. Эти подшипники используются во всем: от электродвигателей до коробок передач и конвейерных систем. По сути, если валу необходимо вращаться, он может (и в большинстве случаев) опираться на подшипник качения. Некоторые люди не понимают, что фактический состав этих устройств может сильно отличаться в зависимости от приложения.

Подшипники качения состоят из двух дорожек качения, разделенных группой роликов. Форма этих роликов определяет нагрузку, которую может выдержать конкретный подшипник, а также требования к смазке.

Первый тип роликов, который мы обсудим, – это один из наиболее распространенных типов – шариковые подшипники. Шариковые подшипники бывают самых разных размеров, материалов и отделки, которые только можно себе представить. Это обеспечивает невероятную гибкость в их использовании. Шарики в этих подшипниках просто катятся между двумя обоймами, и не имеет значения, в каком направлении обращены элементы.

Как следует из названия, цилиндрические роликоподшипники представляют собой цилиндры, расположенные между внутренним и внешним кольцами. Эти цилиндры, имеющие форму банок из-под газировки, катятся по своим сторонам по следам гонок. Элементы могут катиться только по одной оси, в отличие от мячей, которые могут катиться в любом направлении.

Сферические роликоподшипники очень похожи на цилиндрические роликовые элементы за одним исключением – они скруглены по средней части. Вместо идеального цилиндра сферические роликоподшипники имеют закругленную форму, поэтому стороны цилиндра больше не параллельны друг другу.Это дает им большую площадь поверхности, соприкасающуюся с дорожкой качения, чем у цилиндрических элементов такой же длины.

Игольчатые роликоподшипники меньше по диаметру, чем в предыдущих примерах, но они также имеют большую длину. Эти элементы представляют собой идеальные цилиндры, но они растянуты до такой степени, что напоминают иглы. Несмотря на небольшой диаметр, они компенсируют площадь поверхности по длине.

У конических роликоподшипников один конец их элементов имеет больший диаметр, чем другой.Это придает им легкую коническую структуру и позволяет элементам катиться по диагональной плоскости. Углы, создаваемые этими элементами, позволяют им выдерживать как осевую, так и радиальную нагрузку.

Все вышеперечисленные типы элементов имеют несколько различных расположений. В одних подшипниках используется только один ряд элементов, в других – несколько рядов. В некоторых подшипниках сепараторы используются для разделения элементов и поддержания постоянного расстояния между ними. Уплотнения – это еще один элемент, который можно настроить на подшипниках.Все эти особенности влияют на функциональность подшипника, а также на его ожидаемый срок службы.

Элементы качения подвергаются режиму смазки, известному как эластогидродинамическая смазка. В этом режиме пленка жидкости обычно меньше одного микрона, и давление до 500 000 фунтов на квадратный дюйм не является редкостью. Масло на мгновение превращается в твердое вещество и упруго деформирует ролик качения и сопрягаемую поверхность. Любое загрязнение может помешать этому процессу с разрушительными последствиями.Частицы, присутствующие в зоне нагрузки, вызывают деградацию сопрягаемых поверхностей и могут привести к образованию большего количества частиц износа.

У масел есть свойство, известное как коэффициент вязкости давления. Это показатель того, насколько хорошо они могут мгновенно превратиться в твердое тело. Вода не обладает этим свойством и, следовательно, может привести к граничным условиям, если она присутствует в подшипниках качения. Важно следить за уровнем воды в смазочном масле, чтобы этого не произошло.В некоторых случаях подшипники могут потерять 70 процентов срока службы из-за воды еще до того, как масло станет мутным.

58%	профессионалов в области смазки используют шарикоподшипники на своих предприятиях, согласно результатам опроса, проведенного на сайте machinerylubrication.com

Подшипники испытывают два типа нагрузок: радиальные нагрузки и осевые нагрузки. Радиальные нагрузки воспринимаются как поперечные силы.Эти нагрузки возникают между дорожками качения подшипника, в отличие от осевых нагрузок, которые представляют собой силы, которые толкают поверхность подшипника.

Другими словами, радиальная нагрузка электродвигателя будет определяться любой нагрузкой, толкающей вал электродвигателя вверх или вниз, в то время как осевая нагрузка будет представлять собой любую нагрузку, толкающую вал обратно в электродвигатель. Количество и тип нагрузок, которые испытывает ваш подшипник, определяют тип подшипника, который вам нужен, а также элементы качения в нем.

Понимание основ работы подшипников качения и их конструкции может помочь вам добиться дополнительной надежности на вашем предприятии.Определение типа нагрузок, которые должен выдерживать подшипник, а также условий окружающей среды, дополнительно поможет вам в выборе подходящего подшипника. Возможности для подшипников безграничны, поэтому вы можете гарантировать, что найдется тот, который идеально подходит для вашего применения.

.

Что такое цилиндрические роликоподшипники?

Существует множество различных типов подшипников, каждый из которых имеет свои преимущества.Правильная деталь жизненно важна для вашей конструкции, поэтому поставщики подшипников, такие как Ritbearing, предлагают широкий выбор стилей подшипников для удовлетворения ваших потребностей, например, цилиндрические роликоподшипники.

Основы цилиндрических роликоподшипников

Основное различие между цилиндрическими роликоподшипниками и подшипниками других типов заключается в названии – в них в качестве тел качения используются цилиндры, а не шарики, которые используются в шарикоподшипниках. Цилиндры немного больше по длине, чем по диаметру.По сравнению с шариковыми подшипниками цилиндрические ролики обладают большей радиальной нагрузочной способностью. Конструкция с цилиндрическими роликами также позволяет этим деталям работать с относительно более высокими скоростями, чем другие типы роликовых подшипников.

Есть несколько типов цилиндрических роликоподшипников. Однорядные цилиндрические ролики являются наиболее популярными и являются съемными, что упрощает монтаж и демонтаж. Однако они могут не выдерживать радиальную нагрузку в некоторых приложениях. Двухрядные и многорядные цилиндрические роликоподшипники обеспечивают большую радиальную нагрузочную способность, а также могут передавать осевые нагрузки в одном направлении.

Как и другие типы, цилиндрические роликоподшипники имеют различные варианты зазора и смазки, доступные в зависимости от производителя и поставщика. Цилиндрические роликоподшипники могут изготавливаться с сепаратором или в комплекте.

Для чего используются цилиндрические роликоподшипники?

Благодаря сочетанию большей радиальной грузоподъемности, способности выдерживать более высокие скорости и других преимуществ, цилиндрические роликоподшипники идеально подходят для использования в различных отраслях промышленности.Типичные рынки, на которых можно использовать эти детали:

Каковы распространенные причины отказов цилиндрических роликоподшипников?

Как и все другие типы подшипников, цилиндрические ролики требуют ухода и обслуживания. Отслаивание или точечная коррозия, трещины и сколы, царапины и ржавчина являются одними из наиболее частых причин выхода из строя цилиндрических роликоподшипников.

К счастью, вы можете ограничить риск выхода из строя подшипника. Есть профилактические меры, которые вы можете предпринять, чтобы снизить риск повреждения подшипников.Ознакомьтесь с нашими сообщениями о том, что вы можете сделать, чтобы помочь предотвратить или обнаружить следующие потенциальные проблемы:

Кто производит цилиндрические роликоподшипники?

В мире существует множество производителей подшипников, но одни из них лучше других производят одни типы подшипников, чем другие. В Ritbearing мы наладили отношения с несколькими производителями по всему миру, чтобы мы могли использовать сильные стороны этих партнеров и предоставлять нашим клиентам нужные детали для их нужд.Что касается цилиндрических роликоподшипников, мы работаем со следующими производителями:

Если вам нужен индивидуальный цилиндрический роликоподшипник или какая-либо другая деталь, важно получить именно те подшипники, которые соответствуют вашим конкретным потребностям. Наши специалисты могут помочь вам определить, есть ли готовая деталь для ваших приложений, или подобрать индивидуально разработанное подшипниковое решение для вашей конструкции. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить нужные детали для ваших приложений.

границ | Метод расчета шума для шарикоподшипника с глубоким желобом с учетом волнистости поверхности дорожки качения и погрешности размера ролика

Введение

Шум подшипников – один из важных показателей качества подшипников.На шум подшипников влияет множество факторов. Волнистость дорожки качения и случайная погрешность размера ролика являются основными причинами шума подшипников.

Уордл вывел уравнение силы вибрации упорного шарикоподшипника с учетом волнистости дорожки качения. Были проведены эксперименты для проверки точности метода расчета вибрационной силы (Wardle, 1988a, b). Aktürk разработал модель вибрации подшипника с учетом волнистости подшипника. В этой модели учитывалась только вибрация подшипника, а шум подшипника не изучается (Aktürk, 1999).Ван изучил динамику подшипника и ротора с учетом волнистости дорожек качения, волнистости роликов и зазора в подшипниках (Liqin et al., 2008). Джанг и Чон предложили нелинейное уравнение для расчета вибрации шарикоподшипника с учетом волнистости подшипника, а метод Рунге-Кутта был использован для решения нелинейного уравнения. Результаты сравнивались с фактическими результатами, чтобы доказать точность модели (Jang and Jeong, 2002). Ван и Сюй изучили влияние погрешности формы канавки подшипника и формы внутреннего кольца на шум подшипника.Результаты показали, что шум подшипника увеличивается с увеличением амплитуды волнистости (Wang and Xu, 2009). Патель и др. изучено влияние одноточечных и многоточечных погрешностей дорожек качения радиальных шарикоподшипников на динамические характеристики подшипников. Результаты численных расчетов показали, что наличие ошибок дорожки качения приведет к резкой вибрации подшипника (Patel et al., 2010). Сюй и Ли изучили влияние дефектов дорожки качения подшипника на всю подшипниковую систему. На примере системы шатуна кривошипа было обнаружено, что локальные дефекты вызывают вибрацию от удара ступени, в то время как волнистость вызывает постоянную вибрацию (Xu and Li, 2015).Чжан и Чен разработали динамическую модель подшипниковой системы с учетом нелинейных факторов, таких как радиальный зазор и волнистость дорожки качения. Результаты показали, что волновое число оказывает очевидное влияние на вибрацию подшипника (Zhang and Chen, 2008). Буазиз и Фахфах изучили влияние упругой деформации подушек подшипников на акустические характеристики подшипников скольжения, смазываемых маслом. Динамические характеристики и акустические характеристики подшипника изучаются путем анализа колебаний давления в опорном подшипнике (Bouaziz et al., 2012). Бай и Ву использовали метод разложения субисточников для изучения радиационного шума радиально-упорного подшипника в высокоскоростном электрическом шпинделе. Были проведены эксперименты для проверки точности метода (Bai, Wu, 2017).

Вышеупомянутые исследования сделали некоторые исследования волнистости подшипника, погрешности дорожки качения подшипника и шума подшипника с использованием различных методов. Однако большинство исследований было сосредоточено только на модели вибрации подшипника с учетом волнистости дорожки качения. Модель расчета шума подшипника не изучается, особенно с учетом волнистости дорожки качения и погрешности размера ролика.Модели шума подшипников в основном основаны на экспериментальных методах. Несколько установленных моделей шума можно напрямую использовать для расчета удельного шума подшипника качения.

В этой статье метод декомпозиции субисточников используется для разложения пеленга на несколько структур субисточников. Модель расчета шума для радиального шарикоподшипника с учетом волнистости дорожки качения и погрешности размера ролика создана с использованием акустической теории и метода наложения звукового давления на основе модели расчета шума идеального радиального шарикоподшипника.

Анализ механики радиального шарикоподшипника

Анализ механики без учета ошибки размера шарика

Перед механическим анализом подшипника делаются следующие предположения: (a) Наружное кольцо соединено с корпусом подшипника и остается неподвижным. (b) Внутреннее кольцо и вал плотно прилегают. (c) Между роликом и дорожкой качения не происходит относительного скольжения.

На рис. 1 показан анализ механики радиального шарикоподшипника без учета погрешности в размере шарика.Внутреннее кольцо будет иметь смещение из-за радиальной силы F _r . α – угол между направлением максимальной деформации внутреннего кольца и направлением F _r . β – азимутальный угол мяча. φ – угол между двумя соседними шарами.

Рисунок 1 . Анализ механики радиального шарикоподшипника.

В соответствии с балансом сил компоненты нагрузки всех шариков в вертикальном направлении и радиальная сила равны:

W0cosβ + W1cos (φ-β) + W2cos (2φ-β) + ⋯ + Wkcos (kφ-β) = Fr (1)

Таким же образом должны быть сбалансированы компоненты всех шаров в горизонтальном направлении:

W0sinβ + W1sin (φ-β) + W2sin (2φ-β) + ⋯ + Wksin (kφ-β) = 0 (2)

На рис. 2А показана деформация контакта ролика и дорожки качения.Внутреннее кольцо и катящийся шарик будут деформироваться под действием радиальной силы, и центр внутреннего кольца перемещается с O на O ‘, а центр катящегося шарика перемещается с O ₁ на O1′. Согласно Ji (2014), контакт между катящимся шариком и дорожкой качения является контактом Герца, как показано на рисунке 2B. Когда два упругих тела соприкасаются друг с другом, оба тела будут иметь упругую деформацию, и деформация будет равна δ ₁ и δ ₂ соответственно.

Рисунок 2 . Контактная деформация. (A) Деформация контакта ролика и дорожки качения. (B) Герц контактная деформация.

Согласно Харрису (1984), формула расчета для упругого подхода δ:

δ = 12Q (1E01 + 1E02) ke8πμ32QΣρ (1E01 + 1E02) 3 (3)

Где Q – контактное усилие. E – модуль упругости материала. k _e – эллиптический интеграл первого типа. μ – параметр, связанный с кривизной контакта, Σ _ρ – сумма основных кривизны двух контактных тел:

Σρ = ρ11 + ρ12 + ρ21 + ρ22 (4)

В соответствии с параметрами материала подшипника (Junnami, 2001) формулу расчета для упругого подхода можно упростить как:

δ = eδ (Σρ) Q23 (5)

Где e _δ – параметр функции кривизны контакта, который можно получить, просмотрев таблицу Харриса (1984). F (ρ) можно рассчитать как: F (ρ) = | ρ11-ρ12 | + | ρ21-ρ22 | Σρ.

Метод полной эластичности равен сумме δ ₁ и δ ₂ :

δ = (eδ.i (Σρ.i) W23 + eδ.o (Σρ.o) W23) (6)

Анализ механики с учетом ошибки размера шарика

В реальном рабочем процессе шарики радиального шарикоподшипника неизбежно имеют ошибки случайного размера из-за проблем с механической обработкой. Эта ошибка является одной из важных причин, вызывающих вибрацию и шум в подшипнике.На рис. 3 представлен анализ механики радиального шарикоподшипника с учетом погрешности в размере шарика. Перед анализом вводятся следующие допущения: (a) Ошибка существует только в диаметре шара, и шар остается сферическим. (b) Шарики распределяются на равные расстояния во время работы подшипника. (c) Между шариками и дорожками качения возникает только упругая деформация. Без учета волнистости дорожек качения, если предположить, что диаметр шара составляет D _w , а диаметр шара нестандартного размера составляет D _wk .Где k – номер мяча.

Рисунок 3 . Анализ механики с учетом погрешности размера шара.

Чтобы точно проанализировать деформацию контакта между шариком и дорожками качения, необходимо сравнить значения упругого подхода δ _k = δ _r cos θ _k и шарика ошибка размера D _w – D _{w k} .Когда δ _r cos θ _k > ( D _w – D _wk ), что означает, что упругий подход больше, чем ошибка размера шара в этот момент , и в этот момент катящиеся шарики контактируют с дорожками качения. Фактическая эластичность в это время должна быть δ _k = δ _r cos θ _k – ( D _w – D _wk ).Когда δ _r cos θ _k <( D _w – D _wk ), это означает, что упругий подход меньше, чем ошибка размера шара. В этот момент шарики не контактируют с внутренним и внешним кольцами, и фактическое упругое приближение шарика составляет δ ₀ = 0. Фактическое упругое приближение тела качения должно быть δ _k = δ _r cos θ _k – ( D _w – D _wk ).Где D _wk – это диаметр шара kth , а δ _k должно быть положительным. θ _k – угол между шаром k -го и центром внутреннего кольца: θ _k = kϕ – β – α. В соответствии с фактическими условиями нагружения подшипника можно получить соотношение между упругим приближением δ _k шара и радиальным смещением δ _r внутреннего кольца:

δk = [δrcos (kφ-β-α) + (Dw-Dwk)] (7)

Согласно уравнению (3) зависимость между радиальным смещением внутреннего кольца и силой контакта шара может быть записана как:

Wk = [[δrcos (kφ − β − ​​α) – (Dw-Dwk)] eδ.i (Σρ.i) 3 + eδ.o (Σρ.o) 3] 32 (8)

Когда заданы радиальная сила F r, тип подшипника и соответствующие параметры материала, значения δ _r и α можно рассчитать отдельно, подставив контактную силу в уравнения (1) и (2 ). Посредством преобразования координат можно получить траекторию внутреннего кольца по осям X и Y соответственно, а упругое приближение катящегося шара можно получить с помощью уравнения (7).

Анализ механики с учетом волнистости дорожек качения

Для того, чтобы соответствовать реальным условиям работы, в данной статье также рассматривается наличие волнистости дорожек качения подшипников с учетом погрешности в размере шарика.Во время обработки полученная поверхность будет иметь определенную периодичность геометрических неровностей, то есть волнистость. И главное различие между волнистостью и шероховатостью поверхности – это разница в высоте тона. Как правило, шаг волнистости составляет> 1 мм и <10 мм, а шаг шероховатости составляет <1 мм. Поскольку волнистость имеет определенную периодичность, ряд Фурье и синусоида могут использоваться для представления волнистости поверхности. В этой статье, чтобы упростить расчет, синусоидальная кривая первого порядка используется в качестве формулы выражения волнистости.На рис. 4A показана модель волнистости дорожек качения радиального шарикоподшипника. Сплошная линия означает отсутствие волнистости на внутренней и внешней дорожках качения. Пунктирная линия показывает наличие волнистости на дорожках качения подшипника. Синусоидальная функция используется для моделирования модели волнистости в этой статье в соответствии с Zhang and Chen (2008) и определением волнистости в Национальном стандарте. На рис. 4В показана синусоида первого порядка.

Рисунок 4 .Модель волнистости. (A) Модель волнистости дорожек качения. (B) Синусоидальная кривая.

Как показано на рисунке 4A, значение волнистости катящегося шара в какой-то момент может быть записано как:

Pi = Aimaxsin (2πsλ + θi), j = 1,2, ⋯ Nb (9)

λ – средняя длина волны волнистости:

λ = (2πRi) / Nw (10)

β _j – азимутальный угол шара:

βj = 2πNb (j-1) + (ωc-ωi) t, j = 1,2, ⋯ Nb (12) ωc = ωiRiRi + Ro (13)

Где A – значение волнистости. A _imax – амплитуда внутренней волнистости дорожки качения. θ – начальный фазовый угол. s – длина дуги между точкой контакта и точкой отсчета. N _b – количество шаров. N _w – волновое число. R _i – радиус внутреннего кольца подшипника, ω _c – скорость вращения шарика. ω _i – угловая скорость внутреннего кольца. R _o – радиус внешней дорожки качения.

Подставляя уравнения (10) ~ (13) в уравнение (9), можно получить формулу расчета волнистости первого порядка внутренней дорожки качения:

Pi = Aimaxsin {Nw [2πNb (j-1) + (ωc-ωi) t] + θi}, j = 1,2, ⋯ Nb (14)

Аналогичным образом может быть получена формула расчета волнистости первого порядка внешней дорожки качения:

Po = Aomaxsin {Nw [2πNb (j-1) + ωct] + θo}, j = 1,2, ⋯ Nb (15)

, где A _omax – амплитуда волнистости внешней дорожки качения, θ _o – начальный фазовый угол.

Как показано на рис. 5, в радиальных шарикоподшипниках сосуществуют волнистость внутренней и внешней дорожек качения и погрешность в размере шарика. Видно, что под действием радиальной силы Fr внутреннее кольцо смещается вниз из-за несимметричного распределения катящихся шариков. Внутреннее кольцо сжимает катящиеся шарики, что приводит к деформации контакта. Согласно анализу модели волнистости подшипника, волнистость внутренней дорожки качения подшипника составляет P _i , а волнистость внешней дорожки качения подшипника составляет P _o .

Рисунок 5 . Диаграмма опорной нагрузки с учетом волнистости и погрешности шарика.

С учетом погрешности в размере шарика и волнистости дорожек качения упругая деформация точки контакта может быть выражена как: δ _k = [δ _r cos θ _k – ( D _w – D _wk ) + P _k ] ₊ .

, где θ _k – угол между k -м шаром и направлением максимальной деформации внутреннего кольца: θ _k = kϕ – β – α. P _k – это изменение волнистости внутренней и внешней дорожек качения: P _k = P _i – P _o . Нижний индекс «+» указывает, что величина деформации положительная.

Pk = Pi-Po = Pimaxsin {Nw [2πNb (j-1) + (ωc-ωi) t] + θi} -Pomaxsin {Nw [2πNb (j-1) + ωct] + θo} (16)

Фактическая деформация k -го шара может быть записана как:

δk = [δrcos (kφ-β-α) – (Dw-Dwk) + Pk] + (17)

Контактное усилие шарика k -го можно записать как:

Wk = [[δrcos (kφ-β-α) – (Dw-Dwk) + Pk] + eδ.i (Σρ.i) 3 + eδ.o (Σρ.o) 3] 32 (18)

, когда заданы радиальная сила Fr, тип подшипника и соответствующие параметры материала, деформацию δ _r и α можно рассчитать отдельно, подставив контактную силу в уравнения (1) и (2).Посредством преобразования координат можно получить траекторию внутреннего кольца по осям X и Y соответственно, а упругое приближение катящегося шара можно получить с помощью уравнения (17).

Модель шума

для радиального шарикоподшипника

Перед созданием модели шума следует сделать следующие предположения: (a) Шум – это только часть, вызываемая внутренним кольцом и катящимися шариками во время движения. (б) Воздух – идеальная жидкость.(c) Воздух – это статическая сплошная однородная среда. (d) Плотность, температура, давление и другие параметры воздуха постоянны.

Согласно Чжао (1992), вибрация является источником шума, а шум – характеристикой вибрации. В этой статье выделяются два основных источника шума подшипников в рабочем процессе. Одна – это вибрация, создаваемая внутренним кольцом, а другая – вибрация, создаваемая каждым катящимся шариком. В данной статье уровень звукового давления рассматривается как мерило шума.Рассчитывается громкость шума, создаваемого во время рабочего процесса. На рисунке 6 показана конструкция радиального шарикоподшипника. Точка А принимается за точку измерения. Расстояние между точкой измерения A и центром подшипника составляет 10 мм.

Рисунок 6 . Конструкция подшипников качения.

С помощью ссылки (Wu, 2011; Du, 2012), согласно волновому уравнению, геометрия подшипника может быть упрощена до классической модели источника звука. На основе этого можно рассчитать звуковое давление, а затем уровень звукового давления можно получить в соответствии с уравнением уровня звукового давления.После наложения уровня звукового давления будет получен общий уровень звукового давления.

В этой статье вибрация внутреннего кольца рассматривается как цилиндрическая модель источника звука для расчета, а вибрация тел качения рассматривается как модель пульсирующего источника звука для расчета. На рисунке 7A показана модель цилиндрического источника звука, а на рисунке 7B показана модель пульсирующего источника звука.

Рисунок 7 . Модель источника звука. (A) Цилиндрическая модель источника звука. (В) Модель сферического источника звука.

Как показано на рисунке 7A, предположим, что внутреннее кольцо подшипника вибрирует в направлении X со скоростью ua: ua (t) = u0ejωt между двумя крайними положениями в один момент. Согласно Xia (2015), звуковое давление можно получить по уравнению (16):

p (r, ϕ, t) = – ρ0c0u0 (jcosωt − sinωt) 14+ (2πk2a2) 2 – [(kr4−4π2k3a2r) sinωt− (4π2k3a2r + rπka2) cosωt] −cosϕ (19)

Где ρ ₀ – плотность воздуха. c ₀ – скорость звука в воздухе, u ₀ – максимальная амплитуда колебаний, a – радиус внутреннего кольца, r – расстояние между точкой измерения A и подшипниковый центр.

Аналогичным образом, когда внутреннее кольцо вибрирует в направлении Y, то же уравнение можно использовать для получения звукового давления.

Когда объем катящегося шара изменяется во время вращения, модель источника пульсирующего шара используется для расчета звукового давления.Как показано на рисунке 7B, предположим, что скорость вибрации катящегося шара в определенный момент составляет u = u ( t ). Согласно акустической теории можно получить волновое уравнение:

∂2p∂r2 + 1r∂p∂r = 1c02∂2p∂t2 (20)

И общее решение этого уравнения:

p = Arej (wt – kr) + Brej (wt + kr) (21)

Где A и B – две константы.

Согласно теории акустики, первый член уравнения (21) представляет внешнее излучение, а второй член представляет собой внутреннее излучение.Поскольку в этой статье рассматривается космическое излучение, то B = 0, а затем:

p = Arej (wt-kr) (22)

В соответствии с соотношением между скоростью и звуковым давлением звуковое давление тела качения может быть получено следующим образом:

p = ρ0c0kr02u1 + (kr0) 2rejθ (23)

, где θ = arctan (1kr0). r ₀ – радиус шара.

Радиальный шарикоподшипник имеет несколько шариков качения, поэтому звуковое давление качения шариков должно быть:

p = ∑i = 1Npi (i = 1,2,….) (24)

Где p _i – звуковое давление каждого катящегося шарика.

В соответствии с уравнениями (17) и (18) можно получить общее звуковое давление p _g , создаваемое катящимися шариками:

pg = ∑i = 1Nρ0c0 (kr0) 3ua2 (kr) 2 (kr) 2 + 1 (25)

Общее звуковое давление подшипника:

pz = ∑i = 1Npzi (i = 1,2, ⋯⋯) (26)

Где p _zi – звуковое давление, создаваемое каждым источником звука.

Согласно Du (2012), SPL можно получить, взяв логарифм эффективного значения звукового давления, чтобы указать силу звука. Формула уровня звукового давления для радиальных шарикоподшипников:

SPL = 20lgpepref (дБ) (27)

Где p _e – эффективное значение звукового давления. p _ref – эталонное звуковое давление (обычно p _ref = 2 × 10 ⁻⁵ Па ).Влияние радиационного импеданса на звуковое давление P не рассматривается. p _e – эффективное звуковое давление: pe = 1T∫0Tp2dt.

Таким образом, уровень звукового давления радиального шарикоподшипника можно определить по уравнению (24).

На Рисунке 8 показана блок-схема расчета опорной силы и уровня звукового давления.

Рисунок 8 . Схема расчета.

Пример анализа

В качестве примера рассмотрен радиальный шарикоподшипник C&U 608.Конкретные параметры подшипников показаны в таблице 1.

Таблица 1 . Параметры подшипника.

На рис. 9 показана центральная осевая орбита внутреннего кольца радиального шарикоподшипника при скорости вращения подшипника 720 об / мин и радиальной нагрузке 0,05 кН. Из рисунков 9A, B видно, что центральная осевая орбита внутреннего кольца представляет собой неправильную кривую. На рисунках 9C, D показаны траектории центра внутреннего кольца в направлениях X и Y. Видно, что центр внутреннего кольца колеблется в определенной области в направлениях X и Y.На рисунках 9E, F показаны скорости центра внутреннего кольца в направлениях X и Y.

Рисунок 9 . Орбита центра оси и скорость центра внутреннего кольца. (A) Орбита центра оси внутреннего кольца. (B) Орбита центра оси внутреннего кольца в плоскости XOY. (C) Орбита центра оси внутреннего кольца в направлении X. (D) Орбита центра оси внутреннего кольца в направлении Y. (E) Скорость центра внутреннего кольца по оси X. (F) Скорость центра внутреннего кольца в направлении Y.

На рисунке 10 показана траектория центра шара в направлениях X и Y. Видно, что максимальная упругая деформация катящихся шариков составляет около 0,01 мм. На рисунке 11 показана скорость мячей в направлениях X и Y. Можно видеть, что в одном цикле скорость каждого шара все время изменяется, и скорость всех шаров имеет одну и ту же тенденцию изменения.

Рисунок 10 . Траектория центра мяча. (A) Траектория центра шара в направлении X. (B) Траектория центра шара в направлении Y.

Рисунок 11 . Скорость шаров. (A) Скорость шаров по оси X. (B) Скорость шаров в направлении Y.

На рис. 12 показано звуковое давление, создаваемое внутренним кольцом подшипника в точке A. Видно, что SPL внутреннего кольца большую часть времени составляет 20–30 дБ. Внезапное изменение уровня звукового давления происходит только в несколько моментов времени.Из рисунка 13 видно, что уровень звукового давления шаров составляет около 20 дБ большую часть времени за один цикл. Внезапное изменение уровня звукового давления происходит только в несколько моментов времени.

Рисунок 12 . SPL внутреннего кольца. (A) SPL внутреннего кольца в направлении X. (B) SPL внутреннего кольца в направлении Y. (C) Общее УЗД внутреннего кольца.

Рисунок 13 . SPL мячей. (A) SPL мячей в направлении X. (B) SPL мячей в направлении Y. (C) Общее УЗД шаров.

На рис. 14 показан общий уровень звукового давления радиального шарикоподшипника в точке А. Видно, что среднее значение звукового давления радиального шарикоподшипника составляет 29,832 дБ. Согласно результатам Su et al. (2009) и Ян (2009), одинаковые виды шумов подшипников, полученные в аналогичных условиях и в аналогичных режимах измерения, составляют 27,8 и 29,4 дБ. Поскольку подшипник, изучаемый в этой статье, учитывает только влияние волнистости внутреннего и внешнего кольца подшипника и размер ролика, и не учитывает влияние вибрации сепаратора подшипника и характеристик смазки подшипника на уровень звукового давления подшипника. , поэтому результаты для двух ссылок немного отличаются.Однако величина уровня звукового давления очень похожа.

Рисунок 14 . Суммарный УЗД радиального шарикоподшипника в точке А.

Чтобы изучить влияние волнового числа на шум подшипника, сохраняя другие параметры постоянными, шум подшипника будет изменяться с изменением волнового числа. На рисунке 14 показан общий уровень звукового давления радиального шарикоподшипника при волновом числе 7. На рисунке 15 показан общий уровень звукового давления подшипника при волновом числе 5, 6, 8 и 9 соответственно.Видно, что с увеличением волнового числа уровень звукового давления подшипника изменяется нелинейно и неравномерно. На рисунке 16А представлена ​​кривая значения шумового звукового давления с волновым числом, изменяющимся от 5 до 9. Видно, что изменения шума не могут быть очевидны. На рисунке 16B показано влияние волнового числа на средний уровень звукового давления в пеленгах с волновым числом, изменяющимся от 5 до 9.

Рисунок 15. (A) УЗД подшипника с 5 волнами. (B) Подшипник SPL с 6 волнами. (C) Подшипник SPL с 8 волнами. (D) Подшипник SPL с 9 волнами.

Рисунок 16 . Влияние волнового числа на шум подшипника. (A) Влияние волнового числа на уровень звукового давления подшипников. (B) Влияние волнового числа на средний уровень звукового давления подшипников.

Чтобы изучить влияние амплитуды волнистости на шум подшипника, сохраняя другие параметры постоянными, шум подшипника будет изменяться с изменением амплитуды волнистости. Как показано на Рисунке 17, с увеличением начальной амплитуды волнистости значение звукового давления подшипника также изменится.Видно, что с увеличением амплитуды волнистости звуковое давление, создаваемое подшипником, увеличивается.

Рисунок 17 . Связь между амплитудой волнистости и звуковым давлением. (A) Влияние амплитуды волнистости на SPL. (B) Влияние амплитуды волнистости на средний уровень звукового давления.

Чтобы изучить влияние скорости вращения подшипника на шум подшипника, сохраняя другие параметры постоянными, шум подшипника будет изменяться с изменением скорости вращения.На рисунке 18A показано полное изменение значения звукового давления подшипника за один цикл. На рисунке 18B показано изменение среднего значения звукового давления. Видно, что значение звукового давления подшипника будет меняться с изменением скорости вращения. По мере увеличения скорости вращения подшипника звуковое давление, создаваемое подшипником, увеличивается.

Рисунок 18 . Взаимосвязь между скоростью вращения подшипника и уровнем звукового давления подшипника. (A) Влияние скорости на SPL подшипника. (B) Влияние скорости на средний уровень звукового давления подшипников.

На Рисунке 19 показано соотношение между нагрузкой на подшипник и SPL подшипника. Как показано на Рисунке 19A, уровень звукового давления подшипника будет изменяться в зависимости от нагрузки на подшипник. На рисунке 19B показано среднее значение SPL подшипника при различных нагрузках на подшипник. Видно, что с увеличением нагрузки на подшипник средний уровень звукового давления подшипника увеличивается.

Рисунок 19 . Взаимосвязь между нагрузкой на подшипник и уровнем звукового давления подшипника. (A) Влияние нагрузки на подшипник SPL. (B) Влияние нагрузки на средний уровень звукового давления подшипников.

УЗД шума подшипника будет изменяться с изменением погрешности размера шарика. В этой статье используется случайная функция MATLAB для генерации ошибок мяча. На рисунке 20 показана взаимосвязь между ошибками шарика и SPL подшипника. На рисунке 20А показаны ошибки всех мячей. На рисунках 20B – F показаны изменения УЗД подшипников при полосе погрешности размера шарика 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 мкм. Когда эти изображения объединяются вместе, как показано на рисунках 20G, H, можно видеть, что по мере увеличения полосы погрешности размера шарика, SPL подшипника также увеличивается.

Рисунок 20 . Связь между ошибками шара и уровнем звукового давления подшипника. (A) Распределение шариковых ошибок. (B) Диапазон погрешности ролика составляет 1 мкм. (C) Диапазон погрешности размера шарика составляет 1,5 мкм. (D) Диапазон погрешности размера шарика составляет 2 мкм. (E) Диапазон погрешности размера шарика составляет 2,5 мкм. (F) Диапазон погрешности размера шарика составляет 3 мкм. (G) Влияние ошибки шарика на SPL подшипника. (H) Влияние ошибок шара на средний уровень звукового давления подшипника.

Выводы

(1) На основе анализа сил радиального шарикоподшипника с учетом погрешностей размера шарика и волнистости дорожек качения создана механическая модель для расчета орбиты центра оси внутреннего кольца и траектории центра шарика. На основе этой модели в базовой акустической модели внутреннее кольцо подшипника рассматривается как цилиндрический источник звука, а катящийся шарик рассматривается как сферический источник звука, модель расчета шума для внутреннего кольца и тел качения глубокой Установлен паз шариковый.

(2) В качестве примера возьмем подшипник C&U 608. Влияние амплитуды волнистости и волнового числа волнистости на SPL подшипников в одной фиксированной точке измерения изучается с помощью MATLAB. Результаты показывают, что с увеличением амплитуды волнистости подшипника уровень звукового давления подшипника в точке измерения также будет увеличиваться, и тенденция к увеличению является примерно линейной. С увеличением волнового числа волнистости, уровень звукового давления пеленга в точке измерения будет изменяться, и тенденция изменения находится в пределах объема исследования.Нет необходимой взаимосвязи между волновым числом и уровнем звукового давления подшипников. С увеличением скорости подшипника, нагрузки на подшипник и диапазона погрешности размера шарика УЗД подшипника в точке измерения также будет увеличиваться.

Авторские взносы

QZ: концепция или дизайн работы, расчет данных, анализ и интерпретация данных, написание статьи; JY: критическая доработка статьи; QA: окончательное утверждение версии, которая будет опубликована.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить проект «Исследования современной теории механики и исследования и разработки сопутствующих товаров» (DA17014), поддержанный Шанхайским саммитом по дизайну и Национальным фондом естественных наук Китая (номер гранта 51505148). Авторы искренне благодарны уважаемым рецензентам за ценные рецензии, которые существенно улучшили статью.

Список литературы

Актюрк, Н. (1999).Влияние волнистости на колебания шариковых подшипников. Tribol. Пер. ASME . 121, 667–677.

Бай, X. Т., и Ву, Ю. Х. (2017). Радиационный шум подшипника, приложенного к керамическому моторизованному шпинделю, основан на методе разложения субисточников. Дж. Звуковой Вибратор . 410, 35–48. DOI: 10.1016 / j.jsv.2017.08.029

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Буазиз, С., Фахфах, Т., и Хаддар, М. (2012). Акустический анализ гидродинамических и упруго-гидродинамических подшипников скольжения, смазываемых маслом. J. Hydrodyn. Сер. В 24, 250–256. DOI: 10.1016 / S1001-6058 (11) 60241-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ду, Г. Х. (2012). Базовая акустика. 3-е изд. Нанкин: Издательство Нанкинского университета.

Харрис, Т.А. (1984). Анализ подшипников качения . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.

Чанг, Г. Х., и Чон, С. В. (2002). Модель нелинейного возбуждения волнистости шарикоподшипника в жестком роторе, поддерживаемом двумя или более шарикоподшипниками, с учетом пяти степеней свободы. Дж. Трибол . 124, 82–90. DOI: 10.1115 / 1.1398289

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джи П. (2014). Влияние погрешности качения радиального шарикоподшипника на закон изменения напряжений. J. East China Univers. Sci. Technol. 40, 667–674. DOI: 10.3969 / j.issn.1006-3080.2014.05.022

CrossRef Полный текст

Джуннами, О. (2001). Конструкция и расчет шарикоподшипника . Пекин: Машиностроительный пресс.

Liqin, W., Li, C., Dezhi, Z., and Le, G. (2008). Рассмотрены нелинейные динамические характеристики системы роликовых подшипников ротора при радиальных зазорах и волнистости. Подбородок. Дж. Аэронавт . 21, 86–96. DOI: 10.1016 / S1000-9361 (08) 60012-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Патель, В. Н., Тандон, Н., и Панди, Р. К. (2010). Динамическая модель для исследования вибрации радиальных шарикоподшипников с учетом единичных и множественных дефектов дорожек качения. Дж. Трибол .132: 041101. DOI: 10.1115 / 1.4002333

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Су, З. А., Чен, Дж. С. и Ван, К. К. (2009). Применение метода вибрации при измерении шума подшипников. Медведь Дж. Харбина . 30, 59–62. DOI: 10.3969 / j.issn.1672-4852.2009.02.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, З., и Сюй, Л. (2009). Влияние погрешности формы канала на вибрацию и шум радиальных шарикоподшипников. Медведь Дж. Харбина .30, 23–24. DOI: 10.3969 / j.issn.1672-4852.2009.04.011

CrossRef Полный текст

Уордл, Ф. П. (1988a). Силы вибрации, создаваемые волнистостью поверхностей качения шарикоподшипника с упорной нагрузкой, Часть 1: Теория. Proc. IMechE . 202, 305–312.

Google Scholar

Уордл, Ф. П. (1988b). Силы вибрации, вызванные волнистостью поверхностей качения шарикоподшипника с упорной нагрузкой, Часть 2: Экспериментальная проверка. Proc. IMechE 202, 313–319.

Ву, Дж. Х. (2011). Анализ и основа шума. Сиань: Издательство Сианьского университета Цзяо Тонг.

Ся, X. Т. (2015). Исследования вибрации и шума подшипников качения . Пекин: Национальная пресса оборонной промышленности.

Сюй, Л. X., и Ли, Ю. Г. (2015). Моделирование радиального шарикоподшипника с дефектами волнистости в плоской многотельной системе. Многофункциональная система Syst . Dyn 33, 229–258. DOI: 10.1007 / s11044-014-9413-z

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, Г.Б. (2009). Исследование технологии снижения вибрации и шума шарикоподшипников . Харбинский технологический институт, магистерская диссертация Харбинского технологического института, Харбин.

Google Scholar

Чжан, Ю.К., и Чен, Дж. Дж. (2008). Нелинейные динамические характеристики системы подшипник качения – ротор с учетом волнистости поверхности. Дж. Аэрокосмическая Энергия . 23, 1731–1736. DOI: 10.13224 / j.cnki.jasp.2008.09.019

CrossRef Полный текст

Чжао, К.Л. (1992). Механизм и контроль вибрации радиальных шарикоподшипников [D] . Лоянский технологический институт, магистерская диссертация Лоянского технологического института, Лоян.

Приложение

Обозначение

A , амплитуда волнистости (мкм)

A _{i max} , максимальная амплитуда волнистости внутреннего кольца (мкм)

A _{o max} , максимальная амплитуда волнистости внешнего кольца (мкм)

α , Угол между смещением внутреннего кольца и радиальной силой (°)

β , Угол между усилием и телом качения (°)

c ₀ , скорость звука в воздухе (м / с)

D _w , Стандартный диаметр ролика (мм)

D _{w 0} , диаметр k-го ролика (мм),

E , Модуль упругости (Па)

Σ _ρ Основная кривизна

e _δ , Кривизна контакта

F _r , Радиальная нагрузка (кН)

к , Номер мяча

k _e , Первый тип эллиптического интеграла

N _b , подшипник качения количество

N _w , волновое число

P _i , амплитуда волнистости внутреннего кольца (мкм)

P _o , амплитуда волнистости внешнего кольца (мкм)

P _k , изменение волнистости внутреннего и внешнего колец (мкм)

p _zi , звуковое давление, создаваемое каждым источником звука (Па)

p _i , уровень звукового давления каждого тела качения (Па)

p _e , эффективное значение звукового давления (Па)

p _ref , эталонное звуковое давление (Па)

p _z , общее звуковое давление (Па)

p _г , общее звуковое давление катка (Па)

p , звуковое давление одиночного ролика (Па)

ρ ₀ , плотность воздуха

Q , Контактная нагрузка (кН)

r _i , радиус внутреннего кольца (мм)

r _o , радиус наружного кольца (мм)

u ₀ , амплитуда колебаний (м)

W _k , kth Контактное усилие (кН)

ω _c Скорость вращения тела качения (рад / с)

ω _i , угловая скорость внутреннего кольца (рад / с)

ω _o , угловая скорость внешнего кольца (рад / с)

φ , Угол между двумя телами качения (°)

δ Нормальная упругая деформация контакта ролика с дорожкой качения (мм)

δ _r , радиальное смещение внутреннего кольца (мм)

δ _k , радиальное смещение ролика (мм)

μ , Параметр, связанный с кривизной контакта

θ _k , угол между шаром k и направлением смещения центра внутреннего кольца

Конструкция и применение роликовых подшипников

Роликовые подшипники являются аналогом шариковых подшипников, и, как следует из названия, в этом типе подшипников ролики используются вместо шариков для разделения внутреннего и внешнего кольца подшипника.Несмотря на метод разделения, конструкция и конструкция шариковых и роликовых подшипников очень похожи, однако их применение и характеристики имеют некоторые различия. Основное назначение подшипников этого типа – обеспечить высокую производительность за счет уменьшения трения вращения при высокой осевой и радиальной нагрузке.

Конструкция роликовых подшипников

Как упоминалось выше, конструкция и конструкция роликовых подшипников аналогичны шариковым подшипникам, поскольку в обоих типах подшипников используются два кольца; внутреннее кольцо и внешнее кольцо.Тем не менее, в шарикоподшипниках разделительной средой, используемой для отсоединения внутреннего кольца от внешнего кольца, являются шарики, а в роликовых подшипниках цилиндрические ролики используются для отделения обоих колец. Точно так же много различных типов шариковых подшипников также доступны в роликовых подшипниках.

Применение роликовых подшипников

Поскольку разные типы роликовых подшипников предлагают различное сочетание характеристик, таких как производительность, скорость, надежность, грузоподъемность, долговечность и точность, они используются в широком спектре устройств и в нескольких различных отраслях промышленности.Некоторые из широко используемых применений роликовых подшипников – это авиационные грузовые системы, двигатели, сельское хозяйство, тяжелое оборудование и машины, солнечные панели, медицинское оборудование, автомобильная промышленность, электростанции и многие другие.

Типы роликовых подшипников

Существуют тысячи различных типов роликовых подшипников; Популярная подшипниковая компания AST предлагает более 2400 типов шарикоподшипников, которые облегчают вам выбор наиболее подходящего. Из-за большого количества различных моделей и типов роликовые подшипники подразделяются на несколько основных категорий в зависимости от их основной конструкции и конструкции.Ниже приведены некоторые из самых популярных и широко используемых типов шарикоподшипников.

Подшипники роликовые цилиндрические

Как следует из названия, цилиндрические роликоподшипники представляют собой особый тип роликовых подшипников, в которых цилиндры используются в качестве тела качения и разделяющей среды. Благодаря внутренней плоской поверхности подшипники этого типа имеют большую площадь контакта на внутреннем и внешнем кольцах. Цилиндрические роликоподшипники наиболее подходят для применений, где требуются высокая производительность и высокая грузоподъемность.

Конические роликоподшипники

Конические роликоподшипники бывают разных размеров и конструкций; В отличие от большинства других типов подшипников, в конических роликоподшипниках внешнее кольцо называется чашкой, а внутреннее кольцо – конусом из-за их формы. Этот тип подшипника обычно состоит из четырех основных элементов: чашки, конуса, конических роликов и сепаратора, который удерживает эти ролики в нужном месте.

Расчет трения подшипника – частота вибрации подшипника

Подшипник трения

Подшипники качения, такие как шарикоподшипники и роликоподшипники, используются в оборудовании прежде всего потому, что они выдерживают нагрузки, присущие работе машины, при гораздо более низком уровне трения, чем любой подшипник с масляной пленкой, такой как бронзовый или баббитовый.Это снижает мощность, необходимую для привода оборудования, снижает начальную стоимость первичного двигателя и энергию для его работы. Хотя их иногда называют «антифрикционными» подшипниками *, в каждом шарикоподшипнике и роликовом подшипнике присутствует небольшое трение или сопротивление вращению. Источниками этого трения являются небольшая деформация тел качения и дорожек качения под нагрузкой, а также трение скольжения тел качения о сепаратор и направляющие поверхности. Различные типы подшипников из-за их внутренней конструкции приводят к несколько разным величинам внутреннего трения.

Таблица III

Тип подшипника	Коэффициент трения – μ
Радиальный шарикоподшипник	.0015
Радиально-упорный подшипник	.0020
Цилиндрический роликоподшипник, сепаратор	.0010
Цилиндрический роликоподшипник, полный комп.	.0020
Конический роликоподшипник	.0020
Сферический роликовый подшипник	.0020
Шаровой упорный подшипник	.0015
Цилиндрический роликовый упорный подшипник	.0050
Конический роликовый упор Brg. Клетка	.0020
Конический роликовый упор Brg. Полный Comp	.0050

Сила трения будет просто: Сила = Ρ x μ

Еще одним фактором внутреннего трения подшипника является смазка, консистентная смазка или масло, которые постоянно отталкиваются, когда тела качения циркулируют по дорожкам качения.Коэффициенты трения для различных типов подшипников основаны на эталонном значении вязкости смазочного материала 20 сСт / 100SUS при рабочей температуре подшипника. Коэффициенты трения для различных типов подшипников показаны в Таблице III.

Если для приложения требуется более точный расчет трения подшипника с учетом влияния скорости и смазки, обратитесь в отдел продаж American. Для разработчика оборудования более важным, чем сила трения, является величина момента трения, которую необходимо преодолеть.Этот параметр легко рассчитать по следующей формуле:

где:

P = эквивалентная нагрузка на подшипник

μ = коэффициент трения

дм = диаметр шага подшипника

Наконец, количество энергии, потребляемой трением подшипника, можно легко рассчитать, используя соответствующую формулу системы СИ или британской системы мер, зная крутящий момент сопротивления и число оборотов в минуту.

Коэффициенты частоты вибрации

Все больше и больше производителей и конечных пользователей используют вибрационный анализ для контроля работы своего оборудования с целью обнаружения начала отказа компонентов.Основными подозреваемыми являются подшипники и шестерни, два компонента, которые в процессе эксплуатации подвергаются наибольшим нагрузкам. Однако другие компоненты машины, подверженные циклическим нагрузкам, также могут выйти из строя и в конечном итоге выйти из строя. Часто между износом и полным отказом существует промежуток времени, когда компонент машины сообщает о своем состоянии повышенным уровнем вибрации или шума. Повышение уровня вибрации может повлиять на качество производимой продукции, но самая большая ценность вибрационного мониторинга – это раннее предупреждение о надвигающейся неисправности.Это позволяет операторам установки планировать удобное время простоя, а обслуживающему персоналу – эффективно планировать процедуру демонтажа и замены. Еще одно преимущество предвидения надвигающегося отказа компонента – это возможность удалить компонент до полного отказа, таким образом предотвращая попадание частей отказавшего компонента в другие компоненты и их повреждение.

Подшипник, как шестерня или другой компонент машины, может предсказуемо генерировать импульс, частота которого напрямую зависит от входного числа оборотов машины.Когда спектр мониторинга вибрации указывает на более высокую, чем обычно, амплитуду на определенной частоте, анализ переходит к сопоставлению этой частоты с компонентом машины, который может генерировать эту частоту, таким образом идентифицируя причину и исключая другие компоненты из рассмотрения.

Каждый типовой подшипник состоит из четырех основных компонентов, и в случае повреждения может генерировать импульс с разными частотами, пропорциональными рабочему числу оборотов подшипника. Эти компоненты подшипника представляют собой сепаратор, внешнее кольцо, внутреннее кольцо и тела качения.Компания American может предоставить для каждого подшипника, который мы производим, фундаментальные частотные коэффициенты для каждого из четырех компонентов. При умножении на число оборотов подшипника каждый коэффициент будет указывать ожидаемую частоту или гармоники, которые будут обнаружены при анализе колебаний. Это предполагает, что на каждом компоненте подшипника может возникнуть дефект, который может быть началом усталостного выкрашивания, вмятины на части другого компонента или какого-либо другого типа износа или повреждения. Четыре основных коэффициента частоты:

• F _клетка
• F _{внешнее кольцо}
• F _{внутреннее кольцо}
• F _ролик

Производители и пользователи оборудования должны знать основные частоты, которые может генерировать каждый компонент машины, и сохранять в файле все эти значения для справки.

Фактор сепаратора, F _{сепаратор} , связан с числом оборотов сепаратора по сравнению с внутренним кольцом радиального подшипника и вращающимся кольцом упорного подшипника. Для упорного подшипника с углом наклона 90 градусов оно составляет 0,500, в то время как для большинства радиальных подшипников оно немного меньше 0,500. Типичное значение может быть 0,410, и это означает, что клетка будет делать 41 оборот на каждую сотню, которую делает внутренняя обойма.

Коэффициенты внутреннего и внешнего кольца связаны с тем, как часто ролик проходит через дефект, например, небольшую вмятину на траектории ролика.При вращающемся внутреннем кольце значение внутреннего кольца F _{всегда больше, чем значение внешнего кольца} F _{. Фактор качения, F ролик или F мяч , относится к частоте вращения элемента и дефекта, контактирующего как с внутренним, так и с внешним кольцами во время каждого оборота. Свяжитесь с отделом продаж American Roller Bearing, чтобы узнать о фундаментальных частотных коэффициентах наших подшипников.}

Подшипники, которые мы предлагаем

Компания

American Roller Bearing в основном производит подшипники для тяжелых условий эксплуатации, которые используются в различных отраслях промышленности в США и во всем мире.Наши подшипники промышленного класса не только должны обеспечивать длительный срок службы по критерию усталости при качении, но они также должны сохранять целостность конструкции от ударов, перегрузок и случайных скачков на высокой скорости. Для этого была оптимизирована конструкция каждого подшипника для тяжелых условий эксплуатации, включая наши подшипники с большим внутренним диаметром.

Нажмите здесь, чтобы запросить ценовое предложение, или позвоните нам по телефону 828-624-1460

Типы подшипников – Принцип работы подшипников

Существует много типов подшипников, каждый из которых используется для разных целей.К ним относятся шариковые подшипники, роликовые подшипники, упорные шариковые подшипники, упорные роликовые подшипники и упорные конические роликоподшипники.

Шариковые подшипники

Шариковые подшипники , вероятно, являются наиболее распространенным типом подшипников. Их можно найти во всем, от роликовых коньков до жестких дисков. Эти подшипники могут выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки, и обычно используются в приложениях, где нагрузка относительно невелика.

В шарикоподшипнике нагрузка передается от внешнего кольца к шару и от шара к внутреннему кольцу.Поскольку мяч представляет собой сферу , он контактирует с внутренним и внешним кольцом только в очень маленькой точке, что помогает ему вращаться очень плавно. Но это также означает, что площадь контакта, удерживающая эту нагрузку, не так велика, поэтому при перегрузке подшипника шарики могут деформироваться или сдавить, что приведет к повреждению подшипника.

Роликовые подшипники

Роликовые подшипники , подобные показанному ниже, используются в таких приложениях, как ролики конвейерной ленты, где они должны выдерживать большие радиальные нагрузки.В этих подшипниках ролик представляет собой цилиндр , поэтому контакт между внутренним и внешним кольцом представляет собой не точку, а линию. Это распределяет нагрузку на большую площадь, позволяя подшипнику выдерживать гораздо большие нагрузки, чем шарикоподшипник. Однако этот тип подшипника не предназначен для выдерживания больших осевых нагрузок.

В разновидности этого типа подшипника, называемой игольчатым подшипником , используются цилиндры очень маленького диаметра. Это позволяет подшипнику помещаться в труднодоступных местах.

Упорный шарикоподшипник

Упорный шарикоподшипник , подобный показанному ниже, в основном используется для низкоскоростных приложений и не может выдерживать большие радиальные нагрузки. Барные стулья и проигрыватели Lazy Susan используют этот тип подшипника.

Упорный роликовый подшипник

Упорный роликовый подшипник , подобный показанному ниже, может выдерживать большие осевые нагрузки. Они часто встречаются в зубчатых передачах, таких как автомобильные трансмиссии, между шестернями, а также между корпусом и вращающимися валами.Цилиндрические шестерни, используемые в большинстве трансмиссий, имеют наклонные зубья – это вызывает осевую нагрузку, которая должна поддерживаться подшипником.

Конические роликоподшипники

Конические роликоподшипники могут выдерживать большие радиальные и осевые нагрузки.

Конические роликоподшипники используются в ступицах автомобилей, где они обычно устанавливаются парами в противоположных направлениях, чтобы они могли выдерживать тягу в обоих направлениях.

Динамическое моделирование и анализ подшипника качения с комплексным повреждением дорожки качения и элемента качения

Подшипник качения является очень важной частью механического оборудования и широко используется во вращающихся механизмах.В подшипниках качения могут возникать локальные дефекты во время работы, что может вызвать сложную вибрационную реакцию подшипников. Рассматривая вал и опору подшипника, установлена ​​динамическая модель подшипника качения с локализованным дефектом с четырьмя степенями свободы (DOF) на основе изменяющегося во времени смещения, а также исследованы вибрационные характеристики подшипника качения с локализованными дефектами в различных условиях. . Установленная модель подтверждается экспериментальными сигналами вибрации во временной и частотной областях.Результаты показывают, что вибрационная реакция на сложную неисправность является результатом сцепления единичной неисправности элемента качения и внешнего кольца. Влияние сложной неисправности на сигналы вибрации подшипника было проанализировано в трех условиях. С увеличением радиальной нагрузки, размера дефекта и скорости вращения амплитуда вибрации подшипника будет соответственно увеличиваться, что приведет к увеличению частоты отказов подшипника и уменьшению срока службы подшипника. Эта модель полезна для анализа вибрационной реакции подшипника качения при одиночной или сложной неисправности.

1. Введение

Подшипники качения в качестве основного механического компонента широко используются в прецизионных станках, транспортных средствах и аэрокосмическом оборудовании. Подшипники качения подвержены отказу, например, точечной коррозии, растрескиванию, растрескиванию и износу во время длительной работы. Вибрация и шум будут возникать при появлении локальных дефектов на дорожке качения или на поверхности тела качения подшипника. Дефекты могут отрицательно повлиять на работу машины и надежность вращающегося оборудования.Поэтому актуальным является создание динамической модели подшипника с локальным дефектом, которая может ускорить изучение характеристик отказа подшипника.

Было приложено много усилий для создания динамических моделей подшипников качения с локальными дефектами на внутренней или внешней поверхности дорожки качения. Макфадден и Смит [1] создали модель последовательности импульсов для анализа характеристик вибрации подшипника качения с точечным дефектом. Построена модель периодической импульсной силы с функцией Дирака и выявлено правило изменения вибрационных характеристик одноточечного дефектного подшипника качения при постоянной радиальной нагрузке.Су и Лин [2] расширили эту модель импульсной последовательности и проанализировали характеристики вибрации радиальных шарикоподшипников с одноточечным повреждением на поверхности под изменяющейся во времени нагрузкой. Принимая во внимание изменяющиеся во времени эффекты жесткости и распределение нагрузки на частоту изгибных колебаний колец подшипника, Петерсен и др. Разработали динамическую модель подшипника качения с двумя степенями свободы. [3]. Singh et al. В [4] подробно описан процесс перекатывания шарика по дефектной зоне наружного кольца. Было обнаружено, что несколько непрерывных коротких импульсных сил возбуждаются при выходе тела качения из дефектного края дорожки качения.Шахарохит и Кулкарни [5] создали конечно-элементную модель с локальными дефектами подшипника на внутреннем кольце и исследовали вибрационные характеристики подшипника в различных рабочих условиях. Принимая во внимание изменяющееся во времени отклонение возбуждения, контактную силу между роликами и внутренней или внешней дорожкой качения, а также влияние силы инерции, скольжения и других факторов, Wang et al. [6] создали многотельную динамическую модель цилиндрического подшипника для изучения вибрационной реакции локализованного дефекта.Принимая во внимание центробежную силу, гироскопический момент, кинетические характеристики клетки и другие факторы, Niu et al. [7, 8] установили динамическую модель дефектного подшипника с 6 степенями свободы для описания вибрационных характеристик системы при высокой скорости. Учитывая пленку смазочного масла, радиальный зазор, изменяющееся во времени смещение и жесткость, Ян и др. В [9] представлена ​​динамическая модель с 5 степенями свободы для подшипника с локальным дефектом, основанная на изотермической эластогидродинамической смазке (EHL). Учитывая силу скольжения тела качения и силу взаимодействия между сепаратором и дорожкой качения, Канг и др.[10] установили модель EHL.

Модель была предложена для расчета деформации на острых кромках Liu et al. [11], которые можно использовать для изучения изменяющихся во времени коэффициентов контактной жесткости и изменяющегося во времени возбуждения смещения между телом качения и краем дефекта, когда валок проходит через зону дефекта. В их дальнейшей работе была создана улучшенная модель анализа контакта дорожек качения для смазывания тел качения на основе модели изменяющейся во времени ударной силы локальных дефектов с различной формой кромок [12].Модель вибрационной реакции локального дефекта шарикоподшипников была представлена ​​Kong et al. [13], используя распределение контактных напряжений Герца.

Кроме того, в последние два десятилетия больше внимания уделяется сигналам вибрации подшипников качения с неисправными телами качения. Niu et al. [14] разработали динамическую модель локализованного дефекта на теле качения радиально-упорного шарикоподшипника, чтобы обсудить влияние дефекта шарика на вибрацию подшипника. Mishra et al. [15] построили динамическую модель, учитывающую влияние дефектов опор подшипников и тел качения, на основе метода графа связки.Чоудхури и Тандон [16] представили дискретную систему пружина-масса-демпфер с 3 степенями свободы для упрощения подшипника качения и построили силу возбуждения дефекта, используя последовательность прямоугольных импульсов. Арслан и Актюрк [17] создали модель «масса-пружина» для исследования влияния дефектных и исправных поверхностей тел качения на вибрацию подшипников с учетом дополнительного зазора. Пружинно-массовая система с 3 степенями свободы была представлена ​​Sassi et al. [18] для определения импульсной силы удара с использованием метода кинематической энергии и исследовали влияние дефекта шарика на вибрационную реакцию шарикоподшипника.Принимая во внимание контакт между дорожкой качения и шариком как систему амортизации пружины, Cheng et al. [19] построили нелинейную динамическую модель для исследования сигналов вибрации подшипника при различных неисправностях. Ян и др. В [20] представлена ​​модель корпуса подшипника ротора, в которой метод конечных элементов сочетается с методом сосредоточенных масс. Впоследствии было смоделировано влияние отказа тел качения на подшипниковую систему ротора. В сочетании с моделью нелинейной пружины в точке контакта элемента и дорожки качения Yuan et al.[21] построили многотельную динамическую модель для изучения влияния отдельного дефекта и дефекта композита (включая дефект шарика) в присутствии различных компонентов подшипника.

Для изучения характеристик вибрации, вызываемой одним или несколькими повреждениями (сложными неисправностями) одновременно в подшипниках, были созданы различные динамические модели для дальнейшего моделирования и анализа. Патель и др. [22, 23] построили динамическую модель с 6 степенями свободы для анализа вибрационных характеристик одиночного разлома и сложного разлома на внутренней и внешней кольцевой поверхности радиального шарикоподшипника.Yaqub et al. В [24] построена динамическая модель многоточечного дефекта композитного дефектного подшипника с учетом влияния распределения локализации дефектов на вибрационные характеристики подшипника. Учитывая возбуждение муфты, изменяющееся во времени смещение и скольжение роликов, Ван и др. [25] построили модель системы подшипник-постамент с 4 степенями свободы для исследования механизма реакции сложной вызванной разломом силы и возбуждения смещения. Для изучения характеристик вибрационных сигналов, возбуждаемых подшипником с многоточечным повреждением, Игараши [26] разработал модели двухточечного повреждения на внутренней и внешней дорожке качения подшипника, соответственно.Модель конечных элементов подшипника с многоточечным повреждением была смоделирована для детального анализа характеристической частоты сигнала вибрации, вызванного каждой точкой повреждения [27]. Лю и др. [28, 29] предложили персонализированный метод диагностики неисправностей, основанный на моделировании методом конечных элементов и машине экстремального обучения. Этот метод может сделать результаты обнаружения неисправностей более точными и выявить неисправности более эффективно.

Несмотря на то, что было много достижений в исследованиях характеристик вибрационной реакции, вызванной составным дефектным подшипником, особенно составным дефектом на внутренней и внешней поверхности дорожки качения, несколько работ были сосредоточены на сложных дефектах на поверхности тела качения и внешней дорожки качения.В этой статье, учитывая влияние возбуждения муфты и возбуждения изменяющегося во времени смещения, построена 4-степенная динамическая модель радиального шарикоподшипника с составным дефектом. Модель подтверждена экспериментальными результатами. Механизм вибрационной реакции, вызванной составным разломом, исследуется в различных условиях.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 представлена ​​динамическая модель радиального шарикоподшипника с четырьмя степенями свободы и сложной структурой неисправности. В разделе 3 вводится динамическое уравнение.В разделе 4 смоделированные сигналы модели анализируются и сравниваются с экспериментальными результатами. В разделе 5 исследуется вибрационная характеристика одиночного и сложного разлома в различных условиях. В последнем разделе представлены выводы.

2. Создание динамической модели

Для упрощения системы вал-подшипник-опора, показанной на Рисунке 1 (а), в этой модели сделаны следующие разумные допущения: (i) Контакт тел качения с дорожкой качения осуществляется по Герцу и пластической деформацией материала контактной поверхности можно пренебречь (ii) тела качения распределены равномерно (iii) как инерционным эффектом тела качения, так и моментом гироскопа пренебречь в условиях средней и низкой скорости (iv) ранний дефект подшипника, глубина и ширина дефекта намного меньше диаметра шарика; радиус кривизны края дефекта намного меньше, и им можно пренебречь.

Контакт между телом качения и внутренней и внешней дорожкой качения упрощен как система масса-пружина-демпфер.Упрощенная модель с четырьмя степенями свободы для системы подшипников показана на рисунке 1 (б). и – контактная жесткость и демпфирование между внутренним кольцом и валом соответственно; жесткость контакта между наружным кольцом и опорой подшипника составляет и демпфирование.

2.1. Дефект шарика

Дефект тела качения может контактировать с внутренней или внешней дорожкой качения во время вращения подшипника качения. Из-за непредсказуемости траектории вращения шара предполагается, что дефект тела качения имеет только плоское движение.

Схематическое изображение контакта внутренней дорожки качения и тела качения с локальным дефектом показано на рисунке 2. Дефект определяется как прямоугольный скол в этой модели, L – ширина повреждения, – глубина. , R – радиус тела качения, скорость вращения подшипника и скорость вращения тела качения.

Когда дефект элемента контактирует с внешней или внутренней дорожкой качения, радиальная упругая деформация мгновенно изменяется.Радиальная упругая деформация выражается как позиционный угол тела качения j , скорость вращения сепаратора, радиальный зазор, Z – количество тел качения; x – это горизонтальное смещение, y – вертикальное смещение, это изменяющееся во времени радиальное смещение и величина переключения.

Максимальные радиальные смещения во внутреннем и внешнем кольцах равны и, как показано на рисунке 3, соответственно, что может быть выражено следующим образом: где и – радиус дорожки качения внутреннего и внешнего кольца, соответственно.

Дефект на поверхности тела качения будет контактировать с внешней и внутренней дорожкой качения каждый раз в течение одного цикла; поэтому каждый раз возбуждается ударный импульс. Предполагается, что шар – поврежден; тогда положение дефекта на поверхности тела качения в момент времени t показано в следующем уравнении: где – начальный позиционный угол дефекта шарика, и он определяется как угол между дефектом элемента и радиальным радиусом внешнюю точку контакта дорожки качения, как показано на Рисунке 4 (а).

Если дефект на поверхности тела качения касается внутренней дорожки качения или внешней дорожки качения, как показано на рисунке 3, радиальное смещение изменится, и должно выполняться следующее уравнение: где угол повреждения; r – радиус тела качения.

На основании вышеизложенного анализа радиальное смещение, вызванное контактом дефекта на теле качения с внутренней или внешней дорожкой качения, может быть получено следующим образом:

Когда дефект на теле качения контактирует с внешней дорожкой качения, в уравнении (1) следует [30]:

При контакте дефекта тела качения с внутренней дорожкой качения: где – число оборотов тела качения.

Когда дефект тела качения касается внешней дорожки качения,

Когда дефект тела качения касается внутренней дорожки качения,

2.2. Внешний дефект

Когда локальный дефект на внешней дорожке качения контактирует с телом качения, контактное напряжение на контактных поверхностях может внезапно измениться, что приведет к ударной вибрации. Предполагая, что повреждение внешней дорожки качения является точечным, ширина составляет b , глубина равна, а угол повреждения равен.

Локализованный дефект на внешней дорожке качения подшипника можно описать, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 (a) показывает, что, когда элемент качения катится по локальному дефекту в определенной точке внешней дорожки качения, деформация i -й элемент качения можно выразить следующим образом: где – позиционный угол i -го элемента качения, – частота вращения сепаратора, – радиальный зазор, – Z – количество тел качения; x – это горизонтальное смещение, y – вертикальное смещение, это изменяющееся во времени радиальное смещение тела качения, проходящего через дефект на внешней дорожке качения, и величина переключения.

Когда тело качения сталкивается с локализованным дефектом на внешней дорожке качения, максимальное изменяющееся во времени смещение дорожки качения может быть задано следующим образом:

может быть получено с помощью следующего уравнения:

При качении и элемент входит в зону дефекта на внешней дорожке качения подшипника, определяется следующим уравнением: где – угол повреждения локального дефекта на внешней дорожке качения.

3. Динамическое уравнение

Контактная сила Герца между телом качения и дорожками качения зависит от того, находится ли тело качения в положении зоны нагрузки или нет.Как показано на рисунке 5, когда шарик находится в зоне разгрузки, это означает, что ролик качения не находится в прямом контакте с дорожкой качения. В противном случае тело качения и дорожки качения находятся в контакте Герца. Поэтому для оценки положения тела качения в зоне нагрузки используется функция Дирака, как показано в (18).

Упростите каждый элемент качения как параллельную систему демпфирования массы и пружины (показано на рисунке 1 (b)).

Жесткость контакта тел качения тела качения с внутренней или внешней дорожкой качения рассчитывается по следующему уравнению [31]: где E – модуль упругости, – коэффициент Пуассона; и – жесткость контакта между телом качения и наружной и внутренней дорожками качения соответственно; – кривизна и – контактное смещение внутренней дорожки качения соответственно; – кривизна и – контактное смещение внутренней дорожки качения соответственно.

Как показано на рисунке 6, жесткость контакта тела качения с внутренней и внешней дорожками качения эквивалентна:

На основе теории контакта Герца соотношение между контактной нагрузкой и смещением подшипника качения определяется как контакт Герца. жесткость.

и – полные контактные силы Герца в горизонтальном и вертикальном направлениях, которые можно выразить следующим образом: где

Радиальная деформация с единичным дефектом на поверхности тела качения составляет

Общая радиальная деформация с составным дефектом составляет

, где – изменяющееся во времени смещение, когда элементы качения перекатываются, дефект на внешней дорожке качения и дефект контакта тела качения с внутренней или внешней дорожкой качения показано следующим образом: где и – приложенные нагрузки системы подшипников качения в направлениях X и Y соответственно.

В соответствии с рисунком 7 показана блок-схема решения (21) на основе метода Рунге – Кутты четвертого порядка.

4. Экспериментальная проверка

4.1. Экспериментальная испытательная установка

Испытательная установка MFS, произведенная Spectra Quest Incorporation (SQI), используется для проверки локального повреждения на внешней дорожке качения и поверхности тела качения подшипника, что показано на Рисунке 8. В этом эксперименте вал приводился в движение. 3-фазным двигателем переменного тока мощностью 1 л.с. при 1750 об / мин. Двигатель соединен с валом упругой муфтой.Вал опирался на два радиальных подшипника ЭР-16к; один – локализованный дефект подшипника, а другой – здоровый подшипник. Радиальная нагрузка 50 Н была приложена к валу с помощью диска ротора 5,1 кг, установленного в середине двух подшипников. Плата сбора данных портативного устройства Spectra PAD, подключенного между акселерометром с помощью 3-канального кабеля для передачи данных и компьютером через порт USB, использовалась для сбора сигнала ускорения вибрации.

В эксперименте использован радиальный шарикоподшипник ЭР-16К.Испытательные подшипники с дефектами, изготовленными методом лазерного травления, показаны на рисунке 9, а конкретные параметры испытательного подшипника показаны в таблице 1.

Параметр Значение Единица Размер внутреннего кольца, 30,59 мм Размер внешнего кольца, 46,47 мм Размер шага, 38.51 мм Размер шарика, d 7,94 мм Количество шариков, Z 9 Радиальный зазор, 0,045 мм

Характеристическая частота внешней дорожки качения ( f _BPFO ) и тела качения ( f _BPB ) даны в следующих уравнениях [16]:

Для модели радиальная нагрузка установлена ​​на и.Начальные значения перемещений равны, и,, а начальная скорость равна 0 м / с.

4.2. Дефект шарика

В имитационной модели внешнее кольцо закреплено на опоре подшипника, а внутреннее кольцо вращается вместе с валом.

При скорости 1750 об / мин характерная частота составляет 135,5 Гц согласно (23).

Смоделированные сигналы вибрации подшипника с дефектом тела качения показаны на Рисунке 10. Когда локализованный дефект возникает на поверхности тела качения, в моделируемом сигнале во временной области возникают периодические сильные удары, как показано на Рисунке 10 (а). , и увеличенные сигналы моделирования ускорения от 1.На Рисунке 10 (b) приведены значения от 4 до 1,44 с. На Рисунке 10 (b) показано, что 5 импульсов генерируются, когда дефект тела качения контактирует с внутренней и внешней дорожками качения в течение 0,04 с. Между тем, интервалы времени между импульсами составляют примерно 7,38 мс, что равняется 1/ f _BPB . Из рисунка 10 (c) видно, что характеристическая частота повреждения ( f _BPB ) тела качения составляет 135,5 Гц, что соответствует теоретическому значению. Хорошо видны гармоники 2x и 3x of.

Неисправный ролик качения испытательного подшипника показан на Рисунке 9 (а). Диаметр дефекта на поверхности тел качения составляет 1,2 мм, что соответствует смоделированной модели. Сигналы вибрации испытательного подшипника как во временной, так и в частотной областях по результатам экспериментов показаны на рисунке 11. Увеличенные экспериментальные сигналы ускорения от 1,4 с до 1,43 с приведены на рисунке 11 (b). На рисунке 11 (b) показано, что интервалы времени между импульсами составляют примерно 7.38 мс, что равно 1/ f _BPB . Смоделированные сигналы и экспериментальные сигналы в основном согласованы во временной области. Таким образом, проверяется надежность предложенной модели.

Сравнивая рисунок 10 (c) с рисунком 11 (c), видно, что характеристические частоты неисправности тела качения по моделированному сигналу и экспериментальным результатам составляют 135,5 Гц и 136,5 Гц, соответственно. Относительная ошибка между экспериментальными и смоделированными результатами составляет 0,74% и очень мала.Установленная модель очень хорошо соответствует экспериментальным результатам; следовательно, эта модель верна и может быть использована для анализа реакции на вибрацию неисправного подшипника качения.

4.3. Compound Fault

Построена имитационная модель подшипника с составным дефектом, в которой ширина дефекта на внешней дорожке качения составляет 1,2 мм, а диаметр дефекта на поверхности тела качения – 1,2 мм. Дефект на внешней дорожке качения находится в положении «6 часов».

При скорости 1750 об / мин характеристическая частота f _BPFO равна 104.19 Гц на основе (22).

Смоделированные сигналы вибрации подшипника с составной неисправностью показаны на рисунке 12. Поскольку локализованные дефекты находятся на поверхностях как тела качения, так и внешней дорожки качения, на рисунке 12 (a) показано, что значительные периодические импульсы возникают в смоделированный сигнал во временной области. Увеличенные сигналы моделирования ускорения во временной области от 1,56 с до 1,66 с показаны на рисунке 12 (b). Из усиленной диаграммы во временной области видно, что импульсы A1 и A2 генерируются, когда элемент качения перекатывается по внешнему дефекту дорожки качения, а импульсы B1 и B2 возникают, когда дефект элемента качения контактирует с внутренней или внешней дорожкой качения.Между тем, интервалы времени между импульсами составляют примерно 9,3 мс и 7,38 мс, что равняется 1/ f _BPFO и 1/ f _BPB соответственно. Из рисунка 12 (c) видно, что f _BPFO и f _BPB составляют 104,4 Гц и 135,5 Гц, соответственно, что согласуется с теоретическим значением. Также отчетливо видны гармоники 2x и 3x f _BPFO и f _BPB .

Диаметр дефекта на поверхности тела качения испытываемого подшипника составляет 1,2 мм и показан на Рисунке 9 (а). Ширина и глубина дефекта на внешней поверхности дорожки качения испытываемого подшипника составляют 1,2 мм и 0,25 мм соответственно, что показано на Рисунке 9 (b). Дефекты при испытании подшипника соответствуют смоделированной модели.

Вибрационная характеристика испытываемого подшипника с комплексным отказом как во временной области, так и в частотном спектре эксперимента показана на рисунке 13.Увеличенные экспериментальные сигналы во временной области от 1,56 с до 1,66 с приведены на рисунке 13 (b). Из усиленной диаграммы во временной области видно, что импульсы A3 и A4 генерируются, когда элемент качения перекатывается по внешнему дефекту дорожки качения, а импульсы B3 и B4 возникают, когда дефект элемента качения контактирует с внутренней или внешней дорожкой качения. Между тем, временные интервалы между импульсами составляют примерно 9,3 мс и 7,38 мс, что равняется 1/ f _BPFO и 1/ f _BPB соответственно.Из рисунков во временной области ясно видно, что смоделированные и экспериментальные сигналы пеленга с составным отказом имеют периодическое воздействие во временной области.

Из рисунков 12 (c) и 13 (c) видно, что f _BPFO , f _BPB и их частота гармоник хорошо видны. Характерные частоты неисправностей f _BPFO и f _BPB составляют 104,7 Гц и 139,6 Гц соответственно.Относительные ошибки f _BPFO и f _BPB между экспериментальными и смоделированными результатами составляют 0,29% и 3,02% соответственно; Таким образом, имитационная модель согласуется с экспериментальными результатами. Относительные погрешности связаны с предварительным натягом, скольжением тел качения и другими факторами.

Сравнивая рисунок 10 (c) с рисунком 12 (c), можно ясно увидеть, что, когда подшипник качения имеет сложный дефект, амплитуды характеристической частоты дефекта больше, чем у подшипника с единичным дефектом.Вибрационная реакция подшипника с составной неисправностью является результатом объединения сигналов вибрации от одиночной неисправности на поверхностях тела качения и внешней дорожки качения.

5. Вибрационная характеристика подшипника качения с одиночным или сложным дефектом

5.1. Влияние нагрузки на вибрационную реакцию подшипника

при одиночном или сложном повреждении. приложенная нагрузка на подшипник увеличивается с 10 Н до 150 Н, амплитуды f _BPFO , f _BPB и их гармонические частоты могут быть показаны на Рисунке 14 для трех видов неисправности подшипника качения.

Из рисунка 14 видно, что характеристические частоты повреждения и их частоты гармоник не изменяются, но их амплитуды вибрационного сигнала будут увеличиваться с увеличением приложенной нагрузки. Когда приложенная к подшипнику нагрузка велика, ударная нагрузка, создаваемая телом качения по дефекту, будет большой, что соответственно увеличивает вибрационную реакцию подшипника.

5.2. Влияние размера дефекта на реакцию на вибрацию подшипника

при одиночном или сложном повреждении. Такие дефекты подшипника, как трещины, точечная коррозия, ямки и другие локальные дефекты, будут возникать в процессе эксплуатации, и размер этих дефектов будет постепенно увеличиваться.

При скорости вращения подшипника 1750 об / мин и приложенной нагрузке 50 Н ширина дефекта на внешней дорожке качения и диаметр дефекта на поверхности тела качения составляют 0,6, 0,9, 1,2 и 1,5 мм соответственно. Амплитуды характеристических частот повреждения и их гармонические частоты могут быть показаны на рисунке 15.

Из рисунка 15 видно, что соответствующие характеристические частоты повреждения и их частоты гармоник не изменяются; однако их амплитуды вибросигнала будут увеличиваться с увеличением размера дефекта от 0.От 6 мм до 1,5 мм. Увеличение размера дефекта подшипника приводит к увеличению внутренней возбуждающей силы; следовательно, амплитуды отклика вибрации подшипника будут соответственно более сильными. Это может в определенной степени объяснить взаимосвязь между размером дефекта и ударной реакцией возбуждения.

5.3. Влияние скорости вращения на реакцию на вибрацию подшипника с одиночным или сложным повреждением

Во время работы оборудования скорость вращения имеет большое влияние на стабильность системы подшипников, поэтому необходимо изучить реакцию на вибрацию компаунда. неисправность подшипника с разной скоростью.

Ширина дефекта на наружной дорожке качения подшипника 1,2 мм, диаметр дефекта на поверхности тела качения 1,2 мм, приложенная нагрузка 50 Н. Амплитуды характеристических частот повреждений и их гармонических частот могут быть равны показано на Рисунке 16 при скорости вращения 1550, 1650, 1750 и 1850 об / мин соответственно.

Из рисунка 16 видно, что при увеличении скорости вращения соответственно увеличиваются амплитуды характеристических частот неисправности и их частот гармоник.С увеличением скорости вращения возбуждается ударная вибрация подшипника; следовательно, амплитуда вибрации подшипника будет увеличиваться.

Сравнивая смоделированные сигналы в различных рабочих условиях, можно ясно увидеть, что с увеличением скорости вращения, размера дефекта и радиальной нагрузки соответственно увеличивается амплитуда вибрации подшипников. Однако увеличение скорости вращения и приложенной нагрузки оказывает большее влияние на амплитуду f _BPFO и f _BPB , которые усиливают вибрационное воздействие подшипника и увеличивают частоту отказов и сокращают срок службы. срок службы подшипника.

6. Выводы

(1) Принимая во внимание изменяющиеся во времени смещение и жесткость, была создана динамическая модель с 4 степенями свободы для подшипников качения с составным дефектом. Неисправность на телах качения введена в модель сложного повреждения. (2) Предложенная модель подтверждена экспериментальными результатами. Показано, что предложенная модель очень хорошо согласуется с экспериментальными данными, что может доказать правильность и осуществимость модели. (3) Влияние сложного повреждения на вибрационную реакцию подшипника было проанализировано в различных условиях.Результаты показывают, что как высокая скорость, так и большая нагрузка, очевидно, увеличивают амплитуду вибрации, а затем ускоряют выход из строя подшипника. (4) Движение тела качения более сложное во время реальной эксплуатации, и дефект на теле качения может не контактировать с дорожкой качения в течение каждого периода цикла. Эта проблема требует дальнейшего изучения в будущем.