CC BY
36
УДК 621.833 : 628.517.2
В. А. Голубков, А. В. Голубков
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ КОЛЕЦ НА ВИБРОАКТИВНОСТЬ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ
Проанализированы спектральные характеристики сил, вызывающих вибрацию шарикоподшипника, связанную с дефектами его элементов, а также неоднородностью физико-механических свойств материала.
Ключевые слова: вибрация, подшипник, неоднородность.
Экспериментальные исследования показывают, что упругие свойства элементов шарикоподшипника зависят не только от их дефектов, радиусов кривизны, материала, но также в значительной степени определяются неоднородностью структуры материала. Влияние неоднородности на возникновение сил, вызывающих вибрацию, и предстоит проанализировать.
Для анализа упругих свойств материала колец по дну желоба были выбраны подшипники марки 180605. Для того чтобы определить, с каким шагом целесообразно измерять конструктивные параметры колец по дну желоба колец, необходимо оценить геометрические размеры пятна контакта шарика с кольцами [1]. Габаритные размеры подшипника следующие: внутренний диаметр подшипника ё = 25 мм, наружный диаметр Б = 62 мм, ширина В = = 24 мм, диаметр шарика ё0 = 11,509 мм, число шариков т = 7.
Внутренние размеры подшипника:
— радиус поперечного профиля дорожек качения колец г = 0,515 ^ = 5,927 мм;
— наименьшая толщина колец по желобу И = 0,5 ^~~~-ё0 ^ = 3,496 мм;
— радиус наименьшей окружности дорожки качения внутреннего кольца и наибольшей окружности наружного кольца Я = ё/2 + И = 15,9955 и ^ = Б/2 - И = 27,5045 мм соответственно.
Величина усилия, приходящегося на наиболее нагруженный шарик при воздействии статической нагрузки Q = 84 Н, определяется по следующей формуле:
Р0 = 5Q / т = 60 Н.
Упругая постоянная соприкасающихся тел в случае, если модуль упругости стали
3 2
Е = 212-10 Н/мм , а коэффициент Пуассона ц = 0,3:
П = 2(1-|д)/Е = 8,585-10-6 мм2/Н.
Учитывая главные кривизны соприкасающихся тел (шарика с кольцами) р* и геометрический параметр т* этих тел при начальном угле контакта 00= 15,642°
Р* =— + (-1)*-—^---, Р1 = 0,144, р2 = 0,239,
9 ё0 Я* + (-1)*г (1 - сов Р0) г
4 , ( пд_ с°Э р0 1
К* +
сов в0 . 1
(-1)*--+-
Я* + (-1)*г (1 - сов Р0) г
т* =---0-, т1 = 0,9283, т2 = 0,9705,
Р*
42
В. А. Голубков, А. В. Голубков
по таблице [2] находим значения вспомогательных коэффициентов па=3,55 и пу= 0,428 для наружного кольца (#=1), используя которые, рассчитываем размеры полуосей эллипса площадки контакта наиболее нагруженного шарика с наружным кольцом
а = па 3Г П Р<0 = 0,622 мм,
Ь = пь 3рЛА = 0,075 мм.
2 Р1 \ 2 Р2
Таким же образом определяется размер площадки контакта того же шарика с внутренним кольцом при па=4,38, пЬ= 0,384: а = 0,65, Ь = 0,057 мм.
Принимая во внимание геометрические размеры колец и площадок контакта, для определения упругих свойств колец целесообразно на наружном кольце делать не более 2300 замеров по дну желоба беговой дорожки, а на внутреннем — не более 1700.
Оценка упругих свойств колец основана на измерении перемещения шарика при изменении нагрузки на величину АР. Это перемещение пропорционально деформации в точках контакта кольца с шариком. Нагрузки Р0 и АР выбирались исходя из известных действующих нагрузок.
На рис. 1 представлена конструкция прибора для анализа физико-механических свойств колец шарикоподшипников (а — внутреннего кольца; б — наружного): 1 — оправка, 2 — кольцо, 3 — шайба, 4 — гайка, 5 — шарик, 6 — рычаг, 7 — измеритель перемещения.
а)
б)
//{¿и/
Р0
чЧ //// Г/ 7 / У),
Л*?
////
жшхш
Рис. 1
Согласно теории Герца—Беляева, силу упругости, действующую со стороны /-го шарика на ф-е кольцо, можно представить следующим образом:
= КчЬ%2е(ЬЧ1),
где Ьф — деформация /-го шарика в контакте с ф-м кольцом; — конструктивный коэффициент.
В эксперименте использовались кольца наружные и внутренние шарикоподшипников типа 180605, изготовленных по технологии общего потока.
Измерения приращений деформаций Аб^ проводились в 256 точках, равномерно распределенных по окружности беговых дорожек при изменении нагрузки Р0 на величину АР . Деформация в каждой точке контакта определялась путем осреднения многократных измерений при приложении и снятии нагрузки АР . Погрешность измерений перемещений шарика составила 0,01 мкм.
Конструктивный параметр кольца рассчитывался по формуле
К = АР
7
1
2
3
1
Результаты расчета по измеренным данным для наружного кольца представлены на рис. 2 (п — номер точки измерения). Видно, что значения К в зависимости от точки на беговой дорожке кольца изменяются в широком диапазоне. Амплитуды гармоник спектрального разложения отклонений конструктивного параметра К от его среднего значения для наружного кольца представлены на рис. 3 (Ы — номер гармоники).
К, 105 Н/мм3/2
128
256 n
Рис. 2
K, 105 Н/мм3/2
0,3
0,2
0,1
к
50
Рис. 3
100
128 N
Дополнительные спектральные составляющие вынуждающих сил, обусловленные технологическими погрешностями изготовления и сборки шарикоподшипников, с учетом неоднородности физико-механических свойств материала имеют широкий диапазон, они представлены в работе [3].
Анализ показывает, что неоднородность физико-механических свойств материала подшипника в значительной степени влияет на его виброактивность. Учет фактора неоднородности материала элементов подшипника позволяет объяснить многие спектральные составляющие вибрации, которые до сих пор не находили своего подтверждения, и более точно оценивать ресурс работы электромеханических устройств, в состав которых входят шарикоподшипники.
5
0
0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Приборные шариковые подшипники. Справочник / Л. К. Волков, Г. А. Веркович, В. А. Голубков и др. М.: Машиностроение, 1981. 351 с.
2. Эльперин А. И. и др. Диагностирование динамики систем трения. СПб: Наука, 1998. 142 с.
3. Ефимов А. А., Голубков В. А., Голубков А. В. Гармонический анализ сил, вынуждающих вибрацию в опорах качения // Сб. докл. „Завалишинские чтения". СПб: ГУАП, 2007. С. 51—54.
Виктор Александрович Голубков
Александр Викторович Голубков
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра электротехники и технической диагностики; E-mail: [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра электротехники и технической диагностики; ассистент; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой электротехники и технической диагностики
Поступила в редакцию 29.12.09 г.
