Высокоскоростные подшипники

Высокоско-
ростные подшипники

Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники обычно используются в таком оборудовании, как винтовые, спиральные или центробежные компрессоры (рис. 1) и насосы.

Автор:
Гельмут Ландерл, руководитель проекта, SKF Österreich, г. Штайр, Австрия

Упорные шариковые подшипники

В отношении компрессоров и насосов наблюдается тенденция к увеличению удельной мощности за счёт повышения числа рабочих оборотов. Для удовлетворения таких требований SKF разработала новый ассортимент однорядных радиально-упорных шарикоподшипников. При этом рассматривались три аспекта — увеличение предельной частоты вращения на 40 %, уменьшение уровня шума и повышение жёсткости подшипника в неблагоприятных условиях эксплуатации (ударные нагрузки, перекос вала и т. д.). Кроме того, продукция SKF соответствует высоким требованиям в отношении энергосбережения и надёжности.

Резюме

Новые однорядные радиально-упорные шарикоподшипники SKF Explorer с углом контакта 25°, оснащённые латунным сепаратором новой конструкции и имеющие усовершенствованную геометрию дорожки качения, могут работать на значительно более высоких скоростях (до n × dm = 1 050 000 мм/мин), а в сложных условиях эксплуатации обеспечивают более надёжную работу, чем однорядные радиально-упорные шарикоподшипники SKF Explorer с углом контакта 40°.

Новый ассортимент подшипников с углом контакта 25° и диаметром отверстия 15–70 мм для серии 72 АС, а также 17–70 мм для серии 73 АС был представлен в апреле 2017 г. Изделия нового ассортимента поставляются со склада или в кратчайшие сроки.

Благодаря модульной конструкции однорядных радиально-упорных шарикоподшипников, при проектировании компрессоров нового поколения с повышенной надёжностью и эффективностью клиенты могут выбрать наиболее подходящий сепаратор, уплотнение и угол контакта, снижая тем самым совокупную стоимость владения для потребителей.

Центробежный компрессор.

Рис. 1: Центробежный компрессор.

Новые однорядные радиально-упорные шарикоподшипники SKF Explorer обладают следующими конструктивными особенностями:

  • угол контакта 25°;
  • новая конструкция сепаратора, более прочная латунь;
  • усовершенствованная геометрия дорожки качения.

Угол контакта 25°

Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники в стандартном исполнении имеют угол контакта 40°. В оборудовании с высокими требованиями к осевой жёсткости, например, в винтовых передачах станков, часто используются радиально-упорные шарикоподшипники с увеличенным углом контакта (например, 62°). Для подшипников, используемых в высокоскоростном оборудовании со средними осевыми нагрузками, предпочтителен меньший угол контакта (например, 15° или 25°).

Влияние углов контакта 40° и 25° на характеристики подшипника отражено в таблице 1.

Влияние углов контакта 40° и 25° на характеристики подшипника.

Таблица 1. Влияние углов контакта 40° и 25° на характеристики подшипника.

Кинематические эффекты в подшипниках при различных углах контакта (рис. 2)

Если однорядный радиально-упорный шарикоподшипник нагружен только в осевом направлении, результирующая сила контакта между шариками и кольцами увеличивается при уменьшении угла контакта. При вращении подшипника угол контакта меняется под действием центробежных сил (Fc). Точки контакта шариков с внутренним и наружным кольцами будут смещаться к наружной стороне. Такой эффект вызывает изменение угла контакта (∆α) и, следовательно, проскальзывание между шариками и кольцами. При воздействии одной и той же осевой нагрузки на однорядные радиально-упорные шарикоподшипники с различными углами контакта изменение угла контакта будет намного меньше у подшипников с меньшим углом контакта. На рис. 3 показано изменение угла контакта однорядного подшипника 7313 с углами контакта 40° и 25° при различных частотах вращения.

Кинематические эффекты в подшипниках с углами контакта 40° и 25°.

Рис. 2: Кинематические эффекты в подшипниках с углами контакта 40° и 25°.

Меньшее изменение угла контакта приводит не только к снижению проскальзывания между шариками и кольцами, но и к уменьшению сил, воздействующих на окно сепаратора. По этой причине подшипники с углом контакта 25° могут работать с более высокими частотами вращения без повреждения сепаратора.

Изменение угла контакта при различных частотах вращения.

Рис. 3: Изменение угла контакта при различных частотах вращения.

Новая конструкция латунного сепаратора

В оборудовании, работающем с высокими частотами вращения, сепаратор является чрезвычайно важной деталью подшипника. По этой причине для подшипников с углом контакта 25° был разработан новый латунный сепаратор. В новой конструкции были применены следующие усовершенствования:

  • тороидальная форма окон сепаратора (рис. 4);
  • уменьшенный угол оси окна сепаратора;
  • оптимизированный зазор окна сепаратора;
  • овальная форма окон сепаратора;
  • оптимизированная геометрия наружных поверхностей;
  • новый сорт латуни с пониженным содержанием свинца и улучшенными механическими свойствами.
Окна сепаратора в разрезе; слева: предыдущий вариант конструкции, комбинация цилиндра

Рис. 4: Окна сепаратора в разрезе; слева: предыдущий вариант конструкции, комбинация цилиндра (1) и конуса (2); справа: новая конструкция, комбинация цилиндра (3) и тора (4).

Геометрия окна сепаратора была оптимизирована в результате анализа методом конечных элементов. Все работы по моделированию осуществлялись с помощью самого современного собственного программного инструмента для моделирования параметров SKF BEAST. Был проведён анализ силы контакта между шариками и сепаратором для разной геометрии окон в различных условиях эксплуатации (рис. 5).

Контактные напряжения окна сепаратора.

Рис. 5: Контактные напряжения окна сепаратора.

Сравнительный анализ параметров для различных конструкций проводился методом конечных элементов. Однако для комплексной проверки новых изделий необходимы физичес­кие испытания. Помимо испытаний на прочность и трение для проверки эксплуатационных характеристик сепаратора проведена целая серия испытаний на высоких частотах вращения. По итогам успешного завершения испытаний предельная частота вращения для латунного сепаратора новой конструкции была увеличена примерно на 30 % (рис. 6).

Сравнение предельных частот вращения.

Рис. 6: Сравнение предельных частот вращения.

Благодаря оптимизированному контакту между шариками и сепаратором (тороидальная форма) температура на высоких частотах вращения остаётся более стабильной, при этом образование смазочной плёнки стало более эффективным. Благодаря овальной форме окон сепаратора, при которой зазор уменьшен в осевом направлении, уровень вибрации и шума снизился на 15 %.

Стоимость сепаратора

Для успешного продвижения нового изделия чрезвычайно важны два фактора: стоимость и преимущества для клиента.

Поэтому на протяжении всего процесса разработки особое внимание уделялось стоимости нового сепаратора. Высокая гибкость производственных процессов позволила получить более сложную геометрию изделий без дополнительных расходов на механическую обработку. Кроме того, использование кольцевых заготовок с меньшей площадью поперечного сечения (рис. 7) позволило сократить время обработки.

Кольцевые заготовки в разрезе (слева – предыдущая, справа – новая конструкция).

Рис. 7: Кольцевые заготовки в разрезе (слева – предыдущая, справа – новая конструкция).

Благодаря улучшенным эксплуатационным характеристикам латунный сепаратор новой конструкции заменит сепараторы для всего ассортимента однорядных радиально-упорных шарикоподшипников с углом контакта 40° серий 72 В (Е) и 73 В (Е), при этом обозначения подшипников останутся без изменений.

Усовершенствованная геометрия дорожки качения

Профиль дорожки качения шарикоподшипников обычно имеет форму дуги. В тяжёлых условиях эксплуатации с осевыми ударными нагрузками и перекосом вала эллипс контакта может достигать кромки заплечика (усечение), что приводит к увеличению пиковых напряжений. Такие неблагоприятные нагрузки могут являться причиной повреждения подшипника и его преждевременного выхода из строя. Для уменьшения подобного риска была усовершенствована геометрия дорожки качения для подшипников с углом контакта 25° путём добавления второй дуги (r2) с большей площадью контакта (рис. 8).

Новая конструкция – геометрия дорожки качения.

Рис. 8: Новая конструкция – геометрия дорожки качения.

ОБРАТИТЬСЯ В ОТДЕЛ СБЫТА

evolution@skf.com

Новая геометрия дорожки качения позволила существенно снизить риск усечения эллипса контакта. Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники с новой геометрией дорожки качения могут без усечения эллипса контакта воспринимать осевые нагрузки примерно в три раза выше, чем подшипники с постоянным радиусом дорожки качения. У дорожки качения с новой геометрией контактное давление незначительно увеличивается из-за уменьшения площади контакта. Размер такого увеличения зависит от осевой и радиальной нагрузок, действующих на подшипник. Для обычных условий эксплуатации увеличение контактного давления составляет менее 1 %.

SKF Explorer – зарегистрированный товарный знак SKF Group.

Материалы по теме