Согласно международному стандарту ISO подшипник с максимальным количеством тел качения определяется как бессепараторный. Когда этот стандарт разрабатывался, технические возможности не позволяли создать подшипник, имеющий сепаратор наряду с максимальным количеством тел качения. Но времена меняются…

В год празднования 100-летнего юбилея компании SKF дух инноваций, присущий ее создателям, по-прежнему живет среди нас. Сегодня, как и в 1907 г., ученые и инженеры компании ведут постоянную работу по оптимизации ресурса подшипников качения и повышению надежности работы машин.

Один из последних примеров — разработка нового цилиндрического роликоподшипника повышенной грузоподъемности, уникальная особенность которого состоит в том, что существенное увеличение грузоподъемности было достигнуто при сохранении его стандартных габаритных размеров.

Инженеры SKF создали подшипник, который сочетает грузоподъемность, сравнимую с грузоподъемностью подшипника с максимальным количеством тел качения, с достоинствами сепараторного подшипника (рис. 1).

Когда в 1960 г. SKF выпустила на рынок цилиндрический роликоподшипник исполнения Е, это событие было расценено как важный шаг на пути дальнейшего совершенствования конструкции стандартных цилиндрических роликоподшипников. В 1980 г. был разработан подшипник исполнения ЕС, обладавший повышенной осевой грузоподъемностью, а в 2002 г. было начато производство цилиндрических роликоподшипников класса SKF Explorer.

Подшипники SKF Explorer не только изготавливались из высококачественных материалов и проходили улучшенный процесс термообработки, но и имели улучшенную микрогеометрию, благодаря которой они по-прежнему недосягаемы для конкурентов.

Применение накопленных знаний и фирменного программного обеспечения позволило инженерам SKF усилить смазочный эффект масляной пленки и уменьшить коэффициент трения внутри подшипника.

 

Краткие сведения о грузоподъемности

 

Грузоподъемность рассчитывается по стандартной методике ISO 76 и ISO 281. Согласно этой методике, существует два способа увеличения грузоподъемности подшипника при сохранении его стандартизованных габаритных размеров:

• Увеличение размеров роликов при неизменном их количестве.
• Увеличение количества роликов при неизменных размерах роликов.

  С практической точки зрения, первый метод чреват возникновением технических проблем, поскольку увеличение размеров роликов возможно лишь за счет уменьшения толщины внутреннего и наружного колец и ширины боковых бортов. Если в результатах теоретических расчетов грузоподъемности такие изменения никак себя не обнаруживают, то на практике они вызывают уменьшение жесткости колец и прочности бортов. Это означает повышенный риск микросмещений наружного кольца в отверстии корпуса и, следовательно, риск возникновения фреттинг-коррозии или сползания наружного кольца. Кроме того, увеличение размеров роликов повышает риск проскальзывания вследствие повышенного момента инерции. Хотя первый метод впечатляюще выглядит на бумаге, его все же нельзя признать удовлетворительным.

  Второй метод, напротив, весьма перспективен, поскольку позволяет на базе ранее улучшенной макро- и микрогеометрии цилиндрического роликоподшипника исполнения Е увеличить его грузоподъемность, сохранив изначальные размеры роликов и толщину стенок колец этого апробированного подшипника, который выпускается вот уже 45 лет.

   

  «Увеличьте количество роликов» – сказать легче, чем сделать

   

  Существует два типа подшипников: сепараторные и бессепараторные. Бессепараторные подшипники вместо сепаратора имеют максимальное количество тел качения. В подшипниках этого типа ролики находятся в непосредственном контакте друг с другом, что вызывает проскальзывание, увеличение трения и теплоотдачи. При определенных условиях это приводит к износу и преждевременному выходу из строя этих подшипников и делает их непригодными для тех случаев, когда подшипник должен вращаться с высокой частотой. Таким образом, наличие сепаратора необходимо для нормальной работы подшипника в условиях высоких частот вращения.

  Средне- и крупногабаритные цилиндрические роликоподшипники стандартного исполнения комплектуются механически обработанным латунным сепаратором, главная функция которого – предотвращение контакта между роликами. Разделительные ячейки сепаратора, которые обычно располагаются на уровне начальной окружности ролика (окружность, соединяющая средние точки всех роликов), имеют рассчитанное на максимальную прочность поперечное сечение, которое ограничивает теоретически возможное количество роликов. Однако если изменить высоту расположения ячеек сепаратора, то ролики будут располагаться ближе друг к другу, а освободившееся пространство можно использовать для размещения дополнительных роликов.

  Для решения этой задачи SKF разработала новую конструкцию стального се паратора оконного типа – сепаратор двух базовых исполнений – центрируемого по заплечику наружного кольца (JA) и центрируемого по заплечику внутреннего кольца (JB) (рис. 2).

   

  Больше, чем просто ячейки сепаратора

   

  В качестве основы для новой конструкции стального сепаратора был использован сепаратор конического роликоподшипника, где центровка по заплечику служит для повышения способности подшипника к восприятию случайных радиальных ускорений и ударных нагрузок. Применение фирменного программного обеспечения SKF и накопленных знаний позволило группе разработчиков установить, что уменьшение концентрации напряжений в критических местах может быть достигнуто путем сглаживания переходов, увеличения радиусов, оптимизации соотношения толщины стенки сепаратора и его диаметра и создания соответствующих вырезов (рис.3).

  Затем был сделан еще один шаг в этом направлении – путем дальнейшей оптимизации геометрии ячеек сепаратора был достигнут тангенциальный контакт между роликами и ячейками сепаратора. При этом углы контакта были оптимизированы, а ячейка сепаратора приобрела несколько своеобразную форму (рис. 4).

  Все эти меры не только способствуют уменьшению давления в зоне контакта и улучшению формирования масляной пленки, но и  позволяют избежать возникновения кромочных контактов и тем самым локализовать работу без смазки вследствие соскребания смазки.

  В комбинации со сталью в качестве материала сепаратора и опорой в виде заплечика новая конструкция обеспечивает прочность, которая сопоставима с проч ностью латунного сепаратора стандартного исполнения. Но самое главное — она допускает наличие дополнительных роликов.

  Помимо сепаратора новой конструкции, цилиндрический роликоподшипник повышенной грузоподъемности стандартного исполнения комплектуется оксидированными роликами и подшипниковыми кольцами, которые улучшают поведение подшипника в период приработки. Такой тип обработки поверхностей придает этому подшипнику темный оттенок.

  После завершения этапа теоретических расчетов и компьютерного моделирования новая конструкция сепаратора прошла цикл испытаний, который продолжался более года. За это время было проведено более 20 оценочных испытаний. Целью этих испытаний, в которых использовались цилиндрические роликоподшипники серии размера 2334, было сравнение рабочих параметров обоих вариантов конструкции сепараторов повышенной грузоподъемности с рабочими характеристиками стандартного механически обработанного латунного сепаратора, центрируемого по заплечику.

   

  Скоростные и функциональные испытания

   

  Для оценки скоростных характеристик и устойчивости сепаратора были проведены испытания при значениях n x d_m (частота вращения х средний диаметр подшипника) до 800 000 мм/мин в условиях переменных радиальных и осевых нагрузок. Максимальная частота вращения, при которой проводились испытания, соответствует предельно допустимой частоте вращения, указанной в каталоге подшипников.

  Указанные испытания были проведены для двух условий смазывания. В одном случае использовалось масло, вязкость которого обеспечивала формирование масляной пленки достаточной толщины (Κ > 1,5).

  Во втором случае для имитации условий недостаточного смазывания использовалось низковязкое масло (Κ < 0,5). По завершению всех испытаний было проведено испытание на прочность в течение 1000 часов.  

  Результаты

   

  По результатам измерений в совокупности с глубинным исследованием различных компонентов подшипника после испытаний какие-либо ограничения в использовании цилиндрического роликоподшипника повышенной грузо подъемности по сравнению со стандарт ным подшипником выявлены не были.

  При сравнении с механически обработанным латунным сепаратором было установлено, что уменьшенное поперечное сечение сепаратора повышенной грузоподъемности способствует лучшему прохождению масла через подшипник и тем самым усиливает смазочный эффект и уменьшает нагрев подшипника. Кроме того, уменьшение массы сепаратора позволяет уменьшить инерционные силы.

  Это преимущество может иметь решающее значение в тех случаях, когда подшипник работает в условиях часто чередующихся пусков и остановок или подвергается воздействию радиальных ускорений, например, в планетарных редукторах.

   

  Испытания с низкой нагрузкой

   

  Помимо высокоскоростных испытаний и испытаний на устойчивость сепаратора подшипники были испытаны в условиях минимальной нагрузки на предмет исследования риска проскальзывания роликов, задира сепаратора за дорожку качения и других типичных повреждений, уменьшающих ресурс подшипника. Испытания с минимальной нагрузкой проводились при нагрузке, величина которой была на 10% меньше величины минимальной нагрузки, рекомендуемой Общим каталогом SKF.

   

  Результаты

   

  Результаты испытаний показали, что сепаратор, центрируемый по заплечику внутреннего кольца (JB), уменьшает коэффициент скольжения роликов на 50% по сравнению со стандартным латунным сепаратором.

   

  Влияние турбин ветроэнергетических установок на технологию подшипников качения

   

  Необходимость повышения плотности рассеиваемой мощности и надежности оборудования, особенно в ветротурбинах, обусловила целый ряд новых разработок в области технологии подшипников, уплотнительных систем и систем мониторинга технического состояния. С точки зрения подшипников, этим требованиям отвечают цилиндрические роликоподшипники повышенной грузоподъемности, которые в основном разрабатываются на базе средне- и крупногабаритных цилиндрических роликоподшипников тяжелой серии 22 и 23 (диаметр отверстия 150-300 мм). Другие размеры могут быть изготовлены по индивидуальному заказу. В зависимости от исполнения сепаратора подшипники серии 23 могут содержать до двух дополнительных роликов; подшипники серии 22 могут содержать до трех или более дополнительных роликов по сравнению со стандартным подшипником аналогичного размера.

  Т.к. разделительные ячейки сепаратора повышенной  грузоподъемности расположены намного выше или ниже уровня начального диаметра роликов, функцию предотвращения выпадения роликов они выполнять не могут, поэтому кольца подшипника на вал и в корпус должны монтироваться одновременно. В некоторых случаях, например, в планетарных шестернях редукторов ветроэнергетических установок дорожка качения наружного кольца может быть встроена в отверстие планетарной шестерни. Поскольку наружное кольцо подшипника не является обязательным элементом такой конструкции, подшипник будет поставляться в комплекте с втулкой, которую можно использовать для монтажа этого подшипника (рис. 5).

   

  Сравнительные характеристики подшипников

   

  На рис. 6 представлены сравнительные характеристики нескольких типов подшипников, используемых в редукторе ветротурбины в качестве примера. Как видно из таблицы, при использовании в планетарном передаточном механизме стандартные цилиндрические роликоподшипники с латунным сепаратором имеют меньший расчетный ресурс, чем бессепараторные подшипники. Если сравнить показатели бессепараторного подшипника и нового цилиндрического роликоподшипника SKF повышенной грузоподъемности, то этот разрыв сокращается. При использовании цилиндрического роликоподшипника повышенной грузоподъемности класса SKF Explorer номинальный ресурс этого подшипника будет больше ресурса бессепараторного подшипника.

  Использование подшипника повышенной грузоподъемности позволяет увеличить ресурс подшипника до 35% по сравнению со стандартным сепараторным подшипником аналогичного размера. (рис. 7). В данном конкретном случае рекомендуется использовать сепаратор, центрируемый по заплечику внутреннего кольца, который более устойчив к размазыванию по дорожке качения.