The study load distribution between rolling elements in metal-polymer roller bearing

Abstract

The methods and results of experimental studies of load distribution between rolling elements in metal-polymer roller bearing are shown. The calibration graph was built to determine the load on the rolling elements using contact patch width. A comparison of contact patch for the standard and metal-polymer bearings is provided. Load distribution coefficients between the rolling elements for bearings are calculated.

Full Text

Подшипники качения широко применяются при конструировании опор валов в меха- низмах. Актуальной задачей является увеличение срока службы подшипников. Одним из пу- тей повышения долговечности подшипников качения является снижение контактных напря- жений. Напряжения зависят от нагрузки на тела качения. Полимерный материал, нанесенный на наружное кольцо подшипника, выполняет роль упругой подкладки, и при приложении ра- диальной нагрузки на подшипник, наружное кольцо последнего деформируется. Исследова- ния металлополимерных шарикоподшипников показали, что нагрузка на центральное тело качения снижается и перераспределяется на боковые тела качения, что существенно снижает контактные напряжения и многократно повышает ресурс подшипниковых узлов [1, 2]. По- добные исследования для металлополимерных роликоподшипников до настоящего времени не проводились и представляют научный интерес исследования данного вопроса. Методика исследований Цель исследований заключалась в изучении распределения нагрузки между телами ка- чения металлополимерного роликоподшипника. Объектом исследования являлся подшипник 42209 с однобортовым внутренним кольцом, в первом случае без полимерного материала, во втором случае со слоем полимерного материала на наружном кольце. Полимерный материал - лак Ф-40 послойно наносили на наружное кольцо подшипника кистью. Затем проводилась термообработка в сушильном шкафу при температуре 160°С в течение 3 часов. Толщина слоя полимерного материала составляла 0,2 мм. Нагрузку на подшипник осуществляли на специальном стенде. Пятно контакта представляет собой прямоугольник с длиной равной длине ролика lр и шириной b, которая зави- сит от нагрузки на подшипник [3-5]. Для построения тарировочного графика нагружали один ролик (рис. 1а), для исследования распределения нагрузки между роликами - 7 роликов (рис. 1б). Центральное тело качения устанавливалось вдоль оси действия нагрузки. Рис. 1. Схема расположения тел качения в подшипнике для построения тарировочного графика (а), для исследования распределения нагрузки (б) Рис. 2. Зависимость ширины пятна контакта b между телом качения и беговой дорожкой наружного кольца подшипника 42209 от нагрузки Q Испытания проводили при радиальной нагрузке на подшипник Р = 2895; 4938 и 6980 Н. Через 0,25 ч нагрузку снимали и разбирали подшипник. Пятна контакта (отпечатки) на белой глянцевой бумаге исследовали микроскопом МПБ-2, определяя значения ширины b пятна контакта центрального тела с дорожкой качения наружного кольца подшипника. На рис. 2 приведен тарировочный график, который позволяет определять значения нагрузки Q на тело качения по размеру пятна контакта. Распределение нагрузки между телами качения в стандартном подшипнике 42209 Таблица 1 По тарировочному графику определяли нагрузки на тела качения (таблицы 2, 3). Площадь пятна контакта рассчитывали по формуле F  lp b . По данным таблиц 2 и 3 построили графики распределения нагрузки между телами каче- ния в стандартном и в металлополимерном подшипниках (рис. 3). Коэффициенты распределения нагрузки между центральным и первыми боковыми те- лами качения и между центральным и вторыми боковыми телами качения определяли по формулам [1]: kр1  Q1 ; Q0 kр 2  Q2 . Q0 Таблица 2 Распределение нагрузки между телами качения в металлополимерном подшипнике 42209 Результаты расчета для роликоподшипника 42209 (стандартного и с полимерным мате- риалом) приведены в таблице 3. Таблица 3 Коэффициенты распределения нагрузки между телами качения в роликоподшипнике 42209 Рис. 3. Распределение нагрузки между телами качения в стандартном подшипнике и подшипнике с полимерным материалом при радиальной нагрузке Р = 6980 Н: 0; ±1; ±2; ±3 - центральное, первые, вторые и третьи тела качения, соответственно Из полученных данных видно, что коэффициент распределения нагрузки для подшип- ника с полимерным материалом между центральным и первыми боковыми телами качения на 10% больше по сравнению со стандартным подшипником и приближается к единице. Ко- эффициент распределения нагрузки между центральным телом качения и вторыми боковыми телами качения в металлополимерном подшипнике так же выше на 15% аналогичного пока- зателя для стандартного подшипника. Выводы В результате экспериментальных исследований установлено, что при радиальном нагру- жении металлополимерного роликоподшипника происходит перераспределение нагрузки с центрального на боковые тела качения. Нагрузка на центральное тело качения умень- шается, а на боковые тела качения увеличивается. Снижение нагрузки на центральное тело качения и соответствующее снижение контакт- ных напряжений создают условия для увеличения ресурса металлополимерных ролико- подшипников качения.