СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРЁХКОЛЕЧНОЙ ПОДШИПНИКОВОЙ ОПОРЫ И ПОДВЕС БЫСТРОХОДНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F16C19/54 

Предлагаемые технические решения относятся к машино- и/или приборостроению и могут использоваться в устройствах, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и долговечности при значительных скоростях вращения их подвижного узла.

Трехколечной подшипниковой опорой (иногда для краткости "опорой") ниже будем называть один трехколечный подшипник или два соединенных последовательно (внешнее кольцо одного с внутренним кольцом другого) двухколечных подшипника. В последнем случае указанные кольца и соединяющие их элементы выполняют функцию промежуточного кольца трехколечного подшипника.

Подвесом будем считать две трехколечные опоры, внутренние кольца которых размещены на валу подвешиваемого узла. Составной частью подвеса будем считать устройство, приводящее во вращение промежуточные кольца опор.

Известны подшипниковые опоры, содержащие трехколечные [1, 2] и соединенные последовательно двухколечные подшипники [3]. В качестве тел качения в подшипниках этих опор используются шарики [1], цилиндрические ролики [2] и конические ролики [3].

Предлагаемые технические решения относятся к опорам обоих указанных типов.

В [1] предложен, по существу, способ повышения точности гироприбора за счет уменьшения момента трения в опорах подвеса медленно вращающейся внутренней рамки карданова подвеса быстроходного узла - ротора гироприбора. Для этого промежуточное кольцо каждой опоры связано с ротором индивидуального реверсируемого (по современным представлениям [4]) электродвигателя, вращающего его с некоторой постоянной скоростью, не зависящей от скорости и направления вращения внутреннего кольца.

Величиной трения между телами и дорожками качения подшипников, приводящего при высоких скоростях к износу и/или тепловому заклиниванию последних, и определяется долговечность любого подшипника. Исходя из этого, предложенный в [1] способ уменьшения трения целесообразно использовать и в опорах быстроходных узлов.

Трение в трехколечной опоре зависит от скорости вращения активного (в нашем случае - внутреннего) кольца, связанной с ней скорости вращения промежуточного кольца, нагрузки на опору и центробежных сил взаимодействия между телами и дорожками качения, возникающих при вращении сепараторов о телами качения вокруг оси опоры и создающих при их больших оборотах значительные дополнительные контактные напряжения между поверхностями тел качения и дорожек качения промежуточного и наружного колец.

Нагрузка на опору и скорость вращения активного кольца являются заданными величинами. Следовательно, увеличить долговечность опоры можно только путем оптимального распределения центробежных сил по ярусам трехколечной опоры поддержанием опредеденной зависимости между скоростями и направлениями вращения внутреннего и промежуточного колец.

Недостаток способа, описанного в [1], как будет показано ниже, при его использовании в быстроходных узлах и состоит в отсутствии такой зависимости. Эта зависимость устанавливается изобретениями [2] и [3], противоречащими друг другу.

Так, по изобретению [2] промежуточное кольцо вращают со скоростью, равной половине скорости вращения внутреннего кольца в направлении, обратном направлению вращения последнего.

По изобретению [3] промежуточное кольцо вращают также со скоростью, равной половине скорости вращения внутреннего кольца, но в том же, что и у него, направлении.

В опоре по изобретению [2] вращение промежуточного кольца осуществляют с помощью дополнительного двухступенчатого тела качения, одной ступенью взаимодействующего с промежуточным кольцом, а другой - с внутренним кольцом, установленным на валу вращающегося узла устройства.

В опоре (фактически, подвесе) по изобретению [3] вращение промежуточных колец осуществляют с помощью промежуточного (по терминологии [3]) вала, соединяющего эти кольца подшипников обеих опор, связанного с одним дополнительным электроприводом через клиноременную передачу.

Обе указанные опоры имеют ограниченные области применения и непригодны для использования в подвесах быстроходных узлов устройств, к которым предъявляются повышенные требования по надежности, долговечности, массе и габаритам, например, в электромеханических исполнительных органах систем ориентации космических аппаратов с двигателями-маховиками в кардановом подвесе или без него либо в маховичных накопителях энергии средней и малой мощности, у которых значительный кинетический момент создается не за счет массы маховика, а благодаря высокой скорости его вращения.

Рассмотрим, достигается ли в опорах по изобретениям [2] и [3] указанный там положительный эффект увеличения долговечности.

Известно [5] , что скорость вращения сепаратора с телами качения внутреннего яруса трехколечного подшипника при вращении промежуточного кольца в одном направлении с внутренним кольцом определяется по выражению:
n_c,в=К₁n_в+К₂n_пр, (1)
та же скорость при вращении промежуточного кольца в противоположном относительно внутреннего кольца направлении - по выражению:
n_c,в=К₁n_в+К₂n_пр, (2)
а скорость вращения сепаратора наружного яруса при неподвижном наружном кольце - по выражению:
n_c,н=К₃n_пр. (3)
Здесь и ниже: индексы "в" - внутренний, "н" - наружный ярусы подшипника (опоры);
"c" - сепаратор, "пр" - промежуточное кольцо;
К₁, К₂, К₃ - коэффициенты, определяемые по выражениям:



для радиальных и радиально-упорных подшипников со сферическими телами качения.

В выражениях (4)-(6):
d - средний диаметр соответствующего яруса подшипника (опоры);
D - диаметр тела качения соответствующего яруса подшипника (опоры);
α - угол контакта в соответствующем ярусе подшипника (опоры).

При этом d, D, α - неизменяемые величины, присущие конкретному подшипнику.

Известно также [5] , что центробежная сила взаимодействия между телом качения и дорожкой качения, возникающая при вращении сепаратора с телами качения вокруг оси подшипника, определяется по выражению (в наших обозначениях):

где m - масса тела качения.

Из выражений (1) и (2) следует, что при вращении промежуточного кольца в направлении вращения внутреннего кольца скорость вращения сепаратора внутреннего яруса превосходит скорость вращения сепаратора внешнего яруса. При этом, как следует из выражения (7), при использовании подшипников одного типоразмера (с одинаковыми m и d) [3] центробежные силы, развиваемые телами качения внутреннего яруса, будут превосходить центробежные силы, развиваемые телами качения наружного яруса. Поэтому тела и дорожки качения внутреннего яруса (подшипники центрального вала [3]) оказываются динамически более нагруженными, чем в том случае, если бы даже наружный ярус отсутствовал и наружные кольца подшипников центрального вала были неподвижны.

Следовательно, способ по изобретению [3] не может увеличить долговечность опоры.

Из выражения (2) следует, что при вращении промежуточного кольца навстречу внутреннему скорость вращения сепаратора внутреннего яруса уменьшается, соответственно, уменьшаются центробежные силы, определяемые ими контактные напряжения и интенсивность выкрашивания. Следовательно, способ по изобретению [2] может увеличивать долговечность опоры.

Однако, как это следует из выражения (3), с ростом скорости промежуточного кольца возрастает скорость сепаратора наружного яруса и, начиная с некоторой скорости, центробежные силы, развиваемые в наружном ярусе, будут превосходить центробежные силы, развиваемые во внутреннем ярусе подшипника. Долговечность опоры в этом случае будет уменьшаться вследствие износа тел и дорожек качения ее наружного яруса. Эта скорость зависит от геометрических размеров ярусов (d) и массы их тел качения (m).

Очевидно, что для увеличения долговечности опоры в целом необходимо выбрать такое соотношение скоростей n_в и n_пр, чтобы обеспечивалось равенство динамических нагрузок на тела и дорожки качения ярусов.

Способ по изобретению [2] с фиксированным отношением скоростей (n_пр= 0,5n_в) не учитывает этой необходимости, а предлагаемый способ учитывает ее.

Запишем выражение (7) в виде:


Приравняем выражения (7.1) и (7.2), подставим n_с,в и n_с,н из выражений (2) и (3) и после преобразований получим выражение для скорости вращения промежуточного кольца, при которой F_в=F_н, в виде

или
n_пр=К₄n_в,
где

не изменяемый для выбранной опоры коэффициент.

Для опоры, содержащей два последовательно соединенных двухколечных одноразмерных подшипника (d_н=d_в; m_н=m_в), выражения (8) и (9) будут иметь вид:


Таким образом, вращение промежуточного кольца трехколечной опоры быстроходного узла в направлении, противоположном относительно направления вращения ее внутреннего кольца, со скоростью, определенной по выражениям (8) или (10), обеспечивает равенство динамических нагрузок на промежуточное и наружное кольца и тела качения ярусов и тем самым увеличивает долговечность опоры.

Скорость вращения промежуточного кольца n_пр определяется при комплексном проектировании быстроходного узла после определения n_в и выбора типа опоры и ее подшипников.

Способ может быть реализован, например, использованием в подвесе быстроходного узла устройства агрегата "синхронный генератор - синхронный двигатель" ("СГ-СД") с отношением числа пар полюсов генератора и двигателя

В этом случае СГ, ротор которого установлен на валу быстроходного узла, служит источником питания СД, ротор которого связан с промежуточными кольцами опор подвеса. Статоры СГ и СД установлены в корпусе устройства.

На фиг. 1-4 приведены четыре варианта конструктивных схем подвеса быстроходного узла с использованием трехколечных опор и агрегата СГ-СД.

На фиг.1 приведена конструктивная схема подвеса быстроходного узла электромеханического устройства 1, установленного на полом основном валу 2. Подвес содержит два трехколечных подшипника качения 3 и 4, внутренние кольца которых размещены на концах основного вала, а наружные - в корпусе устройства. Вращение промежуточных колец подшипников осуществляется соединенными с ними втулками 5 и 6, связанными между собой дополнительным валом 7, расположенным коаксиально с основным валом 2 и приводимым во вращение агрегатом СГ-СД. Ротор 8 генератора агрегата установлен на основном валу быстроходного узла, а его статор 9 установлен в корпусе устройства и электрически связан с также установленным в корпусе устройства статором 10 двигателя, ротор которого 11 размещен на дополнительном валу 7. При вращении быстроходного узла СГ вырабатывает электрическое напряжение, частота которого пропорциональна скорости вращения узла, а питаемый этим напряжением СД вращает втулки 5 и 6 и соединенные с ними промежуточные кольца со скоростью, определенной по выражениям (8) и (10).

Приведенный на фиг.2 вариант конструктивной схемы подвеса того же, что и на фиг.1, быстроходного узла 1, установленного также на полом основном валу 2, отличается от предыдущего тем, что здесь трехколечные опоры выполнены последовательным соединением двухколечных подшипников 12 и 13, 14 и 15 с помощью втулок 16 и 17, связанных с дополнительным валом 18, приводимым во вращение таким же, как на фиг.1, агрегатом СГ-СД 8...11.

В этом варианте подвеса возможно использование в опорах одноразмерных подшипников, что обеспечивает равенство не только динамических, но и статических нагрузок на тела и дорожки качения подшипников и также увеличивает долговечность опор.

Вариант конструктивной схемы подвеса, приведенный на фиг.3, отличается от приведенного на фиг.1 тем, что тот же быстроходный узел 1 установлен на сплошном валу 19, также размещенном во внутренних кольцах трехколечных подшипников 3 и 4, промежуточные кольца которых соединены с втулками с осями 20 и 21, установленными в дополнительных подшипниках 22 и 23, а агрегат СГ-СД здесь содержит один СГ 8, 9 и два СД, статоры которых 10 и 24 установлены в корпусе устройства, а роторы 11 и 25 - на осях втулок 20 и 21 соответственно.

Этот вариант подвеса предпочтительнее при значительной массе быстроходного узла, так как позволяет передать часть статической нагрузки телам и дорожкам качения дополнительных подшипников, внутренние кольца которых вращаются со значительно меньшей скоростью, чем внутренние кольца трехколечных подшипников опор, что также способствует увеличению долговечности опор и узла в целом.

В варианте конструктивной схемы подвеса, приведенном на фиг.4, как и в варианте по фиг.2, трехколечные опоры выполнены последовательным соединением двухколечных подшипников 12 и 13, 14 и 15 с помощью таких же, как на фиг.2, втулок с осями 20 и 21, также приводимых во вращение агрегатом СГ-СД с одним СГ с ротором 8 и статором 9 и двумя СД со статором 10, ротором 11 и статором 24, ротором 25 соответственно. В этом варианте также могут использоваться одноразмерные подшипники.

Все приведенные выше подвесы могут использоваться для подвешивания и сравнительно тихоходных узлов устройств, к которым также предъявляются повышенные требования по надежности и долговечности.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР SU 657246 А (С.В.ГОРИН и др.), кл. G 01 C 19/00, 15.04.1979.

2. Авт. свид. СССР SU 1401177 А1 (Н.М.ПОТАПОВ и др.), кл. F 16 C 19/54, 07.06.1988.

3. Авт. свид. СССР SU 1381279 А1 (К.К.ЯЦКЕВИЧ и др.), кл. F 16 C 35/07, 19/54, 15.03.1988.

4. Гироскопические системы. Часть 3. Элементы гироскопических приборов. Ред. ПЕЛЬПОР Д.С. М., 1972.

5. БЕЙЗЕЛЬМАН Р.Д. и др. Подшипники качения. Справочник. М., 1975.

Изобретение относится как к машиностроению, так и к приборостроению и может использоваться в устройствах, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и долговечности при значительных скоростях вращения их подвижного узла. Согласно предлагаемому способу вращают промежуточное кольцо трехколечной опоры быстроходного узла в направлении, противоположном направлению вращения ее внутреннего кольца, со скоростью, определяемой предложенными математическими выражениями. Способ реализован в четырех предложенных вариантах конструктивных схем подвеса быстроходного узла с использованием трехколечных опор и агрегата - синхронный генератор - синхронный двигатель. Предложенные схемы могут использоваться для подвешивания не только быстроходных, но и тихоходных узлов устройств, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и долговечности. Благодаря тому, что предложенное техническое решение обеспечивает равенство динамических нагрузок на промежуточное и наружное кольца и тела качения ярусов, увеличивается долговечность опоры. 5 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ увеличения долговечности трехколечной подшипниковой опоры, согласно которому промежуточное кольцо вращают навстречу вращению внутреннего кольца со скоростью, определяемой по выражению

где K₁, К₂, К₃ - коэффициенты, определяемые по выражениям:

для радиального и радиально-упорного подшипников со сферическими телами качения,

где в - внутренний ярус опоры;

н - наружный ярус опоры;

пр - промежуточное кольцо опоры;

d - средний диаметр соответствующего яруса опоры;

D - диаметр тела качения соответствующего яруса опоры;

α - угол контакта в соответствующем ярусе опоры.