ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫЙ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ Российский патент 2010 года по МПК F16C19/54 F16C33/34 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.

Известны комбинированные подшипники качения с короткими цилиндрическими роликами. Например, №612888К, содержит внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные из четырех рядов коротких цилиндрических роликов, и содержит с двух сторон два кольца с дорожками качения для цилиндрических роликов, которые выполняют роль упорных подшипников.

К недостаткам известного подшипника относятся малая частота вращения, наличие трения качения с проскальзыванием тел качения, повышенный шум, низкая долговечность, высокая температура нагрева, например от 100°С и более.

Тела качения - ролики в радиальном участке подшипника не могут одновременно катиться по двум диаметрам наружному и внутреннему дорожкам качения без проскальзывания. Кроме этого, тела качения в контакте с дорожкой качения наружного кольца заставляют его вращаться в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вала. А, как правило, наружное кольцо неподвижно, оно защемлено. Вот почему греется подшипник, когда отношение пути скольжения тел качения к пути качения равняется, например, 24/1. А трение скольжения тел качения к трению качения относится как 500/1 и 10 000/1. По этой причине подшипник перегревается.

А в двух упорных подшипниках с цилиндрическими роликами - весь комплект роликов катится только в одной точке, а все остальные контактные поверхности - скользят.

Известны комбинированные подшипники качения с игольчатыми роликами, например, №594000. Их недостатки аналогичны недостаткам подшипника, описанного и приведенного выше.

Известен подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный - прототип по заявке №2006138364, содержащий однобортовое наружное и двухбортовое внутреннее кольца с дорожками качения и размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов двухступенчатого типа, большая ступень роликов верхнего яруса, имеющая два участка контактирует только с дорожкой качения наружного кольца по линии, а большие ступени роликов нижнего яруса, выполненные с тремя участками контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца по линии, а меньшие ступени верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса, а наружное кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, с постоянной и одинаковой частотой вращения в противоположные стороны в каждом из ярусов, при этом должно выполняться условие сборки подшипника качения:

,

а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, причем в проточки меньших ступеней роликов нижнего яруса входят с зазором два участка больших ступеней роликов верхнего яруса, при этом диаметры трех участков больших ступеней нижнего яруса, контактирующих с тремя участками меньших ступеней роликов верхнего яруса, - равны, и все ролики как верхнего, так и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего яруса.

К недостаткам известного подшипника качения относится относительно невысокая грузоподъемность в радиальном направлении и малая осевая грузоподъемность.

Известные стандартные упорные подшипники качения с коническими роликами имеют основной недостаток - большое трение скольжения между торцами роликов и упорными бортами колец, когда под действием больших радиальных нагрузок борта изнашиваются и скалываются. Эти подшипники имеют малую допустимую частоту вращения, например, скорости от 5 до 10 м/с, что и сдерживает их широкое применение.

Цель изобретения:

- обеспечение более высокой частоты вращения, например, до 1000 мин^-1;

- повышение грузоподъемности как осевой, так и радиальной в два раза;

- снижение шума, например, до 40…60 дБ;

- устранить перекосы и возможность заклинивания тел качения;

- обеспечить реверсивную работу;

- увеличить долговечность, как недостаток, например, в 15…20 раз;

- заполнить свободную нишу подшипнику качения, работающему в условиях чистого качения;

- обеспечить пониженную температуру нагрева подшипника при его эксплуатации, например, до 50°С.

Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что в конических роликах выполнено ступенчатое коаксиальное отверстие, в котором свободно расположены виброэлементы из металлокерамического сплава, например, из ВК25 сферического типа и различной массой, расположенные между двумя магазинами, выполненными из пористой металлокерамики, пропитанной смазкой, установленными на конусных участках отверстия, а конический ролик снизу содержит дополнительный подпятник, выполненный, например, из шарика, заключенного в обойму и опирающегося на тарельчатую пружину, последний контактирует с поверхностью опорного кольца, жестко зафиксированного в проточке свободного кольца подшипника.

На фиг.1 изображен подшипник качения комбинированный бессепараторный. На фиг.2 приведено сечение А-А фиг.1 радиального участка подшипника с указанием направлений вращения тел качения и кольца подшипника, направление перемещения комплекта тел качения, а также точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой. На фиг.3 приведена развертка тел качения упорного участка подшипника фиг.1 с указанием стрелками направления вращения кольца 5 и тел качения, а точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой и направление перемещения комплекта конических роликов относительно дорожек качения подшипника. На фиг.4 приведена развертка расположения роликов в радиальном участке подшипника. На фиг.5 дано сечение ролика упорного подшипника фиг.1 с размещением его подпятников, виброэлементов, магазинов для смазки.

Подшипник качения комбинированный бессепараторный состоит: из наружного кольца 1, двух рядов роликов 2 верхнего яруса, роликов 3 - нижнего яруса, выполненных двухступенчатого типа, внутреннего кольца 4 - безбортового, двух свободных колец 5, двух рядов конических роликов 6, двух опорных колец 7, двух пружинных упорных колец 8, крепежных винтов 10. На конических роликах 6 (см. фиг.5) выполнено ступенчатое коаксиальное отверстие, в котором расположены с внешней стороны два подпятника 11 и 12, выполненные, например, из шариков, установленных в обоймах 13 и 14 с возможностью вращения. Подпятники 11 и 12 опираются на тарельчатые пружины 15 и 16, выполненные из антифрикционного материала. На конических участках отверстия ролика 6 установлены два магазина 17 и 18, выполненные из пористой металлокерамики, пропитанные смазкой. А в центральной части отверстия располагают виброэлементы 19 и 20, выполненные из металлокерамического сплава типа ВК25, ТК или ТТК по форме, например, шарика, цилиндра, последние установлены с зазором, различны по массе, в количестве 1; 2; 3; … в зависимости от габаритов ролика 6. Два ряда роликов 3 нижнего яруса могут содержать фиксатор 9 для выборки зазоров в роликах 2 верхнего яруса.

Большие ступени роликов 2 верхнего яруса и два их участка контактируют только с дорожкой качения по линии с наружным кольцом 1. Большие ступени роликов 3 нижнего яруса контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца 4 по линии в трех местах. При этом каждый из роликов 2 и 3 контактирует со своими дорожками качения и между собой в трех местах (см. фиг.2), контакты линейные.

Конические ролики 6 расположены в два ряда с шахматным расположением в рядах, контактируют по трем линиям каждый, с углом контакта равным 120°. Ролики 6 своими подпятниками 11 контактируют с бортами колец 1 и 5, а внизу ролики контактируют с возможностью демпфирования (в пределах 20…5 мкм) с поверхностью опорного кольца 7. Конические ролики 6 подвержены демпфированию только вначале включения привода, так как угол конуса ролика мал и составляет ~5…6° - угол несамотормозящий, ролик 6 может слегка проседать. По этой причине подпятник 12 снабжен тарельчатой пружиной 16, последняя выжимает массу ролика 6 до контакта подпятника 11 с бортом кольца 1 или 5.

В радиальном участке подшипника должно выполняться условие сборки:

, где

D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;

Dwm2 - большая ступень ролика верхнего яруса;

d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;

Dwm1 - большая ступень ролика нижнего яруса.

Подшипник качения комбинированный бессепараторный работает следующим образом. При вращении кольца 4 получают вращение и свободные кольца 5. Кольцо 4 вращается вправо (см. фиг.2), ролики 3 получают вращение влево, а ролики 2 вращаются вправо, обкатываясь без скольжения по дорожке качения кольца 1. При этом комплект роликов 2 и 3 перемещается по кольцу - влево. Кольцо 1 неподвижно. Свободные кольца 5 получают вращение вправо (см. фиг.3), конические ролики 6, контактирующие с дорожкой качения кольца 5, получают вращение влево, а соседние ролики 6 получают вращение вправо, обкатываясь по дорожке качения кольца 1 без скольжения. При этом подпятники 11 роликов 6 контактируют по точке с поверхностями высоких бортов колец 1 и 5, последние воспринимают радиальную нагрузку по оси ролика. А весь единый замкнутый кольцевой комплект из роликов 6 перемещается по кольцу влево с частотой вращения в два раза меньшей, чем частота вращения кольца 5. Подпятники 11 и 12 в своих обоймах 13 и 14 могут и проворачиваться.

Комплект роликов 2 и 3 перемещается влево также с частотой вращения в два раза медленнее, чем вращение кольца 4. Вращение роликов на радиальном участке и на двух участках его упорных подпятниках во взаимно противоположные стороны - вращение в противофазе, а окружные скорости равны, что позволяет снизить шум, например, до 40…60 дБ. Следует отметить, что частота вращения конических роликов 6 по отношению к радиальным роликам 2 и 3 различна.

Надо отметить, что ролики 2 содержат два участка больших ступеней и три участка меньших ступеней с диаметром Dwm1. Ролики 3 содержат три участка больших ступеней с диаметром Dwm1 и два участка меньших ступеней. При этом большие ступени роликов 2 установлены с зазором в роликах 3 с меньшими ступенями. А диаметры меньших ступеней роликов 2 равны диаметрам больших ступеней роликов 3, равные Dwm1 и контактирующие друг с другом (см. фиг.4).

Предварительный натяг внутреннего кольца 4 обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам 2 и 3.

Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника.

Надежность комбинированного подшипника выступает в том, что каждый из участков выполняет свои прямые функции: два упорных участка воспринимают осевую нагрузку в обе стороны - справа и слева, радиальный только радиальную.

Следует отдельно отметить, что количество виброэлементов и их массы подбираются экспериментально. Размещают их, например, в 29 или во всех конических роликах.

Известно, что момент трения тем меньше, чем больше частота и меньше амплитуда колебаний при вибрации. А частота вращения каждого ролика равна, например, 23 400 мин^-1 при частоте вращения вала, равной 1000 мин^-1. А число виброэлементов различно. Это создает сложную гармонику акустических колебаний… Это позволяет снизить от 10 до 100 раз момент трения и снизить в подшипнике коэффициент трения качения.

В целом работа виброэлементов позволяет:

- снизить энергетические затраты по мощности привода при прокатке материала;

- увеличить скорость процесса прокатки;

- повысить стойкость инструмента - стойкость валков;

- улучшить качество поверхности изделий;

- произвести структурные изменения в материале проката, что улучшает его механические и технологические свойства и прежде всего пластичность при прокатке;

- уменьшить силы контактного трения между инструментом и деформируемым металлом и изменением свойств последнего при суммарном воздействии знакопостоянных и знакопеременных напряжений;

- снизить предел текучести, например, для меди в 3 раза при снижении относительного удлинения на 40%;

- снизить и внутренние напряжение в материале проката (горячего проката);

- уменьшить степень неоднородности материала по составу;

- улучшить в целом качество проката;

- повысить грузоподъемность подшипника в два раза как осевую, так и радиальную за счет увеличения в два раза числа одновременно работающих тел качения при сохранении исходных габаритов подшипника, но при отсутствии сепаратора;

- устранить перекосы и возможность заклинивания тел качения;

- обеспечить реверсивную работу подшипнику за счет отсутствия сепараторов и за счет контакта всех роликов по трем линиям;

- увеличить долговечность подшипника, например, в 10…15 раз;

- обеспечить пониженную температуру нагрева подшипника при его эксплуатации, например, до 50°С;

- снизить в пять раз количество смазки в подшипнике, повышенное ее содержание увеличивает сопротивление качению и увеличивает нагрев подшипника до 100°С и более.

Получаем «пионерское изобретение», работающее на трении чистого качения в подшипнике, равное, например, 0,00003, улучшающее многие параметры подшипника и влияющее одновременно и на качество проката и увеличивающее стойкость инструмента, а это экономия десятков млн. тонн черного металла и нескольких млн. тонн цветного металла.

Экономическая эффективность

Маленькая победа над трением скольжения в подшипнике чистого качения позволила открыть новую страницу в машиностроении, такие понятия, как надежность, качество, долговечность, становятся более близкими, а не отдаленными, как было ранее.

Новый подшипник качения комбинированный бессепараторный выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников «качения». Только по причине 30…40% от всех технических аварий, которые приходятся на стандартные подшипники качения, подшипник может найти применение на валках прокатных станов, ступицах большегрузных автомобилей типа БЕЛАЗ, на флоте, в атомной энергетике, …, на шахтах, обогатительных комбинатах, в смесителях кирпичных заводов, нефтехимических производствах, бурильных установках и агрегатах.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности. Подшипник качения комбинированный бессепараторный включает в себя два участка упорного бессепараторного и один участок радиального подшипника бессепараторного. Два участка упорного подшипника содержат два ряда конических роликов (6), контактирующих между собой с углом контакта равным 120° и дорожками качения по трем линиям. Ролики (6) выполнены с подпятниками, которые вверху контактируют с высокими бортами наружного (1) и свободных (5) колец по оси ролика, а снизу имеют дополнительные подпятники, последние контактируют с опорными кольцами (7), каждое жестко зафиксировано в проточке свободного кольца (5). В отверстиях роликов (6) располагают виброэлементы из материала ВК25, выполненные, например, сферическими и с различной массой, установленные свободно. Радиальный участок подшипника выполнен из роликов (2) и (3) двухступенчатого типа. Большая ступень роликов (2) верхнего яруса контактируют по линии только с дорожкой качения наружного кольца (1), а большие ступени роликов (3) нижнего яруса контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца (4). Внутреннее кольцо (4) установлено на роликах радиального участка подшипника с предварительным натягом. Контакт роликов (2) и (3) двухрядного радиального проходит по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего ярусов, а также из двух рядов конических роликов (6) в двух участках упорного подшипников. Технический результат: обеспечение высокой частоты вращения, реверсивной работы; снижение шума; повышение грузоподъемности, долговечности и надежности работы подшипника; устранение перекоса и заклинивания роликов; улучшение качества и повышение надежности выпускаемой продукции; снижение момента и коэффициента трения. 5 ил.

Подшипник качения комбинированный бессепараторный, содержащий наружное и безбортовое внутреннее кольца с дорожками качения и размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов двухступенчатого типа, расположенных в два ряда на участке радиального подшипника, большая ступень роликов верхнего яруса, имеющая два участка, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца по линии, большие ступени роликов нижнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют только с дорожкой качения безбортового внутреннего кольца по линии, меньшие ступени роликов верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими участками роликов нижнего яруса, безбортовое внутреннее кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, между наружным кольцом, выполняющим роль тугого кольца, и двумя свободными кольцами, установленными и жестко связанными на винтах с безбортовым внутренним кольцом, расположены в два ряда конические ролики, контактирующие с дорожками качения и между собой, при этом контакт между роликами проходит по трем линиям с углом контакта, равным 120° между роликами, образуя единый замкнутый кольцевой комплект из конических роликов, плоскость линейных контактов конических роликов одного ряда со вторым проходит, например, по продольной оси симметрии упорного участка комбинированного подшипника, конические ролики выполнены с подпятниками, которые контактируют с высокими бортами наружного и свободных колец, при этом подпятники расположены на оси вращения конических роликов и выполнены сферическими, с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом частота вращения роликов на участке радиального подшипника различна от участков с коническими роликами, на радиальном участке подшипника должно выполняться условие сборки:
,
где D_1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
D_wm2 - большая ступень ролика верхнего яруса;
d_1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
D_wm1 - большая ступень ролика нижнего яруса,
в проточки меньших ступеней роликов верхнего яруса входят три участка больших ступеней роликов нижнего яруса, при этом диаметры трех участков больших ступеней роликов нижнего яруса, контактирующих с тремя участками меньших ступеней роликов верхнего яруса, равны, и все ролики как верхнего, так и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего ярусов, отличающийся тем, что в конических роликах выполнено ступенчатое коаксиальное отверстие, в котором свободно расположены виброэлементы, выполненные из металлокерамического сплава, например, из ВК25, сферического типа и различной массой, которые при этом расположены между двумя магазинами, выполненными из пористой металлокерамики, пропитанными смазкой и установленными на конусных участках отверстия, а конический ролик снизу содержит дополнительный подпятник, выполненный, например, из шарика, заключенного в обойму и опирающегося на тарельчатую пружину, последний контактирует с поверхностью опорного кольца, жестко зафиксированного в проточке свободного кольца подшипника.