Bilim.techО проекте

Подшипники качения и их ресурс

Сколько часов прослужит подшипник и почему при вдвое большей нагрузке он живет в 10 раз меньше? Динамическая грузоподъемность и ресурс L10.

01 Что это такое

В подшипнике качения вал опирается на шарики или ролики, которые катятся между двумя кольцами. Он не стирается, как втулка, а устает: после миллионов перекатываний дорожка начинает выкрашиваться.

Катить легче, чем тащить: трение качения в десятки раз меньше трения скольжения из темы 3.1. Поэтому почти каждый вал в насосе, конвейере, редукторе и колесе стоит на подшипниках качения. Внутреннее кольцо сидит на валу и крутится вместе с ним, наружное стоит в корпусе, а тела качения бегут между ними в сепараторе, примерно вдвое медленнее вала.

Радиальную силу держат не все тела сразу, а только нижние, под силой. Самое нагруженное то, что стоит прямо под ней: на него приходится примерно в 4 - 5 раз больше, чем в среднем. Каждый проход тела по точке дорожки дает удар напряжения, и металл под поверхностью постепенно устает, как в теме 5.8 «Усталость». Опыты показали: удвой нагрузку, и шариковый подшипник проживет в 8 раз меньше, ресурс падает как куб нагрузки.

FrQ max0,6 Q maxверхние шарики без нагрузкиНагрузка и ресурс шарикового подшипникаPL1,5 PL / 3,42 PL / 8катитсядорожка каченияпод шариком зарождается трещина, потом металл выкрашиваетсячешуйками: это питтинг, конец ресурса
Слева подшипник 6310 спереди. Сила Fr давит вниз, и нагрузку несут только нижние шарики: на 45° от низа шарик нагружен на 60 % от самого нагруженного, сбоку и сверху нагрузки нет. Справа: в 1,5 раза больше нагрузка дает ресурс в 3,4 раза меньше, вдвое больше в 8 раз меньше.
C
Динамическая грузоподъемность, кН. Нагрузка, при которой 90 % подшипников проживут 1 миллион оборотов. Берется из каталога: у 6310 около 65 кН.
P
Эквивалентная нагрузка, кН. Радиальная сила, которая утомляет подшипник так же, как настоящая смесь радиальной и осевой: P = X Fr + Y Fa.
L10
Базовый ресурс, млн оборотов или часы. Столько отработают без выкрашивания 90 % одинаковых подшипников, а 10 % откажут раньше. L10 = (C / P)p.
02 Опыт
Выбери подшипник. Нагрузи. Удвой нагрузку. ПОДШИПНИК В РАЗРЕЗЕ СЧИТАЕТ РЕСУРС
ДЕТАЛИ МАШИН

Сколько часов проработает подшипник и что его убивает быстрее всего?

Рис. 7.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Эквивалентная нагрузка, P
Ресурс с поправкой, a · L10h
Доживут до замены

ⓘ Грузоподъемности C и C0, размеры и коэффициенты X, Y взяты примерно по каталогам для подшипников 6310, NU 2215, 32215 и 22320; у разных производителей они отличаются на 10 - 20 %. Нагрузка на тела качения считается по Штрибеку для подшипника без зазора: Q = Qmax · cos3/2 ψ для шариков и cos10/9 ψ для роликов, с осевой силой зона нагружения расширяется. У сферического подшипника нарисован один ряд, на него приходится половина нагрузки. Вращение на рисунке сильно замедлено, а сепаратор вращается во столько же раз медленнее, как в настоящем подшипнике. Коэффициент смазки и чистоты a упрощенно заменяет aISO из ISO 281.

03 Формулы по буквам

Ресурс в оборотах, ресурс в часах и эквивалентная нагрузка

Все три карточки берут числа из опыта. Выбери готовый случай или двигай ползунки, и подстановка пересчитается. Считай снизу вверх: сначала P, потом L10, потом часы.

Сколько оборотов выдержит подшипник?

L10 = (C / P)p

Базовый ресурс в миллионах оборотов равен отношению грузоподъемности к нагрузке в степени p. Если P = C, ресурс ровно 1 миллион оборотов. Меньше нагрузка вдвое, и шариковый подшипник проживет в 2³ = 8 раз дольше.

L10
ресурс с надежностью 90 %, миллионы оборотов
C
динамическая грузоподъемность из каталога, кН
P
эквивалентная нагрузка, кН
p
показатель степени: 3 для шариковых, 10/3 для роликовых

Сколько это часов работы?

L10h = 106 L10 / (60 n)

Миллионы оборотов переводят в часы: умножают на миллион и делят на число оборотов за час, 60 n. Тот же подшипник на быстром валу кончится раньше, потому что быстрее набирает обороты. Смазку и грязь учитывают множителем: L = a · L10h.

L10h
ресурс в часах работы
n
частота вращения, об/мин
60 n
оборотов за час
a
поправка на смазку и чистоту: от 0,1 в грязи до 3 и больше в чистом масле

Как сложить радиальную и осевую силу?

P = X Fr + Y Fa

Эквивалентная нагрузка заменяет две силы одной радиальной, которая утомляет подшипник так же. Пока осевая сила мала по сравнению с радиальной (Fa / Fr не больше e), ее часто вообще не учитывают: X = 1, Y = 0.

Fr, Fa
радиальная и осевая сила на подшипник, кН
X, Y
коэффициенты из каталога, свои для каждого типа
e
граница: при Fa / Fr больше e осевая сила начинает влиять

Откуда берется степень 3 в формуле ресурса

Шарик касается дорожки крошечной площадкой, доли миллиметра. Давление на ней огромное, у нагруженного подшипника 1500 - 3000 МПа. Герц посчитал, что площадка растет медленнее силы, поэтому давление растет как корень кубический из силы: вдвое больше сила дает давление больше всего на 26 %.

Самое опасное напряжение лежит не на поверхности, а под ней, на глубине около половины ширины площадки. Каждое тело, проходя точку дорожки, нагружает ее и разгружает. Это циклическая нагрузка, и металл устает, как вал в теме 5.8 «Усталость»: под поверхностью рождается трещина, выходит наружу, и кусочек металла выкрашивается.

Число циклов до выкрашивания сильно зависит от давления, примерно как девятая степень: (Q1/3)9 = Q3. Поэтому ресурс падает как куб нагрузки. Окончательно степень получили в опытах: тысячи одинаковых подшипников гоняли до выкрашивания при разных нагрузках и строили ресурс на логарифмических шкалах. Получилась прямая с наклоном −3 для шариков и −10/3 для роликов: у ролика площадка вытянута в полоску, и давление растет медленнее.

Осталось выбрать точку отсчета. Нагрузку, при которой 90 % подшипников проживают ровно 1 миллион оборотов, назвали грузоподъемностью C. Отсюда L10 = (C / P)p: при P = C получается 1, а при каждом уменьшении нагрузки ресурс растет по прямой с найденным наклоном.

Qp₀τ max под поверхностьюp₀ растет как Q1/3циклов до трещиныкак p₀−9ресурс как Q−3LP, логарифмическая шкаланаклон −3испытания на стенде
Сверху: давление в пятне контакта шарика и место, где под поверхностью рождается трещина. Снизу: ресурс от нагрузки по испытаниям на логарифмических шкалах ложится на прямую.
04 Где и зачем это применяют

От насоса до колеса карьерного самосвала

Допущения модели+

Нагрузка и обороты постоянны. При переменном режиме считают среднюю эквивалентную нагрузку по кубическому закону. Ресурс считается по ISO 281 в упрощенном виде: базовый L10 = (C / P)p и один множитель a вместо aISO, который на самом деле зависит от вязкости масла при рабочей температуре, предела усталости материала и класса чистоты. Значения a в опыте: 0,1 сильно загрязненная смазка с абразивом и водой, 0,3 загрязненная, 1 обычные условия, 2 чистое масло с хорошей пленкой, 3 фильтрованное масло с запасом по вязкости. Кривая надежности построена по распределению Вейбулла с показателем 10/9 для шариковых и 9/8 для роликовых подшипников (как у Лундберга и Пальмгрена), поэтому L50 примерно в 5,4 раза больше L10. Коэффициенты X, Y: для 6310 по таблице ISO в зависимости от f0 Fa / C0 (f0 = 13, C0 = 38 кН); для 32215 e = 0,43, X = 0,4, Y = 1,4; для 22320 e = 0,35, Y = 1,9 и 2,9, X = 0,67. Для конического подшипника не учтена внутренняя осевая сила от второго подшипника пары. Цилиндрический NU 2215 осевую силу не держит, у него нет бортов на внутреннем кольце. Нагрузка на тела по Штрибеку для подшипника без зазора; с рабочим зазором самое нагруженное тело берет еще примерно на 15 % больше. Не учтены перекос, нагрев, центробежные силы тел качения на больших оборотах и минимальная нагрузка, ниже которой тела проскальзывают. Числа в готовых случаях примерные: настоящие ступицы больших карьерных самосвалов стоят на гораздо более крупных подшипниках.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →