CC BY
42
УДК 621.22
МЕХАНИЗМ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ИГОЛЬЧАТЫХ ПОДШИПНИКОВ
Е. В. Кукушкин, В. А. Меновщиков, М. Р. Шарафеев*
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: sharafeev.maksim@y andex.ru
Рассматриваются механизм усталостного разрушения игольчатых подшипников. Приведен основной обзор выполненных работ в данном направлении. Рассмотрены вопросы прогнозирования долговечности игольчатых подшипников, причины повреждения подшипников
Ключевые слова: игольчатый подшипник, прогнозирование долговечности, усталостные раковины.
MECHANISM OF TIRELESS DESTRUCTION OF THE NEEDLE-SHAPED BEARING
E. V. Kukushkin, V. A. Menovshchikov, M. R. Sharafeev*
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sharafeev.maksim@y andex.ru
The mechanism of fatigue failure of needle bearings is considered. The main review of the work performed in this direction is given. The problems of forecasting the durability of needle bearings, the causes of bearing damage.
Keywords: needle bearing, prediction of longevity, fatigue shells.
Введение. Игольчатые подшипники являются важнейшими деталями большинства машин. К их несущей способности и надёжности предъявляются высокие требования. По этой причине уже много лет игольчатые подшипники являются предметом интенсивных исследований. Со временем теория и технология игольчатых подшипников развилась в особую область научно-исследовательской работы [3].
Фирма SKF является пионером и занимает ведущие позиции в таких исследованиях. Благодаря проведённым исследованиям стал возможен расчёт долговечности подшипников с высокой точностью. Это сделало возможным согласование между собой долговечности подшипников и машины. Однако время от времени случается, что фактическая долговечность подшипника оказывается ниже расчётной. Это происходит вследствие множества причин. Например, не предполагаемо высокая нагрузка, недостаточное смазывание или неподходящий смазочный материал, неправильный монтаж подшипника, недостаточная эффективность уплотнений, посадка подшипника с чрезмерным натягом и, соответственно, недостаточный внутренний зазор или чрезмерный внутренний натяг подшипника. Каждая такая ситуация порождает специфическое повреждение подшипника, которое находит отражение в характерной картине повреждения. Следовательно, в большинстве случаев становится возможным при исследовании повреждённого подшипника установить причину повреждения и принять соответствующие меры, для того чтобы избежать повторного повреждения подшипника после возобновления работы машины
Основная часть. Упрощенно суть выражается следующим образом: в реальных условиях игольчатый подшипник не может работать произвольно долго. Раньше или позже возникает усталостное разрушение материала, и работа подшипника становится невозможной. Промежуток времени до появления первых признаков усталости материала зависит от частоты вращения подшипника и величины нагрузки [1].
Секция «Проектирование машин и робототехника»
Усталостное разрушение является следствием переменных напряжений сдвига непосредственно под поверхностью качения в зоне действия нагрузки. Эти напряжения обуславливают образование трещин, которые постепенно распространяются к поверхности. Когда по таким трещинам перекатываются тела качения, происходит отделение частиц материала. Такой процесс, который называют образованием усталостных раковин, со временем прогрессирует до тех пор, пока подшипник становится непригодным для работы
Долговечностью игольчатого подшипника называют число оборотов, которое он совершит прежде, чем станут заметными первые признаки усталостного разрушения на дорожках и телах качения. Это не означает, что после этого подшипник не может продолжать работу. Усталостное выкрашивание распространяется медленно и обнаруживает себя возрастанием шума и вибраций. Поэтому, как правило, остаётся достаточно времени для подготовки замены подшипника [4].
Усталостные раковины являются следствием нормального усталостного повреждения, которое возникает в конце обычной долговечности подшипника. Это, однако, не является наиболее частой причиной выхода подшипника из строя. Возникновение раковин в подшипниках в большинстве случаев может иметь причины, отличные от процесса усталостного разрушения материала. Если раковины обнаружены на ранней стадии, когда их размеры не слишком большие, то часто становится возможным определение причины повреждения, что позволяет разработать соответствующие предупреждающие мероприятия и тем самым предотвратить повторные повреждения. Полезным исходным пунктом является анализ следов качения. Если раковины достигли определенной стадии развития, то наличие повреждения обнаруживают по шуму и вибрациям. Это сигнал к замене подшипника. Причинами преждевременного возникновения раковин могут быть превышение допустимой нагрузки, чрезмерный внутренний предварительный натяг вследствие слишком тугой посадки кольца подшипника на вал или в отверстие корпуса; чрезмерный натяг внутреннего кольца подшипника на коническую шейку вала, деформации, обусловленные некруглостью посадочных мест под подшипник, дополнительные осевые нагрузки (например, возникающие в результате температурных деформаций). Раковины, кроме того, могут возникать вследствие иных повреждений, таких как вмятины, коррозия, следы прохождения тока или задиры [2-3].
Раковины вследствие чрезмерного предварительного натяга. Картина явления: явно выраженные следы качения на дорожках качения обоих колец. Раковины в наиболее нагруженной зоне [2]. Причины: избыточный предварительный натяг из-за чрезмерно тугой посадки колец. Слишком тугая посадка внутреннего кольца на коническую шейку вала. Чрезмерный взаимный осевой натяг при спаренной установке радиально- упорных или конических роликоподшипников. Слишком большой перепад температуры между внутренним и наружным кольцами подшипника.
Раковины вследствие некруглости посадочной поверхности. Картина явления: явно выраженные следы качения на двух противоположных участках дорожек качения обоих колец. Усталостные раковины на этих участка [2]. Причины: некруглость посадочных поверхностей вала или корпуса. Некруглость отверстий часто наблюдается у составных корпусов. Отверстия стандартных корпусов деформируются при затяжке болтов, фиксирующих корпуса на неплоском основании.
Раковины вследствие чрезмерного осевого натяга [3]. Картина явления: радиальные шарикоподшипники: явно выраженные следы качения на обоих кольцах, смещённые в осевом направлении в одну сторону. Сферические шарикоподшипники и роликоподшипники: явно выраженные следы качения одного из рядов роликов, усталостные раковины в этой области. Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники и конические роликоподшипники: такая же картина явления, как при повреждениях вследствие чрезмерного предварительного натяга. Причины: неправильная сборка, вследствие которой возникают дополнительные осевые силы, например, установка с большим предварительным натягом пары однорядных радиально-упорных шарикоподшипников и конических роликоподшипников. Препятствие осевому перемещению «плавающего» подшипника. Диапазон осевого перемещения не обеспечивает компенсацию температурной деформации
Раковины вследствие перекоса. [3] Картина явления: радиальные шарикоподшипники: диагонально направленный след качения с усталостными раковинами на противолежащих участках
дорожки качения. Цилиндрические роликоподшипники: усталостные раковины на краях дорожек качения. Причины: несоосность посадочных мест. Перекос подшипников при сборке.
Раковины вследствие вмятин [3]. Картина явления: усталостные раковины, развившиеся от вмятин, расположенных на расстоянии тел качения. Усталостные раковины, развившиеся от малых вмятин. Причины: вмятины, возникшие от неправильного монтажа или перегрузки не вращающегося подшипника. Вмятины, возникшие при перекатывании инородных частиц
Раковины, образовавшиеся вследствие задиров [2]. Картина явления: усталостные раковины на дорожках качения роликоподшипников в местах входа роликов в нагруженную зону. Усталостные раковины на дорожках качения роликоподшипников на расстоянии тел качения. Причины: задиры из-за процесса скольжения. Задиры на расстоянии тел качения, направленные перпендикулярно дорожке качения, обусловленные неправильной сборкой
Раковины, возникающие вследствие коррозионных язвин [2]. Картина явления: усталостные раковины, развившиеся в местах коррозии. Причины: глубокая коррозия
Раковины вследствие контактной (фреттинг) коррозии [3]. Картина явления: раковины на дорожках качения внутренних и наружных колец. Положение раковин соответствует корродированным областям в отверстии внутреннего кольца и на посадочной поверхности наружного кольца. Причины: контактная коррозия
Раковины вследствие образования бороздок и лунок [3]. Картина явления: раковины, исходящие от блестящих или ржавых бороздок или лунок. Раковины, исходящие от окрашенных в тёмный цвет полосок или лунок с прижогами. Причины: износ вследствие вибраций не вращающихся подшипников. Прохождение электрического тока.
Заключение. На основе проведенного анализа [1-7] усталостных разрушений игольчатых подшипников, было выявлено, что не все вопросы, касающиеся усталостных разрушений были исследованы и требуют дополнительного рассмотрения, на основе которого были поставлены следующие задачи: исследовать механизмы усталостного разрушения игольчатых подшипников; исследовать процесс разрушения игольчатых подшипников; исследовать усталостные раковины.
Библиографические ссылки
1. Нестеров В. М. Разработка методов оценки сопротивления контактной усталости конструкционных материалов. М., 1984. 238 с.
2. Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. Киев : Наук. думка, 1971. 267 с.
3. Беркович И. И., Громаковский Д. Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения : учебник для вузов / под ред. Д. Г. Громаковского ; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
4. Johnson K. L. Contact mechanics. Cambridge University Press, 6. Nachdruck der 1. Auflage.
2001.
5. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Вопросы формирования усталостных трещин в материалах игольчатых подшипников карданных шарниров // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы X Всерос. науч.-практ. конф. / СибГАУ. Красноярск, 2014. С. 148-150.
6. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Анализ современных представлений и подходов при исследовании усталостных разрушений игольчатых подшипников // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 287-288.
7. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Малоцикловая усталость игольчатого подшипника // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы IX Всерос. науч.- практ. конф. В 2 т. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 154-155.
© Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Шарафеев М. Р., 2017
