Метод расчетной оценки долговечности подшипников качения авиационных изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.822.6

МЕТОД РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

© 2011 Е.П. Жильников

Самарский государственный аэрокосмический университет

Поступила в редакцию 19.11.2010

В работе приводится метод расчета долговечности авиационных подшипников качения с учетом точности изготовления, качества материала и условий эксплуатации. Ключевые слова: подшипники качения, долговечность

Авиационные подшипники, как правило, имеют долговечность выше рассчитанной по стандартным методикам. Это объясняется рядом причин: более высокая точность изготовления, более высокое качество применяемых подшипниковых материалов, лучшие условия организации смазывания подшипников и др.

Обширные исследования и большой опыт работы позволили ЦИАМ [1] и фирме FAG [2] разработать рекомендации по уточнению методики расчета долговечности авиационных подшипников качения.

На базе рекомендаций [1] и [2] с учетом наших исследований расчет долговечности авиационных подшипников предлагается выполнять по формуле:

Lha = Lha1a23аф, (1)

где Lh - расчетное значение номинальной долговечности подшипника, определяемое по [3]; ai,a23 и аф - поправочные коэффициенты. При этом долговечность L подшипника в миллионах оборотов вращающегося кольца с учетом рекомендаций ЦИАМ определяется по формуле

L = (Сав/Р Y

Lh =

V J

i j (Lhj У =lth

(4)

Здесь: Сав - динамическая грузоподъемность авиационного подшипника с учетом точности изготовления и материала подшипника;

Р - приведенная динамическая нагрузка.

При расчете приведенной динамической нагрузки значения коэффициента безопасности Кб рекомендуется определять с учетом рекомендаций ЦИАМ по табл. 1.

Если подшипник работает при переменных режимах, в которых ступенчато изменяются нагрузки и частота вращения, эквивалентная долговечность определяется по формуле [4]:

Жильников Евгений Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры "Основы конструирования машин". E-mail: okm@ssau.ru.

Здесь: J - число режимов работы; t j /th -относительная продолжительность работы на j -том режиме; Lhj - расчетная долговечность на j -том режиме.

При этом долговечность Lhj на j -том режиме должна определяться с учетом условий смазывания на этом режиме и влияния центробежных сил.

При расчете при переменном режиме работы не учитываются режимы, для которых приведенная динамическая нагрузка меньше нагрузки, соответствующем пределу контактной выносливости подшипниковых сталей Pj < Pu .

По рекомендациям фирмы SKF[5] нагрузку

Pu можно принять приближенно:

Pu = Cq ¡9 - для роликовых подшипников,

Pu = Cq 127 - для шариковых подшипников.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ АВИАЦИОННЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Динамическая радиальная расчетная грузоподъемность подшипников для авиационных изделий, в которых размеры тел качения и их число не отличаются от подшипников, приводимых в каталогах, может быть принята по каталогу для стандартных подшипников общего применения или определена по ГОСТ 18855-94, но с учетом коэффициента качества изготовления подшипника:

C = C ■ К

^ав ^ кач ■

Здесь: Сав - базовая динамическая радиальная расчетная грузоподъемность подшипника для авиационных изделий; С - базовая

Таблица 1. Значения коэффициента безопасности

Характер нагрузки на подшипник Кб Область применения

Спокойная нагрузка 1,00 Механизмы управления, приводы агрегатов малой мощности и приборов

Легкие толчки, небольшие вибрационные перезагрузки 1,05... 1,10 Механизмы управления, редукторы приборов, агрегатов и насосов

Умеренные толчки и вибрации 1,15. 1,20 Главные редукторы вертолетов и газотурбинных двигателей

Значительные толчки и вибрации 1,25. 1,35 Опоры вала винта, электроагрегаты

Работа с сильными ударами и высокими вибрационными перегрузками 1,35. 1,60 Подшипники авиаколес

динамическая радиальная расчетная грузоподъемность подшипника по общему каталогу нулевого класса точности или определенная по ГОСТ 18855-94; Ккач - коэффициент качества, принимаемый в зависимости от точности изготовления подшипника, материала деталей подшипника, твердости поверхности и их конструкции.

Коэффициент качества подшипников рекомендуется определять как произведение:

Ккач = КтКст •

Здесь коэффициенты Кт и Кст учитывают твердость рабочих поверхностей, материал деталей, точность изготовления и конструкцию подшипника.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

Для оценки качества подшипников, предназначенных для работы при высоких температурах, вводится температурный коэффициент Кт . Этот коэффициент учитывает влияние пониженной твердости рабочих поверхностей на контактную выносливость подшипниковых материалов. Для подшипников из стали ШХ15 значение коэффициента можно определить по таблице 2.

Для подшипников из теплостойких сталей 8Х4В9Ф2, М50 и М50№Ь при температуре до 300еС Кт = 1.

2. 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА И ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Многочисленными исследованиями установлено, что долговечность подшипников зависит как от качества материалов, так и от точности их изготовления, уровня технологии их производства. В этой связи фирмой FAG для авиационных подшипников, изготовленных по высокому и сверхвысокому классам точности, рекомендуется принять двукратное увеличение расчетной долговечности.

Указанные значения повышающего коэффициента учитывают уровень производства и опыт эксплуатации подшипников фирмы FAG. В этой связи величину коэффициента точности изготовления необходимо устанавливать каждой подшипниковой фирме. В частности, многолетние статистические данные испытаний подшипников ПО ГПЗ-4 и ОАО ЗАП указывают, что долговечность основных типов подшипников превышает расчетную в 2...5 раз. Окончательные значения повышающих коэффициентов должны устанавливаться каждым предприятием для выпускаемых им типов подшипников.

На основе обобщения опыта эксплуатации авиационных подшипников ЦИАМ рекомендуется при расчетах долговечности использовать

Обозначение - Т Т1 Т2 Т3

Температура 175 200 225 250 300

о С отпуска, С

Твердость, ИКС 60 58,5 57 56 53,5

Допустимая рабочая температура, С 150 175 200 225 275

Коэффициент Кт 1,000 0,978 0,956 0,941 0,905

Таблица 2. Значение температурного коэффициента для подшипников из стали ШХ15

Таблица 3. Коэффициент качества К

ст

Классы точности подтип -ников Материалы колец и тел качения подшипников

ШХ15 ШХ15Ш, ЭИ347Ш

Шариковые Роликовые Шариковые Роликовые

Цилиндрические Бомбини-рованные Цилин-дричес-кие Бомби-ниро-ванные

0 1,0 1,0 1,25 1,30 1,25 1,40

6 1,20 1,15 1,30 1,35 1,35 1,50

5 и 4 1,30 1,25 1,40 1,45 1,45 1,60

2 1,40 1,30 1,45 1,55 1,55 1,65

обобщенный коэффициент, учитывающий как качество материала, так и класс точности изготовления подшипников. Значения обобщенного коэффициента приведены в табл. 3.

Для деталей подшипников, изготовленных предприятиями авиационной промышленности из цементуемой стали 12Х2Н4А обычной плавки и электрошлакового переплава, коэффициенты качества принимаются по таблице 3 равными коэффициентам качества подшипников, изготовленных из стали ШХ15 или ШХ15Ш соответственно.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

коэффициентов ау, а23 и аф

Для подшипников всех типов, изготовляемых из сталей электрошлакового или вакуумного переплава значение коэффициента а^ можно принять по табл. 4:

Коэффициент а23 , учитывающий влияние на долговечность гидродинамических процессов, развивающихся в зоне контакта, на основе опыта ЦИАМ может быть определен в виде произведения:

а23= К/иКс1п.

Коэффициент Кц, учитывающий влияние вязкости смазки, выбирается по табл. 5. Коэффициент К¿п , определяющий влияние скорости вращения на гидродинамические процессы в контактах, выбираются по табл. 6 в зависимости от параметра dmn.

Здесь dm - средний диаметр подшипника в мм, п - частота вращения в об/мин.

Опыт эксплуатации показывает, что на долговечность подшипника оказывают влияние загрязнения в смазочном материале.

По рекомендациям ЦИАМ коэффициент аф, учитывающий влияние чистоты смазки (тонкости фильтрации) на долговечность, выбирается по табл.7.

Таблица 4. Значение коэффициента а^

вероятность безотказной работы 0,90 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99

коэффициент а 1 1,00 0,62 0,53 0,44 0,33 0,21

Таблица 5. Значение коэффициента К ^, учитывающего влияние вязкости масла

Вязкость масла при температуре перед входом в подшипник, сСт. Св. 35 Св. 25 до 35 Св. 15 до 25 Св. 8 до 15 Св. 2 до 8 2 и менее

Км 1,3311,373 1,1581,176 1,0 0,8570,843 0,7790,757 0,7290,704

Таблица 6. Значение коэффициента Кdn , учитывающего влияние скорости вращения

Значение параметра dmn -10-6, мм-об/мин. До 1,0 Св. 1,0 до 1,8 Св. 1,8 до 2,5 Св. 2,5

Kdn 1,0 1,1581,176 1,3311,373 1,5211,593

Таблица 7. Значение коэффициента аф, учитывающего влияние чистоты масла

Абсолютная тонкость фильтрации, мкм. Св. 80 до 100 Св. 50 до 80 Св. 30 до 50 Св. 30 до 20 Менее 20

аф 0,8570,843 1,1581,176 1,3311,373 1,5211,593 1,7281,835

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методика расчетной оценки долговечности подшипников качения авиационных двигателей и их агрегатов, требования к конструктивным параметрам опор. ЦИАМ. М: 1996. 30 с.

2. A Practical Method of Calculating the Attainable Life in Aerospace Bearing Applications. FAG Publ. №FL

40134 ЕА, 1990. Р. 5.

3. ГОСТ 18855-94 (ИСО 281-90). Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность. Расчетный ресурс (долговечность). Москва, 1996. 29 с.

4. Балякин В.Б., Жильников Е.П., Самсонов В.Н. Макар-чук В.В. Теория и проектирование опор роторов авиационных ГТД. Самара: СГАУ, 2007. 257 с.

5. SKF. Общий каталог. Изд. СКФ, 1989. 976 с.

METHOD OF THE SETTLEMENT ESTIMATION OF LONGEVITY OF BEARINGS AVIATION PRODUCTS

© 2011 E.P. Zhilnikov

Samara State Aerospace University

In work the method of calculation of longevity of aviation bearings taking into account accuracy of manufacturing, quality of a material and service conditions is resulted. Keywords: bearings, longevity

Evgenij Zhilnikov, Candidate of Techniks, Professor at the Design Basics Machines Department. E-mail: okm@ssau.ru.