CC BY
12
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.9.04
А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, О.П. Решетникова
ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ И АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Аннотация. В статье говорится о необходимости повышения надежности систем и узлов для авиационной и космической техники инновационными методами. Одним из направлений, позволяющих существенно повысить надежность машин, является разработка подшипниковых узлов нового класса с использованием полых тел качения. Показано, что применение таких подшипников позволяет не только увеличить работоспособность техники, но и уменьшить взлетную массу машины. Приводится информация о работах, выполняемых сотрудниками кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» в этом направлении.
Ключевые слова: надежность, полые шарики, подшипники, контактные напряжения, нагрузочная способность
А.^ Vasin, B.M. Iznairov, O.P. Reshetnikova SPACE AND AVIATION TECHNOLOGIES IN THE XXI CENTURY
Abstract. The article talks about the need to improve the reliability of systems and assemblies for aviation and space technology using innovative methods. One of the directions that can significantly improve the reliability of machines is the development of a new class of bearing assemblies using hollow rolling bodies. It is shown that the use of such bearings allows not only to increase the efficiency of equipment, but also to reduce the take-off weight of the machine. Information is given on the work performed by the staff of the Department of Technology and Control Systems in Mechanical Engineering in this direction.
Keywords: reliability, hollow balls, bearings, contact voltages, load capacity
Надежность в авиационной и космической технике играет наиважнейшую роль. Здесь нет места для ошибки, воздушное судно не получится остановить на обочине в случае поломки и заменить или отремонтировать вышедший из строя узел или деталь. Каждая деталь, начиная от якоря турбореактивного двигателя и заканчивая предкрылками самолета, должна
58
бесперебойно функционировать и отрабатывать расчетный ресурс. В не меньшей, если не в большей степени это касается и космических аппаратов. Особенно большое внимание уделяется подвижным шарнирным и подшипниковым узлам. Подбор подшипников для авиапромышленности и космической техники - это очень ответственная задача. Так, в авиации применяется огромное количество подшипников самых различных типоразмеров. Они устанавливаются в валах двигателей, редукторах, климатических системах, электрогенераторах, гидравлических и топливных насосах, закрылках, приводах хвостового редуктора, гироскопах, датчиках наклона параболических антенн, шасси, системах управления и др. По некоторым данным, в современных самолетах используются до нескольких сотен различных подшипниковых узлов [1].
Подшипники для авиастроения и космической техники эксплуатируются в специфических условиях, и поэтому к ним предъявляются особые требования.
Так, тяжелые условия эксплуатации такой техники требуют создания подшипников, успешно справляющихся с воздействием как низких, так и высоких температур, с резким и быстрым их перепадом, влиянием коррозионной среды, экстремальными нагрузками, скоростями вращения до 100 000 оборотов в минуту и выше. И при этом необходимо уложиться в размерные параметры конструкции и ее требуемую массу. Последнее играет очень важную роль. Так, стоимость вывода на орбиту одного килограмма груза военной ракеты-носителя РС-18 («Рокот») превысила 15 тысяч долларов за один килограмм. Несколько меньше стоимость килограмма полезной нагрузки, выводимой на ракете «Союз-2». Она варьируется от 4,5 тыс. долларов за килограмм до почти 10 тысяч. Ракета-носитель «Зенит» выводила в космос грузы по цене в 3,5-4 тысячи долларов за один килограмм, и долгое время она считалась лучшей в классе [2]. Таким образом, уменьшение массы воздушного судна позволяет значительно снизить затраты на его запуск и эксплуатацию. Как видно из приведенной информации, Российской космонавтике и авиации требуются принципиально новые технологические решения - эффективные и менее затратные для заказчика. И одним из таких решений является использование облегченных узлов трения качения. В этом направлении не одно десятилетие работает конструкторская и технологическая мысль. Делаются попытки изготовить конструкции узлов качения с шариками из алюминиевых сплавов, различных керамических материалов, керамических шариков с напыленным металлическим покрытием, полых шариков, шариков с отверстиями для облегчения, полых колец подшипников и многое другое.
Наибольшее внимание привлекают работы исследователей в направлении изготовления для подшипников качения качественных полых металлических шариков. Кроме уменьшенной массы, а разница в массах со сплошными может достигать до 200-250 %, такие шарики позволяют обеспечить использующим их узлам качения и целый ряд других преимуществ.
Не отстает в этой сфере и СГТУ имени Гагарина Ю.А. Так, на кафедре «Технология и системы управления в машиностроении» (правопреемница кафедры «Технология машиностроения») уже не одно десятилетие ведутся работы над созданием как новых конструктивных разновидностей заготовок полых тел качения, так и новых технологий их обработки [3]. Сотрудники кафедры имеют немало авторских свидетельств и патентов на устройства и способы для абразивной обработки полых шариков, продолжаются работы над новыми технологиями их изготовления. Получен приоритет по заявке на изобретение полого шарика с нор-
Машиностроение и машиноведение
мируемой жесткостью, что позволит при одних и тех же габаритах создавать шарики под различную величину нагрузки подшипникового узла. В настоящее время к работам в этом направлении присоединились исследовательские работы над созданием подшипников качения нового класса.
Как известно, в стандартных конструкциях шарикоподшипников в качестве тел качения используется сплошные шарики. При нагружении рабочими нагрузками эти шарики работают на контактную прочность. При этом (из-за низких допускаемых контактных напряжений) прочностные свойства конструкционных материалов не используются в полной мере. У подшипников с полыми телами качения лимитирующим видом рабочей нагрузки являются не контактные напряжения, а напряжения растяжения-сжатия, а величина этих напряжений, допускаемая конструкционными материалами, значительно выше, чем величина допускаемых контактных напряжений. Нагрузочная способность таких подшипников увеличивается по сравнению с аналогами не за счет повышения прочностных свойств конструкционных материалов, а за счет синергетического эффекта от повышения податливости шариков. Эффект заключается в том, что, в результате их упругой деформации, в процесс восприятия рабочей нагрузки включаются все тела качения, расположенные в направлении вектора силы нагру-жения, тогда как в подшипниках со сплошными шариками нагрузку воспринимают один-два из них. Кроме того, в случае использования полых шариков возможно конструктивными решениями создавать внутреннюю силовую структуру и обеспечивать рациональную величину их жесткости (податливости) с целью формирования оптимальных эксплуатационных параметров подшипника.
Возможности, предоставляемые использованием в подшипниках полых тел качения, позволяют сформировать новый класс подшипников - «беззазорные». Такие подшипники, в отличие от стандартных со сплошными шариками, позволяют многократно уменьшить величину вибраций, колебаний, шумов, делая их фактически вибростатичными (виброинертными), что, как известно, достигается в стандартных подшипниках только очень высоких классов за счет повышения точности изготовления их элементов и тщательной селекции при сборке. При этом отсутствие зазоров между кольцами подшипника и телами качения позволяет гораздо быстрее и более плавно перераспределять нагрузку между полыми шариками, что уже в момент запуска в работу узла позволяет избежать рывков, стуков, толчков машины или механизма. Кроме того, подшипники с полыми телами качения за счет уменьшения суммарной массы всех тел, имеют гораздо меньшую величину момента трогания и инерционности (времени торможения), что особенно актуально для работы оборудования в старт-стопном режиме с частыми изменениями нагрузки.
Где потенциально можно найти потребителей на подшипники нового класса? В России это, скорее всего, будут предприятия, выпускающие вертолеты и самолеты на заводах в Арсеньеве, Воронеже, Иркутске, Казани, Комсомольске-на-Амуре, Луховицах, Новосибирске, Нижнем Новгороде, Самаре, Смоленске, Таганроге, Ульяновске и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Подшипники для авиации - Drive2 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.drive2.rU/b/497422634892394725 (дата обращения: 18.01.2021).
2. Какие новые разработки вернут России лидерство в космосе [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://vz.rU/society/2020/11/3/1068741.html (дата обращения: 19.01.2021).
3. Определение погрешности наладочного размера при бесцентровом шлифовании шариков с врезной подачей ведущим кругом / О.П. Решетникова, Б.М. Изнаиров, А.Н. Васин (и др.) // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 2 (85). С. 58-65.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Васин Алексей Николаевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Alexey N. Vasin -
Dr. Si .Tech., Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Изнаиров Борис Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Решетникова Ольга Павловна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Boris M. Iznairov -
PhD (Engineering), Associate Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Olga P. Reshetnikova -
PhD, Associate Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.02.21, принята к опубликованию 04.03.21
