УДК 621.77.06

ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ РОЛИКАМИ И ДОРОЖКАМИ КАЧЕНИЯ В ВИДЕ ЭКВИДИСТАНТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОДНОПОЛОСТНОГО ГИПЕРБОЛОИДА (ДЛЯ ОПОР ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ)

Хлопонин Виктор Николаевич
ЗАО «Исток МЛ»
заместитель директора доктор технических наук, профессор

Аннотация
Представлен принципиально новый роликовый подшипник качения, содержащий цилиндрические ролики, перекатывающиеся по внутренней и наружной эквидистантным поверхностям качения, выполненным с использованием свойств однополостного гиперболоида.
Приведен макет подшипника. С использованием известных положений получены зависимости для назначения основных размеров подшипника.
Зависимости базируются на использовании параметров известных подшипников с цилиндрическими роликами, измененных за счет применения в конструкции эквидистантных поверхностей качения роликов в виде поверхности однополостного гиперболоида. Подшипник обеспечивает восприятие радиальных и осевых нагрузок. Предложено применение подшипника в качестве опор валков листопрокатных клетей. Илл. 6, фот. 2, библ. 4 наим.

Ключевые слова: , , , , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Хлопонин В.Н. Подшипник качения с цилиндрическими роликами и дорожками качения в виде эквидистантных поверхностей однополостного гиперболоида (для опор валков прокатных станов) // Современные научные исследования и инновации. 2018. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2018/04/86276 (дата обращения: 07.06.2018).

В процессе прокатки полос и листов в клетях возникают значительные радиальные нагрузки (до 120…160 МН). Существенными при этом (до 2 % и выше от радиальных нагрузок) являются осевые нагрузки. Указанные радиальные и осевые нагрузки воспринимают подшипниковые опоры валков и через подушки валков и нажимной механизм передают на станины клетей.
Для обеспечения заданной точности толщины прокатываемых полос и листов габаритные размеры всех этих деталей прокатных клетей крайне ограничены из-за необходимости максимального уменьшения суммарной величины их упругой деформации.
Совокупность отмеченных положений заставляет использовать в опорах валков подшипники сверхлёгких и лёгких серий диаметров, а необходимую грузоподъёмность подшипниковой опоры обеспечивать применением многорядных (до четырёх рядов) роликовых подшипников.
Для восприятия усилий прокатки в клетях листовых станов широко применяют роликовые подшипники с коническими или цилиндрическими роликами. Основной недостаток подшипниковой опоры с коническими роликами состоит в том, что нагрузка, возникающая при прокатке, неравномерно распределяется между рядами роликов, что сказывается на качестве прокатываемых полос.
В этом отношении применение опоры валков в виде многорядных подшипников с цилиндрическими роликами является более предпочтительным. Но для восприятия осевых усилий в этих подшипниках необходима дополнительная опора с шариковыми [1, 67-71] или радиально-упорными [2, 473-483] подшипниками. Однако в обоих отмеченных случаях заметно удлиняется шейка валка, выходя за пределы станины.
В работе [3] предложено сохранить в прокатных клетях отмеченные достоинства применения подшипников с цилиндрическими роликами, но изменить условия контакта роликов с поверхностями качения внутреннего и наружного колец подшипника, обеспечив за счет этого возможность восприятия подшипниками осевых нагрузок.
В роликовом подшипнике дорожку поверхности качения внутреннего кольца предложено выполнить в виде поверхности однополостного гиперболоида, поверхность дорожки качения наружного кольца сделать эквидистантной указанной поверхности внутреннего кольца, а между дорожками качения расположить цилиндрические ролики, продольные оси которых параллельны прямым образующим указанных поверхностей качения подшипника.
Рисунки 1-4 иллюстрируют основные конструктивные особенности предложенного подшипника.
Подшипник имеет внутреннее кольцо 1 и наружное кольцо 2 с единой осью колец Z (рис. 1 а и б).

а
б
а) продольный разрез подшипника; б) вид подшипника с торца (без роликов)

1 – внутреннее кольцо подшипника; 2 – наружное кольцо подшипника; 3 – наружная поверхность качения внутреннего кольца подшипника; 4 – внутренняя поверхность качения наружного кольца подшипника; 5 – цилиндрический ролик качения подшипника; 6 и 7 – два возможных варианта расположения осей цилиндрических роликов качения в подшипнике.D – диаметр поверхности наружного кольца подшипника; d – диаметр отверстия внутреннего кольца подшипника; B – ширина колец подшипника; dр – диаметр ролика качения подшипника; lр – длина ролика качения подшипника; D0 – диаметр наружной поверхности внутреннего кольца качения подшипника в середине его ширины; D1 – диаметр наружной поверхности внутреннего кольца подшипника на его торцах; A – хорда, определяющая расположение осей роликов качения подшипника; α - угол наклона роликов качения подшипника относительно оси Z подшипника; М1-М5 – пять точек, характеризующих гиперболу 3 (М1 – вершина гиперболы)

Рисунок 1. Основные элементы подшипника

Внутреннее кольцо 1 обрамлено поверхностью 3, формируемой вращением прямых образующих 6 (или 7) относительно оси Z. Прямые 6 и 7 образуют каждая угол α с осью Z (рис. 1 а) и пересекаются в точке О, лежащей на оси y и делящей каждую прямую 6 и 7 пополам. Кривая 3, обрамляющая внутреннее кольцо 1, является гиперболой [4], вершина которой точка М1; точка О - центр гиперболы, ось Z - мнимая ось гиперболы, ось y - действительная ось гиперболы.
Внутренняя поверхность качения 4 наружного кольца 2 эквидистантна поверхности качения 3 внутреннего кольца 1. Диаметральный зазор между поверхностями 3 и 4 при полном совпадении их горизонтальных осей с осью Z равен диаметру dр цилиндрических роликов 5 подшипника, которые размещают между этими поверхностями. Гипербола 3 при вращении относительно оси Z образует однополостный гиперболоид, описываемый уравнением [4]:

(1)

где  - действительная,  - мнимая полуоси однополостного гиперболоида (см. ниже).

В этом уравнении для внутреннего кольца 1 подшипника величина b = D0/2 и отражает наименьшее расстояние между ветвями гиперболы 3 (положение точки М1 на рис. 1).
Согласно рисунку 2 при рассмотренном на рис. 1 исполнении поверхностей качения 3 и 4 внутреннего 1 и наружного 2 колец, ролики подшипника устойчиво контактируют с этими поверхностями качения. При этом доминирующим с точки зрения устойчивости ролика 5 является его контакт 8 с поверхностью качения 3 внутреннего кольца 1 подшипника. Влияние контакта 9 ролика 5 с поверхностью 4 наружного кольца 2 подшипника на устойчивости ролика проявляется в меньшей степени, так как обусловлен принятыми длиной ролика l и углом его наклона α к оси Z подшипника.

1-5 – см. обозначения на рис. 1; 8 – контакт ролика качения с внутренним кольцом подшипника; 9 – контакт ролика качения с наружным кольцом подшипника. D, d, D0, D1, lр, dр – см. на рис. 1Рисунок 2. Вид сектора подшипника с его торца в момент прохождения роликом положения, когда на него действует максимальная нагрузка

Рис. 3, исполненный в трех осях координат, наглядно иллюстрирует особенности контакта ролика 2 длиной lр и диаметром dр с внутренним кольцом 1 подшипника по прямолинейным образующим 5 поверхности качения 3 этого кольца. Диаметры D0 и D1 соответствуют диаметрам аналогичного назначения на рис. 1. Точка  является точкой М1, углы α и параметр А аналогичны принятым на рис. 1.

1 – внутреннее кольцо подшипника; 2 – ролик качения подшипника; 3 – наружная поверхность внутреннего кольца подшипника, выполненная в виде поверхности однополостного гиперболоида; D0 - диаметр наружной поверхности внутреннего кольца подшипника в середине его ширины; D1 - диаметр внутреннего кольца наружной поверхности подшипника на его торцах; d - диаметр отверстия внутреннего кольца подшипника; dр - диаметр ролика качения подшипника; lр - длина ролика качения подшипника; A - хорда, определяющая расположение осей роликов качения подшипника (прямолинейных образующих однополостного гиперболоида) относительно оси Zподшипника; оси Z и  - параллельныРисунок 3. Объемная картина расположения ролика качения подшипника относительно осей (xyz) координат

Полномасштабно контакт роликов 5 подшипника с внутренним 1 и наружным 2 кольцами подшипника приведен на рис. 4, на котором представлено продольное сечение вдоль оси одного из роликов (например, сечение Г-Г на рис. 1).

Рисунок. 4. Сечение Г-Г подшипника на рис. 1 а вдоль направления продольной оси одного из роликов качения подшипника (вдоль прямолинейной образующей однополостного гиперболоида)

Определяющим параметром разработанного подшипника, отличающим его от традиционных подшипников с цилиндрическими роликами, является отклонение оси цилиндрических роликов на угол α от продольной оси Z подшипника, определяющее диаметры отверстия внутреннего кольца и наружной поверхности наружного кольца подшипника.
Значения угла α определяют величину осевых усилий, восприятие которых может обеспечивать подшипник. Величина угла α задается на стадии проектирования подшипника.
При назначении величины угла α возможны два предельных его значения. Первое – при принятии условия, что все ролики подшипника равномерно воспринимают осевое усилие, возникающее в очаге деформации. Второе – при принятом на практике положении [2], что наибольшее радиальное усилие воспринимает ролик 5 подшипника в момент прохождения положения, показанного на рис. 2.
Учитывая существенные колебания значений усилия прокатки, оправданно принятие второго из указанных положений. В этом случае, согласно [2], наибольшее значение радиального усилия, воспринимаемого роликом подшипника, имеет место в момент прохождения им участка, диаметрально противоположного очагу деформации прокатываемого металла, и равно где  - усилие, действующее на подшипниковую опору, n - число роликов в подшипнике.
В нашем случае указанная наибольшая радиальная нагрузка примерно равна отмеченному значению , так как ролики подшипника в процессе контакта с поверхностями 3 и 4 на рис. 1 а образуют угол α с осью Z (рис. 1 и 3).
Полученное значение  разложим на осевую  и радиальную  составляющие. Начальной операцией разложения нагрузки  на осевую и радиальную составляющие является отмеченное выше назначение угла α расположения роликов подшипника относительно его горизонтальной оси.
Принятое значение угла α позволяет вычислить величину  на рис. 1, характеризующую наклон осей роликов подшипника к его продольной оси:

(2)

где  - ширина подшипника (точнее длина роликов lр на рис. 3 подшипника).

По формуле 

(3)

определяем диаметр  точек (точки М2 и М3 на рис. 1) «выхода» гиперболы 3 на торцевые ( на рис. 1) поверхности внутреннего кольца подшипника.
Значения  и  определяют положение точек М2 и М3 на рис. 1. Подставив значения Z и y в уравнение (1), определяем значение мнимой полуоси С.
Для Z = ± B/4 из уравнения (1) находим величину y для точек М4 и М5 гиперболы на рис. 1. Известно [4, стр. 213], что через заданные пять точек проходит единственная кривая второго порядка. В нашем случае известны координаты пяти точек гиперболы: М15 на рис. 1.
Совокупность отмеченных положений использована при назначении размеров и изготовлении макета подшипника. Цель изготовления – оценить сочленения поверхностей деталей подшипника.
Макет подшипника имел размеры: α = 17°30ґ, D0 = 125 мм, D1 = 130 мм, B = 120, dр = 10 мм и lр = 120 мм.
Получено, что изготовление поверхностей 3 и 4 подшипника в соответствии с описанием к рис. 1 и цилиндрических роликов в указанных значениях диаметра dр и длины lробеспечивает полное их сочленение на всей ширине поверхностей качения подшипника. Отмеченное иллюстрирует рис. 5 макета подшипника.

а
б
а) внешний вид подшипника с вырезом части наружного кольца; б) поперечный разрез подшипника

Рисунок 5. Роликовый подшипник с поверхностями качения в виде эквидистантных поверхностей однополостного гиперболоида и цилиндрическими роликами

Правомерность указанного заключения иллюстрируют также фотографии 1 и 2 макета подшипника отмеченных размеров, изготовленного из пластмассы. На фотографии, рисунок 6:а) приведен вид с торца подшипника, на фотографии б) – расположение одного из роликов подшипника по углу его наклона.

а
б
а) вид с торца; б) вид с торца по направлению одного из роликов подшипника

Рисунок 6. Фотографии макета подшипника, изображенного на рис. 5 (но без внутреннего отверстия)

Изготовление макета подтвердило хорошее сочленение роликов с поверхностями качения подшипника.
В начале статьи было отмечено, что разработка настоящего подшипника в частности обусловлена потребностью в них клетей листопрокатных станов. Сказано также, что подшипниковая опора валков этих клетей обычно многорядная (до четырех рядов подшипников).
В многорядной компоновке рассмотренных подшипников целесообразно использовать отмеченное свойство однополостного гиперболоида иметь два семейства прямолинейных образующих (6 и 7 на рис. 1, 12 и 13 на рис. 7), целиком лежащих на поверхности гиперболоида. Использование этого свойства позволяет компоновать четырехрядную опору прокатного валка из полностью одинаковых подшипников, способную воспринимать разнонаправленные осевые нагрузки.

I-IV – оси симметрии подшипников; P – усилие прокатки, действующее на подшипниковую опору.1 – бочка валка; 2 – шейка валка; 3 – цилиндрический ролик подшипника качения; 4 и 5 – поверхности качения роликов в виде поверхности однополостного гиперболоида 5 и эквидистантной ей поверхности 4; 6 – внутреннее и наружное кольца подшипника; 7 – подушка валка; 8, 9 и 11 – дистанционные кольца; 10 – центральная ось симметрии валка; 12 и 13 – расположение осевых линий цилиндрических роликов качения подшипниковРисунок. 7. Схема опоры прокатного валка, содержащей четыре подшипника с поверхностями качения цилиндрических роликов в виде однополостного гиперболоида

Для реализации этих положений подшипниковую опору листопрокатных клетей целесообразно укомплектовать подшипниками таким образом, что цилиндрические ролики подшипника с осью симметрии I на рис. 6 контактируют с одним семейством прямолинейных образующих 13, а в подшипнике с осью симметрии II – с другим семейством прямолинейных образующих 12. Отметим, что расположение рядов I – IV в подшипниковой опоре с отмеченным различием контакта их роликов может быть произвольным, но предпочтительно подшипники с одинаковым расположением роликов располагать в опоре рядом.
Существенным для разработанной опоры валков листопрокатных клетей, содержащей четыре ряда подшипников, является возможность применения для подшипниковой опоры на рис. 6 полностью одинаковых деталей, так как различие в их восприятии осевой нагрузки обеспечено использованием свойства однополостного гиперболоида иметь два семейства прямолинейных образующих.

Вывод. Предложена подшипниковая опора прокатных валков, содержащая на валу подшипники качения с цилиндрическими роликами, обеспечивающими восприятие больших радиальных и существенных осевых нагрузок. Основу предложения составляет применение в роликовом подшипнике дорожек качения в виде поверхности однополостного гиперболоида. Использование разработанной опоры наиболее эффективно в многорядных подшипниковых опорах валков листопрокатных клетей горячей и холодной прокатки, а также в других случаях необходимости использования радиальных роликовых подшипниковых опор, воспринимающих значительные осевые нагрузки.

Поделиться в соц. сетях

0

Библиографический список
  1. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов. Учебник для вузов. – 4е изд. – М.: Металлургия, 1987. 480 с.
  2. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. Машиностроение, 1992. – 668 с.: ил.
  3. Патент № 2585437. РФ, F16C19/22. Хлопонин В.Н., Романцев Б.А., Гончарук А.В. Роликовый подшипник. Бюлл. № 15 от 27.03.16.
  4. Бронштейн И.Н. и Семендяев К.А. Справочник по математике. Издание шестое, стереотипное. Госиздат научно-технической литературы. М., 1956, с. 228-231.


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «irishka2910»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация