МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

Тепловыделение в подшипнике в основном связано с трением, возникающим между элементами подшипника (трение качения, трение скольжения), и с выделением тепла, образующимся при перемешивании масла. Расчёт тепловыделения в подшипнике с точным учётом всех факторов сложного процесса трения затруднителен. В расчётах должны быть учтены действительное распределение воспринимаемых нагрузок по телам качения, упругогидродинамическое влияние масла в контакте, а так же действительное распределение скоростей по пятну контакта каждого тела качения. В связи с этим на практике для оценки тепловыделения применяются эмпирические зависимости, полученные при обобщении значительного количества экспериментальных данных [3].

В условиях работы вся мощность, расходуемая на привод подшипника, практически целиком превращается в тепловой поток, идущий на повышение его рабочей температуры.

Большинство подшипников качения (подшипники общего применения) работают при относительно малых частотах вращения и нагрузках. Отвод тепла от подшипника через корпус и вал и его смазывание в масляной ванне достаточны для обеспечения удовлетворительного теплового состояния таких подшипников.

Тепловой баланс в подшипнике может быть установлен, как по моменту трения М (Н·мм), так и по мощности трения N (Вт) или выделившейся при этом теплоты W (Дж).

Методика расчета теплового баланса по справочнику Л.Я. Переля. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор [2].

Тепловыделение трения в этих подшипниках определяется по формуле:

где M – полный момент трения в подшипнике, Н·м;

n – частота вращения подшипника, об/мин.

Количество теплоты, образовавшейся при трении:

Момент трения (Н·мм) в подшипниках общего применения может быть рассчитан по формуле:

где μ – коэффициент трения; P – эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник, Н; d – диаметр отверстия подшипника, м.

В данной формуле не учитывается трение в уплотняющем устройстве.

Методика фирмы FAG Kugelfischer

Данная методика применяется на фирме FAG (Германия) для определения тепловыделения в подшипниках общего применения. FAG Kugelfischer является основоположницей подшипниковой промышленности, уже более 100 лет производит подшипники качения всех конструкций.

На основе испытаний множества подшипников различных типов и размеров вывели следующую эмпирическую зависимость для определения момента трения в подшипнике [3]:

,

где М₀ – момент трения учитывает вязкое трение в подшипнике зависит от типа и размер подшипника, частоты вращения и условий смазывания;

М₁ – момент трения учитывает механическое трение и зависит от нагрузки на подшипник.

Методика фирмы SKF Group

Компания SKF Group (Швеция) одна из ведущих мировым производителей и поставщиков продукции и услуг в областях: подшипники и подшипниковые узлы, уплотнения, мехатроника, сервис и системы смазывания.

Расчет момента трения по методике фирмы SKF производится с учётом трения качения, трения скольжения, трения в смазочном материале и трения скольжения в уплотнениях [4]:

где Mrr – момент трения качения; Msl – момент трения скольжения; Mseal – момент трения уплотнений; Мdrag – момент трения от сопротивления смазки.

Компоненты трения зависят от геометрии и размеров подшипника (внутренний и наружный диаметры, диаметр тел качений), частоты вращения, величин радиальной и осевой нагрузок и от кинематической вязкости масла.

Поскольку расчеты с использованием приводимых здесь формул достаточно сложны, компания SKF рекомендуем использовать инструменты расчета, имеющиеся в «Интерактивном инженер­ ном каталоге SKF» на интернет-сайте [4].

Методика расчета по ГОСТ 32305— 2013 (ISO 15312:2003)

«Подшипники качения. Номинальная тепловая частота вращения. Расчет и коэффициенты»

Данный стандарт [1] определяет номинальную тепловую частоту вращения подшипников, смазываемых методом масляной ванны, и устанавливает принципы расчета для нахождения значе­ния данного параметра.

Расчет номинальной тепловой частоты вращения основан на энергетическом балансе в узле подшипника качения при базовых условиях. Потеря мощности (Вт) в подшипнике при базовых условиях на номинальной тепловой частоте вращения равна тепловому потоку (Вт), выделяемому подшипником:

N_r = Ф_r

Потеря мощности на трение в подшипнике, работающем при номинальной тепловой частоте вращения при базовых условиях:

где  – номинальная тепловая частота вращения, мин^-1;  – момент трения, независимый от нагрузки, при базовых условиях и номи­нальной тепловой частоте вращения  , Н·м;  – момент трения, зависимый от нагрузки, при базовых условиях и номи­нальной тепловой частоте вращения , Н·м;

Поток теплоотдачи (Вт) подшипника качения при базовых условиях вычисляют исходя из базовой плотности потока теплоотдачи q_r (Вт/м²) и базовой площади поверхности теплоотдачи А_г (м²):

Исходя из равенства для потери мощности на трение и равенства для выделяемого теплового потока определяют из уравнения тепловую частоту вращения  методом после­довательных приближений, который приведен в приложении В [1]:

Стандарт не распространяется на упорные шариковые подшипники, поскольку кинематические эффекты в этих подшипниках не позволяют применять номинальную тепловую частоту вращения, определенную в данном стандарте.

Рассмотренные методики применимы для частот вращения, не превышающих предельную (номинальную) тепловую частоту вращения подшипника, при которой достигается баланс между тепловой мощностью, производимой трением в подшипнике, и тепловым потоком, передаваемым через контактирующие с валом и корпусом поверхности подшипника.

Список литературы:

1. ГОСТ 32305-2013 (ISO 15312:2003) Подшипники качения. Номинальная тепловая частота вращения. Расчет и коэффициенты. – М.: Стандартинформ, 2014.
2. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. – М.: Машиностроение, 1983. – 543 с., ил.
3. Петров Н.И., Лаврентьев Ю.Л. Сравнение различных методик расчёта тепловыделения в радиально-упорных шарикоподшипниках // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 2. С. 154-163. DOI: 10.18287/2541-7533-2018-17-2-154-163
4. www.skf.com
5. http://www.s-graciya.ru/upload/file/FAG/5-smaz.pdf
6. http://www.podshipnik.ru/