ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ШАРИКОВЫЙ ПОДШИПНИК С УСТОЙЧИВЫМ ВРАЩЕНИЕМ СЕПАРАТОРА

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению. При высокоскоростных режимах эксплуатации подшипника и наличии в нем повышенного момента трения наблюдается нестабильная работа сепаратора.

В шарикоподшипнике сепаратор совершает вращательное движение вокруг центра подшипника с угловой скоростью, совпадающей со скоростью движения комплекта шариков. Нестабильность работы сепаратора характеризуется появлением в плоскости вращения комплекта шариков дополнительного возвратно-поступательного движения центра масс сепаратора относительно базирующего кольца с частотой, на порядок превышающей основную скорость вращения сепаратора. Характерными признаками возникновения высокочастотных колебаний сепаратора является усиление акустического шума и увеличение момента трения в подшипнике. Усиление шума изделия, в котором используется такой подшипник, приводит к отказу потребителя от дальнейшей его эксплуатации. Увеличение момента трения в подшипнике приводит к уменьшению скорости его вращения и потере точности гироскопа.

Известен способ повышения стабильности работы сепаратора за счет использования в подшипнике комплекта шариков, в котором увеличена разница между шариками по диаметру [1].

Недостатком такого способа стабилизации работы сепаратора является то, что при увеличении разноразмерности шариков ускоряется процесс их износа и происходит усиление вибрации подшипника. В итоге это приводит к сокращению срока эксплуатации гироскопа и потере его точности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ [2], предотвращающий нестабильную работу сепаратора, основанный на обеспечении в конструкции шарикоподшипника разных значений зазоров между сепаратором и базирующим кольцом (Δ_БК) с одной стороны, и между шариками и стенками отверстий в сепараторе (Δ_Ш) - с другой стороны. Данный способ основан на том, что вихрение сепаратора в подшипнике происходит только при примерно равных величинах зазоров, т.е. когда Δ_БК≅Δ_Ш.

Проведенное исследование показало, что даже при наличии соотношения зазоров Δ_БК/Δ_Ш=1,7 при наличии увеличенного момента трения в подшипниках, например при отрицательной температуре окружающей среды, возникает неустойчивая работа сепаратора. Это связано с тем, что при увеличении зазора Δ_БК уменьшается трение в зазоре, но при этом под действием центробежного ускорения происходит увеличение силы удара сепаратора с базирующим кольцом, что приводит к усилению нестабильности в работе сепаратора.

Целью изобретения является устранение в шарикоподшипнике неустойчивой работы сепаратора.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции подшипника выполняют соотношение зазоров Δ_БК/Δ_Ш, удовлетворяющее условию

где Δ_БК - зазор между сепаратором и базирующим кольцом, Δ_Ш - зазор между шариками и стенками отверстий в гнезде сепаратора, V_c - линейная скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, V_ш - линейная скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, ω_c - угловая скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, ω_Ш - угловая скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, d_С - диаметр сепаратора, d_Ш - диаметр шарика.

Таким образом, в конструкции подшипника обеспечивают соотношение зазоров Δ_БК/Δ_Ш меньше, чем соотношение между линейными скоростями сепаратора и шарика.

На чертеже показана принципиальная схема шарикоподшипника, где условно изображен шарик 1, находящийся в гнезде сепаратора 2 и расположенный между неподвижным кольцом 3 и подвижным кольцом 4. При этом кольцо 3 является базирующим. Зазор между сепаратором 2 и базирующим кольцом 3 показан как «Δ_БК», а зазор между шариком 1 и сепаратором 2 - «Δ_Ш».

Во время работы подшипника сепаратор периодически совершает соприкосновения с шариком или базирующим кольцом. При соприкосновении шарика с сепаратором происходит передача энергии от шарика к сепаратору. Это приводит к возбуждению сепаратора и появлению составляющей скорости движения сепаратора по направлению к базирующему кольцу. Передача энергии вращения шарика сепаратору пропорциональна коэффициенту трения в зазоре Δ_Ш и определяется материалами сепаратора и шарика, линейной скоростью шарика в точке соприкосновения с сепаратором (V_Ш), вязкостью смазки (η) и величиной зазора между сепаратором и шариком (Δ_Ш).

При соприкосновении сепаратора с базирующим кольцом за счет трения в зазоре Δ_БК происходит демпфирование движения сепаратора. Величина демпфирования пропорциональна коэффициенту трения в зазоре Δ_БК и определяется материалами сепаратора и базирующего кольца, линейной скоростью сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом (V_С), вязкостью смазки (η) и величиной зазора между сепаратором и базирующей поверхностью наружного кольца (Δ_БК). Линейная скорость шарика равна V_Ш=0,5·d_Ш·ω_Ш и определяется его угловой скоростью (ω_Ш) и диаметром (d_Ш). Линейная скорость сепаратора равна V_С=0,5·d_С·ω_С и определяется его угловой скоростью (ω_С) и диаметром (d_С).

Если энергия, получаемая сепаратором от соприкосновения с шариком, превышает энергию, которая поглощается при соприкосновении с базирующим кольцом, то возникает неустойчивое вращение сепаратора, приводящее к увеличению шума и трения в подшипнике.

При проведении сравнительной оценки обеспечения устойчивой работы сепаратора можно сделать ряд упрощений. Так, если принять близкими по свойствам материал шарика и базирующего кольца и однородность вязкости во всем подшипнике, то можно определить соотношение между зазорами Δ_БК и Δ_Ш, при котором потеря энергии на демпфирование высокочастотных колебаний сепаратора будет превышать энергию, полученную от шарика.

где ω_С - угловая скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, ω_Ш - угловая скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, d_С - диаметр сепаратора, d_Ш - диаметр шарика.

Обеспечение в конструкции подшипника такого соотношения зазоров позволяет избавиться от возникновения неустойчивого вращения сепаратора при увеличении момента трения в шарикоподшипнике при его длительной работе или отрицательной температуре окружающей среды.

Экспериментально было подтверждено, что применение в гироскопе подшипников, имеющих соотношение зазоров Δ_БК и Δ_Ш, определенное формулой (2), обеспечивает устойчивую работу сепаратора при тех же экстремальных условиях (отрицательная температура окружающей среды) по сравнению с подшипниками, имеющими отношение зазоров Δ_БК/Δ_Ш>ω_С·d_С/ω_Ш·d_Ш.

Источники информации

1. В.Ф.Журавлев, В.Б.Бальмонт «Механика шарикоподшипников гироскопов», М., Машиностроение, 1986 г., с.141-144.

2. Б.В.Бальмонт, В.А.Матвеев «Опоры качения приборов», М., Машиностроение, 1984 г., с.73-77.