Динамические нагрузки и долговечность массивных сепараторов подшипников качения

Рассмотрены причины возникновения дефектов в массивных сепараторах подшипников качения опор газотурбинных двигателей. Предложена методика определения долговечности массивных сепараторов по условиям многоцикловой усталости, которая включает в себя моделирование динамики движения деталей подшипников качения, расчет изменения полей динамических напряжений и оценку усталостной прочности сепаратора. Движение деталей подшипников качения в динамических моделях описано дифференциальными уравнениями с шестью степенями свободы, а взаимодействие деталей — уравнениями контактной гидродинамики. По результатам выполненных расчетов массивных сепараторов шарикового и роликового подшипников качения аэрокосмического назначения проанализировано влияние на многоцикловую усталость сепараторов условий эксплуатации подшипников, их внутренних геометрических параметров и дефекта в виде твердого неметаллического включения, являющегося основным источником возникновения усталостных трещин. Обоснована целесообразность контроля загрязненности неметаллическими включениями заготовок массивных сепараторов из стали 40ХН2МА-Ш.
EDN: LXYPEU, https://elibrary/lxypeu

Литература

[1] Aherwar A., Bajpai R., Khalid S. Investigation to failure analysis of rolling element bearing with various defects. IJMET, 2012, vol. 3, no. 2, pp. 138–149.

[2] Kumbhar S.G., Sudhagar P.E., Desavale R.G. An overview of dynamic modeling of rolling-element bearings. Noise Vib. Worldw., 2021, vol. 52, no. 1–2, pp. 3–18, doi: https://doi.org/10.1177/0957456520948279

[3] Клебанов Я.М., Поляков К.А., Петров В.Р. и др. Проскальзывание в роликовых подшипниках при контактном гидродинамическом трении. Трение и износ, 2022, т. 43, № 1, с. 105–113, doi: https://doi.org/10.32864/0202-4977-2022-43-1-105-113

[4] Zhang R., Guo L., Zong Z. et al. Dynamic modeling and analysis of rolling bearings with rolling element defect considering time-varying impact force. J. Sound Vib., 2023, vol. 562, no. 99, art. 117820, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.117820

[5] Gupta P.K. Modeling of instabilities induced by cage clearances in cylindrical roller bearings. Tribol. Trans., 1991, vol. 34, no. 1, pp. 1–8, doi: https://doi.org/10.1080/10402009108982002

[6] Ghaisas N., Wassgren C.R., Sadeghi F. Cage instabilities in cylindrical roller bearings. J. Tribol., 2004, vol. 126, no. 4, pp. 681–689, doi: https://doi.org/10.1115/1.1792674

[7] Bovet C., Zamponi L. An approach for predicting the internal behaviour of ball bearings under high moment load. Mech. Mach. Theory, 2016, vol. 101, pp. 1–22, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.03.002

[8] Cui Y., Deng S., Zhang W. et al. The impact of roller dynamic unbalance of high-speed cylindrical roller bearing on the cage nonlinear dynamic characteristics. Mech. Mach. Theory, 2017, vol. 118, pp. 65–83, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.08.001

[9] Sakaguchi T., Harada K. Dynamic analysis of cage behavior in a tapered roller bearing. J. Tribol., 2006, vol. 128, no. 3, pp. 604–611, doi: https://doi.org/10.1115/1.2197527

[10] LiuY., Wang W., Liang H. et al. Nonlinear dynamic behavior of angular contact ball bearings under microgravity and gravity. Int. J. Mech. Sci., 2020, vol. 183, art. 105782, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105782

[11] Kingsbury E., Walker R. Motions of an unstable retainer in an instrument ball bearing. J. Tribol., 1994, vol. 116, no. 2, pp. 202–208, doi: https://doi.org/10.1115/1.2927197

[12] Suzuki D., Takahashi K., Itoigawa F. et al. Study on cage wear of railway traction motor bearings based on analysis of rolling element motion. Machines, 2023, vol. 11, no. 6, art. 594, doi: https://doi.org/10.3390/machines11060594

[13] Ye Z., Wang L. Effect of external loads on cage stability of high-speed ball bearings. Proc. Inst. Mech. Eng. J, 2015, vol. 229, no. 11, pp. 1300–1318, doi: https://doi.org/10.1177/1350650115577402

[14] Niu L., Cao H., He Z. et al. An investigation on the occurrence of stable cage whirl motions in ball bearings based on dynamic simulations. Tribol. Int., 2016, vol. 103, pp. 12–24, doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.06.026

[15] Клебанов Я.М., Мурашкин В.В., Поляков К.А. и др. Динамическая нагруженность массивных сепараторов высокоскоростных шарикоподшипников. Вестник машиностроения, 2017, № 11, с. 3–9.

[16] Балякин В.Б., Пилла К.К. Методики расчета долговечности авиационных подшипников. Самара, Изд-во Самарского ун-та, 2023. 76 с.

[17] Sakaguchi T., Ueno K. Dynamic analysis of cage behavior in a cylindrical roller bearing. NTN Tech. Rev., 2004, no. 71, pp. 8–17.

[18] Harada K., Sakaguchi T. Dynamic analysis of a high-load capacity tapered roller bearing. NTN Tech. Rev., 2005, no. 73, pp. 20–29.

[19] Sopanen J., Mikkola A. Dynamic model of a deep-groove ball bearing including localized and distributed defects. Part 1: Theory. Proc. Inst. Mech. Eng. K, 2003, vol. 217, no. 4, pp. 201–211, doi: https://doi.org/10.1243/14644190360713551

[20] Sopanen J., Mikkola A. Dynamic model of a deep-groove ball bearing including localized and distributed defects. Part 2: Implementation and results. Proc. Inst. Mech. Eng. K, 2003, vol. 217, no. 4, pp. 211–221, doi: https://doi.org/10.1243/14644190360713560

[21] Yang Z.Z., Wu J.G., Qin B. et al. ADAMS dynamics simulating and analysis of vibration signal for deep-groove ball bearings. Appl. Mech. Mater., 2013, vol. 312, pp. 254–257, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.312.254

[22] Teutsch R., Sauer B. An alternative slicing technique to consider pressure concentrations in non-Hertzian line contacts. J. Tribol., 2004, vol. 126, no. 3, pp. 436–442, doi: https://doi.org/10.1115/1.1739244

[23] Клебанов Я.М., Мурашкин В.В., Петров Н.И. и др. Влияние условий эксплуатации на работоспособность роликоподшипников ГТД. Вестник машиностроения, 2019, № 11, с. 36–41.

[24] Stacke L.E., Fritzson D., Nordling P. BEAST — a rolling bearing simulation tool. Proc. Inst. Mech. Eng. K, 1999, vol. 213, no. 2, pp. 63–71, doi: https://doi.org/10.1243/1464419991544063

[25] Houpert L. CAGEDYN: a contribution to roller bearing dynamic calculations. Part I: Basic tribology concepts. Tribol. Trans., 2009, vol. 53, no. 1, pp. 1–9, doi: https://doi.org/10.1080/10402000903132093

[26] Xu F., Ding N., Li N. et al. A review of bearing failure modes, mechanisms and causes. Eng. Fail. Anal., 2023, vol. 152, art. 107518, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107518

[27] Shi Z., Liu J., Li H. et al. Dynamic simulation of a planet roller bearing considering the cage bridge crack. Eng. Fail. Anal., 2022, vol. 131, art. 105849, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105849

[28] Мышкина А.В., Акулова С.Н., Кривоносова Е.А. и др. Влияние режимов плазменной обработки на распределение неметаллических включений в стали. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2017, т. 19, № 4, с. 154–171, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2017.4.11

[29] Jirandehi A.P., Khonsari M.M. General quantification of fatigue damage with provision for microstructure: a review. Fatigue. Fract. Eng. Mater. Struct., 2021, vol. 44, no. 8, pp. 1973–1999, doi: https://doi.org/10.1111/ffe.13515

[30] Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчет деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Москва, Машиностроение, 1985. 224 с.

[31] Клебанов Я.М., Поляков К.А., Бражникова А.М. Динамика двухрядных конических роликовых подшипников. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 2, с. 1–16.

[32] Muraki M., Kimura Y. Traction characteristics of lubricating oils. A simplified thermal theory of traction with a non–linear viscoelastic model. JSLEJ, 1983, vol. 28, no. 10, pp. 753–760.

[33] Muraki M. Molecular structure of synthetic hydrocarbon oils and their rheological properties governing traction characteristics. Tribol. Int., 1987, vol. 20, no. 6, pp. 347–354, doi: https://doi.org/10.1016/0301-679X(87)90063-6

[34] Klebanov I.M., Moskalik A.D., Brazhnikova A.M. Critical sliding in rolling bearings under hydrodynamic friction conditions. J. Frict. Wear, 2022, vol. 43, no. 4, pp. 255–261, doi: https://doi.org/10.3103/S1068366622040067

[35] Балякин В.Б., Жильников Е.П., Самсонов В.Н. Теория и проектирование опор роторов авиационных ГТД. Самара, Изд-во СГАУ, 2007. 254 с.

[36] ГОСТ 25.101–83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. Москва, Изд-во стандартов, 1983. 50 с.

[37] Березин И.Я., Чернявский О.Ф. Усталостное разрушение металлов и расчеты на прочность и долговечность при переменных напряжениях. Челябинск, ЮУрГУ, 2003. 76 с.

[38] Шлугера М.А. Гальванические покрытия в машиностроении. Т. 1. Москва, Машиностроение, 1985. 240 с.

[39] Спектор А.Г., Зельбет Б.М., Киселева С.А. Структура и свойства подшипниковых сталей. Москва, Металлургия, 1980. 264 с.

[40] Vincent A., Fougeres R., Lormand G. et al. A physically based endurance limit model for through hardened and surface hardened bearing steels. Bearing Steel Technology, 2002, pp. 459–473, doi: https://doi.org/10.1520/STP10873S