УДК 621.9

Гальмак А.М., Густяков П.В., Котов С.Ю., Беляев Г.Я.

Минск, Республика Беларусь

БЕЛАРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЕТ

Машиностроительный факультет

Влияние частоты вращения внутреннего кольца на шумовые характеристики подшипников качения

Интенсивным источником механической вибрации и шума у многих машин являются подшипники качения. Внутренние силы, вызывающие вибрацию подшипников качения, обусловлены допусковыми отклонениями элементов подшипника и монтажных размеров, зависящими от точности, принятой при изготовлении деталей.

Силы возникают от разностенности колец подшипников, овальности и разноразмерности тел качения, волнистости на дорожках качения, радиального и осевого зазоров между телами качения и кольцами, а также зазора в гнездах сепаратора. Однако даже идеально изготовленный подшипник качения подвержен источником колебаний из-за упругих деформаций деталей, проскальзывания тел качения в местах контакта с кольцами, завихрений воздуха, увлекаемого системой качения.

Колебания подшипников качения проявляются в широкой области от десятков до десятков тысяч Гц, наиболее энергоемкие колебания сосредоточены в области, начиная от частоты вращения вала до 3000 Гц. Следует отметить, что изготовленный с высокой точностью подшипник может стать источником интенсивной вибрации и шума, если подшипник будет неправильно установлен. Другой фактор, влияющий на уровень шума от подшипника, - качество его смазывания. Подшипники скольжения значительно менее виброактивны, чем подшипники качения, особенно на высоких частотах [1].

Основная причина шума, создаваемого подшипниками скольжения, - силы трения между поверхностями подшипника и шейки вала, возникающие в результате неравномерного и неправильного смазывания подшипников. В неправильно смазанных подшипниках возникает контакт поверхностей вала и подшипника и появляется «скрип» в результате скачкообразного движения шейки вала и поверхности опоры. Эти колебания происходят на субгармониках частоты вращения.

Другой источник вибрации и шума в радиальных подшипниках скольжения — процесс, называемый вихревым смазыванием, который возникает в горизонтальных или вертикальных подшипниках с самосмазывающими системами или с принудительными системами смазывания под давлением при незначительных нагрузках. Наличие «вихревого смазывания» определяют по возникновению вибрации с частотой, приблизительно равной половине частоты вращения вала. Эта вибрация является прецессией вала в подшипнике под влиянием смазочного материала. Пленка смазочного материала, непосредственно соприкасающегося с валом в граничном слое, вращается со скоростью вала, а пленка, находящаяся на неподвижной поверхности подшипника, неподвижна.

Средняя частота вращения смазочного материала, примерно равная половине частоты вращения вала, является частотой его прецессии в зазоре подшипника. Совместное действие этой вибрации с вибрацией частоты вращения ротора создаст так называемые резонансные биения.

Проблема снижения шума от подшипников включает три самостоятельные задачи применения подшипников качения с улучшенными шумовыми характеристиками, вибродемпфирование и виброизоляции колебаний передаваемых на корпус машины; создание наиболее благоприятных условий работы подшипников в машине.

Для снижения шума лучше всего применять однорядные радиальные шариковые подшипники; подшипники других типов создают более высокий уровень шума и вибрации. Так, уровень вибрации роликовых подшипников выше, чем у шариковых, на 5 дБ и более. Такую же величину составляет превышение уровней вибрации подшипников тяжелой серии по сравнению с подшипниками средней серии.

Шум и вибрация подшипников качения определяются степенью отклонения элементов подшипников от идеальных геометрических форм, величиной радиального зазора между кольцами и телами качения. Это обстоятельство важно при выборе класса точности подшипников и ряда радиального зазора. Грязь и прочие инородные тела в подшипнике и в смазочном материале могут вдавливаться в дорожку качения и привести к увеличению шума.

Правильный выбор посадок должен обеспечивать фиксацию внутреннего и наружного колец от проворачивания и сохранения необходимых радиальных зазоров. Установлено, что устранение внутренних зазоров в шарикоподшипниках при помощи пружинного осевого натяга в ряде случаев приводит к улучшению виброакустических характеристик машин [2]. При выборе типа смазочного материала для малошумных машин целесообразно не применять слишком густой смазочный материал, так как он плохо демпфирует вибрацию тел качения, заполнять масляную камеру на 50%.

Кроме того, следует учитывать, что конструкция подшипника должна позволять заменять смазочный материал с тщательной промывкой следов старого отработанного смазочного материала, смазочный материал должен обеспечивать стабильность своих свойств при консервации и хранении машины до ввода ее в эксплуатацию. Малошумные машины требуют осторожного обращения при транспортировке и хранении, во избежание бринелирования дорожек качения подшипников качения и, как следствие, ухудшения виброакустических характеристик подшипников.

Радикальным средством снижения шума и вибрации подшипников является переход на подшипники скольжения, имеющие уровни шума на 15-20 дБ ниже, чем у подшипников качения, особенно в области высоких частот. Однако для ряда машин (например, центробежных насосов) использование подшипников скольжения затруднительно по конструктивным и эксплуатационным соображениям.

Авторами в процессе выполнения работы были проведены исследования зависимости уровня общего шума от частоты вращения внутреннего кольца подшипника качения с серийными и упрочненными элементами качения, рисунок 1. Толщина покрытия составляла 1 мкм. Наносилось PVD-покрытие на основе ZrN на магнетронной установке Unicooot 9000 с неуравновешенными магнетронами.

Рисунок 1 - График зависимости уровня общего шума от частоты вращения внутреннего кольца подшипника

Как видно из рисунка 1, с увеличением частоты вращения внутреннего кольца подшипника в достаточно сильной степени возрастает и уровень общего воздушного шума, причем, особенно интенсивно в области частот вращения от 5000 до 7000 Гц. Уровень общего воздушного шума подшипников с упрочненными телами качения начиная с частоты 2200-2500 Гц растет более быстрыми темпами, чем уровень шума серийного подшипника. Вместе с тем, даже при частоте вращения внутреннего кольца, равного 7000 Гц, эта разность составляла не более (7-7,5)%, а уровень шума подшипника с упрочненными телами качения не превышал 55-58 дБ, что значительно меньше значений, допустимых действующими стандартами. Аппроксимация зависимости уровня общего воздушного шума от частоты вращения внутреннего кольца подшипника полиноминальной моделью показала весьма высокую степень соответствия расчетных и фактических значений (R²≈1).

Выводы׃

1. Уровень общего воздушного шума на 98% зависит от частоты вращения внутреннего кольца подшипника и для серийного и для упрочненного подшипников, а на остальные 2% от других факторов, не включенных в модель.

2. Уровень шума подшипника с упрочненными телами качения при больших скоростях вращения на 7-7,5% выше серийного, но не превышает допустимых пределов.

Литература:

1 http://www.un-s.ru/mech_shum.html

2 http://evolution.skf.ru