Расчет ресурса подшипника необходим для определения допустимого срока службы в условиях определенного режима работы и совокупности нагрузок. Ресурс относится к понятию работоспособности подшипниковых узлов, расчетами которой занимаются заводы-изготовители, конструкторские бюро и научно-исследовательские институты для определения наиболее подходящих конструкций, типов и габаритов изделий. Расчеты ресурса подшипников качения и скольжения существенно отличаются и это обусловлено разными принципами внутреннего трения.
Ресурс подшипника определяется зависимостью расчетного срока службы (долговечности) от контактной усталости (начала разрушения). Расчетный срок службы ― это период времени, в ходе которого не менее 90% партии подшипников работают в одинаковых условиях без возникновения признаков усталости. Расчеты начинаются с определения:
- эквивалента динамической нагрузки, который составляют отдельные направления приложения усилий вращения, радиального и осевого отягощений;
- грузоподъемности динамической, то есть способности подшипника выдерживать комплекс нагрузок.
Обобщенные теоретические формулы доступно демонстрируют зависимость срока службы подшипника качения от нагрузок:
где
L - это расчетный срок службы; Р - эквивалентная динамическая нагрузка; С - динамическая грузоподъемность; m=3 для шариковых, m=10/3 для роликовых подшипников.
Практические расчеты ресурса выполняются по более сложным формулам и требуют уточненных исходных данных:
- схемы нагрузок на вал и диаметры его цапф;
- переменного режима вращения;
- необходимого класса надежности;
- температуры окружающей среды;
- перегрузок при запусках/торможениях.
По значению расчетного ресурса конструкторы узлов профильного оборудования подбирают ту или иную модель соответствующего подшипника. Ресурс выражается в часах или миллионах оборотов.
Расчет подшипников на прочность
Характеристика контактной прочности показывает способность материала элементов подшипника выдерживать значительные напряжения на площади соприкосновения. Поскольку в подшипниках качения контакт точечный (в шариковых) или линейный (в роликовых) эта площадь стремится к нулю, соответственно, значения контактных напряжений сильно возрастают. Даже статическая нагрузка имеет значительное влияние на работоспособность подшипников и способна нарушить их геометрию.
Расчет прочности комплектующих подшипников относится к теоретическому разделу физики “сопротивление материалов”. Помимо теории, современные научно-практические исследовательские центры ведущих подшипниковых производителей на основе стандартов ISO занимаются исследованием прочности и ресурса подшипников, используя высокоточное компьютеризированное оборудование, специальные стенды, имитирующие разные нагрузки.
Расчет подшипников скольжения более усложнен ввиду внутреннего гидродинамического трения, постоянного износа втулки и цапфы, из-за чего меняются зазор и значения контактного давления.
Расчет эксплуатационного ресурса подшипников скольжения сводится к следующему алгоритму:
- Находят пропорцию износа цапфы относительно износа втулки: а) износ цапфы; б) износ втулки
- Вычисляется угол контакта сопряжения;
- Рассчитывается предельный угол контакта;
- Считается ресурс сопряжения;
- Ресурс сопряжения переводится в часы рабочего ресурса.
Согласно формулам и графикам, делают также обратные расчеты, когда по исходному ресурсу подбираются габариты подшипников, допустимая грузоподъемность, а также материал цапфы/втулки.