Динамический анализ и совершенствование конструкции арочного шарикового подшипника газотурбинного двигателя

Авиационная и ракетно-космическая техника

2025. Т. 32. № 3. С. 166-175.

Авторы

Адеянов И. Е.1*, Клебанов Я. М.1**, Соколов А. А.2***, Поляков К. А.1****, Петрухин А. Г.2*****

1. Самарский государственный технический университет, 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141
2. «ОДК-Кузнецов», Заводское шоссе, 29, Самара, 443009, Россия

*e-mail: adigorev@gmail.com
**e-mail: jklebanov@mail.ru
***e-mail: aa.sokolov@uec-kuznetsov.ru
****e-mail: garry_c@rambler.ru
*****e-mail: ag.petruhin@uec-kuznetsov.ru

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы анализа и совершенствования конструкций многоточечных шариковых подшипников, работающих в условиях высоких скоростей, больших комбинированных осевых, радиальных и моментных нагрузок, высоких температур и других экстремальных внешних воздействий, характерных для авиационных двигателей. Несмотря на существенные эксплуатационные преимущества таких подшипников, в литературе имеются лишь единичные исследования, направленные на совершенствование их геометрии и определение оптимальных условий нагружения.
В работе использовались две компьютерные модели: многомассовая динамическая, учитывающая гидродинамическое трение, и квазистатическая, основанная на принципе Даламбера и учитывающая контактные деформации. Первая модель позволяет наиболее детально изучить все особенности работы подшипника, вторая - быстро рассмотреть большое количество расчетных случаев. По данным обоих видов моделирования проводилось определение числа точек контакта шариков и дорожек качения, запаса по выходу шариков на борт. Динамическое моделирование позволило оценить возможность заедания, плавность работы подшипника, а его результаты использовались для расчета усталостной прочности сепаратора. Решение перечисленных задач выполнялось для двух модификаций конструкции подшипника типоразмера 126130 промежуточной опоры газотурбинного двигателя НК-36СТ. Для них выбирались оптимальные значения параметров внутренней геометрии и сравнивались эксплуатационные характеристики применительно к условиям эксплуатации в опоре.
С этой целью моделировались различные варианты сочетаний параметров внутренней геометрии подшипников, включая рабочий радиальный зазор и угол перекоса колец подшипника. Было показано, что модификация с большим диаметром шариков и меньшим их числом обладает лучшими эксплуатационными характеристиками. Для повышения эксплуатационных характеристик подшипника были разработаны рекомендации, касающиеся значений параметров его внутренней геометрии, включающие размеры радиусов профилей дорожек качения, рабочего радиального зазора, смещения профиля внутреннего кольца, зазора плавания и толщины сепаратора.

Ключевые слова:

многоточечный подшипник, выход шарика на борт, динамика шариков и сепаратора, несоосность колец подшипника, рабочий радиальный зазор, усталостная выносливость сепаратора, параметры внутренней геометрии

Список источников

  1. Lavrentyev Y.L., Petrov N.I., Nozhnitsky Y.A. Empirical correlation of heat generation in hybrid ball bearings, depending on the operational conditions in the aero-engine rotor supports // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1777. No. 1: 012046. DOI: 10.1088/1742-6596/1777/1/012046
  2.  Серафимов П.П. Анализ причин основных отказов роторных подшипников авиационных ГТД // XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): сборник трудов Международной молодежной научной конференции (10–11 ноября 2021; Казань). Казань: ИП Сагиева А.Р., 2021. Т. II. С. 104–108. EDN IBDXPT
  3.  Xu T.F., Yang L.H., Wu W., et al. Effect of angular misalignment of inner ring on the contact characteristics and stiffness coefficients of duplex angular contact ball bearings // Mechanism and Machine Theory. 2021. Vol. 157. No. 10: 104178. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2020.104178
  4.  Ковалев М.П., Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980. 375 с.
  5.  Zhu Yu. Aero engine main bearing and rotor system dynamics modeling and analysis study. Doctoral thesis. Xi'an Jiaotong University. 2019.
  6.  Hong J., Ma Y.H., Zhang D.Y. The overall structure of aviation gas turbine design and dynamic analysis. Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2014.
  7.  Li Z., Wang C., Hu X., et al. Study on the effect of angular misalignment and axial preload on the mechanical properties of four-point angular contact ball bearings// Mechanism and Machine Theory. 2024. Vol. 193. No. 1: 105565. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2023.105565
  8.  Барманов И.С. Численные исследования характеристик радиальной и осевой жесткости гибридного шарикового подшипника качения // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2022. № 15. С. 47–52. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-47-52
  9.  Балякин В.Б. Пилла К.К. Методики расчета долговечности авиационных подшипников. Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2023. 76 с.
  10.  Wang P.F., Yang Y., Ma H., et al. Vibration characteristics of rotor-bearing system with angular misalignment and cage fracture: simulation and experiment // Mechanical Systems and Signal Processing. 2023. Vol. 182. No. 7: 109545. DOI: 10.1016/j.ymssp.2022.109545
  11.  Семенова А.С., Кузьмин М.В., Кирсанов А.Р. Численное моделирование вращения межроторного подшипника с имитацией реальных условий работы // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 2. С. 124-132. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=180655
  12.  Rivera G., Tong V., Hong S. Contact load and stiffness of four-point contact ball bearings under loading // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2022. Vol. 23. No. 4, pp. 677-687. DOI: 10.1007/s12541-022-00643-0
  13.  Белоусов Ю.В., Кириловский В.В., Рекач Ф.В. Исследование влияния степени соприкосновения поверхностей качения на контактные напряжения в шариковых радиальных подшипниках // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2022. Т. 23. № 3. С. 213–223. DOI: 10.22363/2312-8143-2022-23-3-213-223
  14.  Клебанов Я.М., Мурашкин В.В., Поляков К.А., и др. Динамическая нагруженность массивных сепараторов высокоскоростных шарикоподшипников // Вестник машиностроения. 2017. № 11. C. 3-9.
  15.  Клебанов Я.М., Поляков К.А. Влияние трения верчения на динамику шариковых подшипников // Динамика и виброакустика машин: сборник докладов VII Международной научно-технической конференции (04–06 сентября 2024; Самара). Самара: Изд-во Самарского университета, 2024. С. 199–200.
  16.  Houpert L., Clarke J., Penny C. Tribological Models for Advanced Ball Bearing Simulation // Tribology Transactions. 2023. Vol. 66. No. 4, pp. 645–660. DOI: 10.1080/10402004.2023.2213470
  17.  Изнаиров Б.М., Васин А.Н., Изнаиров О.Б. Математическое исследование условий контактирования тел качения шарикового радиально-упорного подшипника // Технология машиностроения. 2021. № 4. С. 51–53.
  18.  Клебанов Я.М., Москалик А.Д., Бражникова А.М. Критическое скольжение в подшипниках качения при гидродинамическом трении // Трение и износ. 2022. Т. 43. №. 4. С. 387-396. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-4-387-396
  19.  Клебанов Я.М., Урлапкин А.В., Адеянов И.Е., и др. Динамические нагрузки и долговечность массивных сепараторов подшипников качения // Динамика и виброакустика машин: сборник докладов VII Международной научно-технической конференции (04–06 сентября 2024; Самара). Самара: Изд-во Самарского университета, 2024. С. 285–287.
  20.  Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчет деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025