Подшипники, их типы
Очень мало таких машин, в которых не было бы вращающихся
частей - различных колес, рычагов, барабанов. Одни свободно вращаются на своих
осях, другие прочно закреплены на валу и, вращаясь вместе с ним, передают
движение другим деталям механизма. Между соприкасающимися поверхностями
вращающихся деталей колеса, валов и осей и т.д. и опор, на которые они
опираются, возникает трение. Трение препятствует свободному вращению деталей.
Часто это играет положительную роль в технике, именно благодаря трению работают
тормоза. Но трение имеет и отрицательные последствия - оно нагревает металл,
вызывает его износ и может привести к поломке машины.
Вспомните: волочить какой-либо тяжелый предмет по скользкой,
мокрой глине значительно легче, чем по сухому, шероховатому асфальту. А если
приходится волочить по асфальту, то лучше подкладывать под предмет какие-нибудь
катки. На языке техники это значит, что уменьшить трение можно, заменив сухое
трение жидкостным трением скольжения или трением качения.
Опорные участки вала - их называют шипами или шейками -
протачивают, шлифуют и помещают в специальные опоры - подшипники, которые
разделяются на 2 основные группы: подшипники качения и подшипники скольжения.
Подшипники скольжения состоят из корпуса с отверстием и
запрессованной в него втулки, а чаще - из разъемного корпуса и вкладышей. При
сборке вал кладется отшлифованными шейками на нижние половинки вкладышей и
накрывается верхними половинками.
Благодаря тому, что трущиеся детали делают всегда из разных
материалов (валы - из черных металлов, вкладыши - из бронзы или другого
сплава), трение значительно снижается. Но этого мало. На внутренней поверхности
вкладышей имеются бороздки, по которым растекается смазка. Как только вал
начинает вращаться, он затягивает под шейки частицы масла. Постепенно между
валом и вкладышами образуется масляная пленка, она приподнимает вал, и он
вращается, уже не касаясь поверхности вкладышей. Так сухое трение заменяется
жидкостным.
При больших частотах вращения даже трение жидкостного
скольжения вызывает сильный нагрев подшипника. Его надо охлаждать, и это
обязанность также поручается маслу. В одних подшипниках устраивают масляную
ванну, а на вал надевают кольца, которые, вращаясь, подают свежее масло из
ванны на шейку вала. В другие подшипники непрерывно подают масло при помощи
специальных насосов. Масло одновременно и смазывает трущиеся поверхности, и
охлаждает их. Обеспечить надежную работу подшипников скольжения не просто: они
требуют повседневного ухода.
Значительно надежнее и удобнее в эксплуатации подшипники
качения. В таких подшипниках стальные шарики (шариковые подшипники) или ролики
(роликовые подшипники) катятся по канавкам колец, поставленных между
вращающимися валом и неподвижной опорой. На преодоление трения в шариковых
подшипниках тратится всего несколько тысячных долей общей нагрузки на вал.
Смазывать их надо густым маслом только при очередных ремонтах машин.
Решая вопрос о том, какому виду подшипников отдать
предпочтение, надо учитывать, что подшипники скольжения плохо работают при
трогании с места, пока не образовалась масляная пленка (к тому же при резких
толчках на валу эта пленка легко нарушается). Подшипники качения, наоборот,
хорошо работаю при трогании с места. Но и у них есть недостаток: они плохо
переносят очень большие нагрузки, когда давление на шарики или ролики
оказывается чрезмерно большим. Поэтому для каждого узла машины подбирается
соответствующий тип подшипника. И это необходимо учитывать, когда строишь
различные модели.
В обычных электродвигателях, как правило, устанавливают шариковые
подшипники; в редукторах подъемных кранов, в колесных парах железнодорожных
вагонов - роликовые. А в любом автомобиле много различных видов подшипников:
коленчатый вал опирается на подшипники скольжения, полуоси передних колес - на
шариковые, вал ведущей шестерни главной передачи - на конические роликовые и
т.д.
Для мощных авиационных двигателей, гигантских прокатных
станов и других машин, валы которых испытывают очень большие и часто
изменяющиеся нагрузки, применяют ИГОЛЬЧАТЫЕ ПОДШИПНИКИ. У них между кольцами
находятся обильно смазанные тонкие стальные иглы. Сначала такой подшипник
работает как роликовый - иглы катятся по поверхности колец. При увеличении
скорости вала иглы перестают катиться и вместе с маслом образуют внутренне
кольцо, которое скользит между стальными кольцами подшипника. Игольчатый
подшипник сочетает достоинства подшипников скольжения и подшипников качения.
Уменьшить трение можно и другими способами. Вы, вероятно,
слышали о судах на воздушной подушке. Нагнетаемый сильным вентилятором поток
воздуха поступает под днище судна и создает там давление, приподнимающее судно
над водой. Увлекаемое воздушным винтом, такое судно легко скользит по
поверхности воды как бы на воздушной подушке.
На опытах по электричеству в школе вам, наверное, приходилось
видеть, как под действием магнитного поля металлическое кольцо приподнимается
над сердечником сильного электромагнита. Оно как бы лежит на невидимой
магнитной подушке.
Значит, воздушная и магнитная подушки могут уменьшать трение
в различных механизмах. Подшипники с воздушным трением находят применение в
небольших воздушных (или газовых) турбинах, приводимых в движение сжатым
воздухом. Эти турбины имеют очень большие частоты вращения, необходимые для
создания прочной воздушной подушки между вращающимися частями и опорой. Здесь
воздух одновременно приводит в движение турбину, «смазывает» её и охлаждает.
Подшипник (от слова шип) - изделие, являющееся частью
опоры или упора, которое поддерживает вал, ось или иную подвижную конструкцию с
заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение,
качение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим
сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие
части конструкции[1][2]. Изобрел подшипник в 1829 году чешский
лесник Йозеф Рессел.[3]
Опора с упорным подшипником называется подпятником.
Основные параметры подшипников:[4][источник не указан
710 дней]
· Максимальные динамическая
и статическая нагрузка (радиальная и осевая).
· Максимальная скорость
(оборотов в минуту для радиальных подшипников).
· Посадочные размеры.
· Класс точности
подшипников.
· Требования к смазке.
· Ресурс подшипника до
появления признаков усталости, в оборотах.
· Шумы подшипника
Нагружающие подшипник силы подразделяют на:
· радиальную, действующую в
направлении, перпендикулярном оси подшипника;
· осевую, действующую в
направлении, параллельном оси подшипника.
Основные типы подшипников
По принципу работы все подшипники можно разделить на
несколько типов:
· подшипники качения;
· подшипники скольжения;
· газостатические
подшипники;
· газодинамические
подшипники;
· гидростатические
подшипники;
· гидродинамические
подшипники;
· магнитные подшипники.
Основные типы, которые применяются в машиностроении - это подшипники
качения и подшипники скольжения.
Подшипники
качения
Устройство однорядного радиального шарикоподшипника:
1) внешнее кольцо; 2) шарик (тело качения); 3) сепаратор; 4) дорожка качения;
5) внутреннее кольцо.
Подшипники качения различных размеров и конструкций
Подшипники качения состоят из двух колец, тел качения
(различной формы) и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без
сепаратора), отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном
расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего
кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях
колец упорных подшипников качения) выполняют желоба - дорожки качения, по
которым при работе подшипника катятся тела качения.
В некоторых узлах машин в целях уменьшения габаритов, а также
повышения точности и жёсткости применяют так называемые совмещённые опоры:
дорожки качения при этом выполняют непосредственно на валу или на поверхности
корпусной детали.
Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора.
Такие подшипники имеют большое число тел качения и большую грузоподъёмность.
Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже
вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.
В подшипниках качения возникает преимущественно трение
качения (имеются только небольшие потери на трение скольжения между
сепаратором и телами качения), поэтому по сравнению с подшипниками скольжения
снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ. Закрытые подшипники
качения (имеющие защитные крышки) практически не требуют обслуживания (замены
смазки), открытые - чувствительны к попаданию инородных тел, что может привести
к быстрому разрушению подшипника.
Классификация
Классификация подшипников качения осуществляется на основе
следующих признаков:
· По виду тел качения
o Шариковые,
o Роликовые;
· По типу воспринимаемой
нагрузки
o Радиальные,
o Радиально-упорные,
o Упорно-радиальные,
o Упорные,
o Линейные;
· По числу рядов тел
качения
o Однорядные,
o Двухрядные,
o Многорядные;
· По способности
компенсировать перекосы валов[5]
o Самоустанавливающиеся,
o Несамоустанавливающиеся.
Механика
Подшипник представляет собой по существу планетарный
механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колес
выполняют внутреннее и наружное кольца, а тела качения заменяют сателлиты.
Частота вращения сепаратора или частота вращения шариков
вокруг оси подшипника
где n1
- частота вращения внутреннего кольца радиального шарикоподшипника,щ
- диаметр шарика,m = 0,5 (D+d) - диаметр окружности осей шариков.
Частота вращения
шарика относительно сепаратора
Частота вращения сепаратора при вращении наружного кольца
где n3 - частота вращения внешнего кольца
радиального шарикоподшипника.
Из приведенных выше соотношений следует, что при вращении
внутреннего кольца сепаратор вращается в ту же сторону. Частота вращения
сепаратора зависит от диаметра Dщ шариков при неизменном dm:
она возрастает при уменьшении Dщ и уменьшается при увеличении Dщ.
В связи с этим разноразмерность шариков в комплекте
подшипника является причиной повышенного износа и выхода из строя сепаратора и
подшипника в целом.
При вращении тел качения вокруг оси подшипника на каждое из
них действует нагружающая дополнительно дорожку качения наружного кольца центробежная
сила
где m - масса тела качения,
щс - угловая скорость сепаратора.
Центробежные силы вызывают перегрузку подшипника при работе
на повышенной частоте вращения, повышенное тепловыделение (перегрев подшипника)
и ускоренное изнашивание сепаратора. Всё это сокращает срок службы подшипника.
В упорном подшипнике, кроме центробежных сил, на шарики
действует обусловленный изменением направления оси вращения шариков в
пространстве гироскопический момент
Гироскопический момент будет действовать на шарики и во
вращающемся радиально-упорном шарикоподшипнике при действии осевой нагрузки
где 
- полярный момент инерции массы шарика;
с - плотность материала шарика;
щsp и щс - соответственно угловая
скорость шарика при вращении вокруг своей оси и вокруг оси вала (угловая
скорость сепаратора).
Под действием гироскопического момента каждый шарик получает
дополнительное вращение вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной
векторами угловых скоростей шарика и сепаратора. Такое вращение сопровождается
изнашиванием поверхностей качения, и для предотвращения вращения подшипник
следует нагружать такой осевой силой, чтобы соблюдать условие, где Tf
- момент сил трения от осевой нагрузки на площадках контакта шариков с
кольцами.
Условное
обозначение подшипников качения в России
Подшипники с российской маркировкой на выставке
Чашечные подшипники, шарикоподшипники специального назначения
и шарикоподшипниковые узлы
Маркировка подшипников состоит из условного обозначения и
стандартизована в соответствии ГОСТ 3189-89 и условного обозначения завода-изготовителя.
Основное условное обозначение подшипника состоит из семи цифр
основного условного обозначения (при нулевых значениях этих признаков оно
сокращается до 2 знаков) и дополнительного обозначения, которое располагается
слева и справа от основного. При этом дополнительное обозначение, расположенное
слева от основного, всегда отделено знаком тире (-), а дополнительное
обозначение, расположенное справа всегда начинается с какой-либо буквы. Чтение
знаков основного и дополнительного обозначения производится справа налево.
Схема 1 основного условного исполнения для подшипников с
диаметром отверстия до 10 мм, кроме подшипников с диаметрами отверстий 0,6, 1,5
и 2,5 мм, которые обозначаются через дробь.
1. диаметр отверстия, один знак;
2. серия диаметров, один знак;
. знак ноль;
. тип подшипника, один знак;
. конструктивное исполнение, два знака;
. размерная серия (серия ширин или высот), один знак.
Схема 2 основного условного исполнения для подшипников с
диаметром отверстия от 10 мм и выше, кроме подшипников с диаметрами отверстий
22, 28, 32 и 500 мм, обозначаемые через дробь.
1. диаметр отверстия, два знака;
2. серия диаметров, один знак;
. тип подшипника, один знак;
. конструктивное исполнение, два знака;
. размерная серия (серия ширин или высот), один знак.
Знаки условного обозначения:
Слева:
· категория подшипника;
· момент трения;
· группа радиального зазора
по ГОСТ 24810;
· класс точности.
Справа:
· материал деталей;
· конструктивные изменения;
· температура отпуска;
· смазочный материал;
· требования к уровню
вибрации.
Два знака обозначающие диаметр отверстия схемы 2 с
диаметром отверстия от 10 мм до 500 мм если диаметр кратен 5, обозначаются
частным от деления значения диаметра на 5.
Обозначение подшипников с диаметром отверстия 10, 12, 15 и 17
как 00, 01, 02, 03 соответственно. Если диаметр отверстия в диапазоне от 10 до
19 мм отличается от 10, 12, 15 и 17 мм, то ему присваивается обозначение
ближайшего из указанных диаметров, при этом на третьем месте основного
обозначения ставится цифра 9.
Диаметры отверстий 22, 28, 32 и 500 мм, обозначаются через
дробь (например: 602/32 (д=32 мм)
Диаметры отверстия, равные дробному или целому числу, но не
кратное 5, обозначаются целым приближенным частным от деления значения диаметра
на 5. В основное условное обозначение таких подшипников на третьем месте
ставится цифра 9.
Подшипники имеющие диаметр отверстия 500 мм и более,
внутренний диаметр обозначается как номинальный диаметр отверстия.
Обозначение размерных серий
Размерная серия подшипника - сочетание серий диаметров и
ширин (высот), определяющее габаритные размеры подшипника. Для подшипников
установлены следующие серии (ГОСТ 3478):
· диаметров 0, 8, 9, 1, 7,
2, 3, 4, 5;
· ширин и высот 7, 8, 9, 0,
1, 2, 3, 4, 5, 6.
Перечень серий диаметров указан в порядке увеличения размера
наружного диаметра подшипника при одинаковом внутреннем диаметре. Перечень
серий ширин или высот указан в порядке увеличения размера ширины или высоты.
Серия 0 в обозначении не указывается.
Нестандартные подшипники по внутреннему диаметру или ширине
(высоте) имеют обозначение серии диаметра 6, 7 или 8. Серия ширин (высот) в
этом случае не проставляется.
Обозначение типов подшипников
Типы подшипников обозначаются согласно таблице.
|
Обозначение типов подшипников.
|
|
Тип подшипника
|
Обозначение
|
|
Шариковый радиальный
|
0
|
|
Шариковый радиальный сферический
|
1
|
|
Роликовый радиальный с короткими цилиндрическими
роликами
|
2
|
|
Роликовый радиальный сферический
|
3
|
|
Роликовый игольчатый или с длинными
цилиндрическими роликами
|
4
|
|
Радиальный роликовый с витыми роликами
|
5
|
|
Радиально-упорный шариковый
|
6
|
|
Роликовый конический
|
7
|
|
Упорный или упорно-радиальный шариковый
|
8
|
|
Упорный или упорно-радиальный роликовый
|
9
|
Обозначение
конструктивного исполнения
Конструктивные исполнения для каждого типа подшипников,
согласно ГОСТ 3395, обозначают цифрами от 00 до 99.
Знаки
дополнительного обозначения
Слева от основного обозначения ставят знаки:
· класс точности (7, 8, 0, 6Х, 6, 5, 4, 2
(или Т) - в порядке увеличения);
· группа радиального зазора по ГОСТ 24810-81
(1, 2…9; для радиально-упорных шариковых подшипников обозначают степень
преднатяга 1, 2, 3);
· момент трения (1, 2…9);
· категорию подшипников (А, В, С).
Справа от основного обозначения ставят знаки:
· материал деталей
подшипников (например, Е - сепаратор из пластических материалов, Ю - детали
подшипников из нержавеющей стали, Я - подшипники из редко применяемых
материалов (твёрдые сплавы, стекло, керамика и т.д.), W - детали подшипников из
вакуумированной стали, А - обозначение подшипника повышенной грузоподъёмности,
Х, Х1 - кольца и тела качения или только кольца (в том числе одно кольцо) из
цементируемой стали, Р, Р1 - детали подшипников из теплостойких (быстрорежущих
сталей), Г, Г1 - сепаратор из чёрных металлов, Б, Б1 - сепаратор из
безоловянистой бронзы, Д, Д1 - сепаратор алюминиевого сплава, Н, Н1 - кольца и
тела качения или только кольца (в том числе одно кольцо) из модифицированной
жаропрочной стали (кроме подшипников радиальных роликовых сферических
двухрядных), Э, Э1 - детали подшипника из стали марки ШХ со спецприсадками
(ванадий, кобальт и др.).
· конструктивные изменения (например, К -
конструктивные изменения деталей подшипников, М - роликовые подшипники с
модифицированным контактом);
· требования к температуре
отпуска
(Т, Т1, Т2, Т3, Т4, Т5);
· смазочный материал закладываемый в
подшипники закрытого типа при их изготовлении (например, С1, С2, С3 и т.д.);
· требования по уровню
вибрации
(например, Ш1, Ш2, ШЗ и т.д.).
Подшипники
скольжения
Коренной подшипник скольжения, коленвала двигателя с заливкой
баббитом
Подшипник скольжения - опора или направляющая механизма или
машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей.
Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий
цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент - вкладыш, или
втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и
отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом,
который позволяет свободно вращаться валу. Расчёт зазора подшипника,
работающего в режиме разделения поверхностей трения смазочным слоем, производится
на основе гидродинамической теории смазки.
При расчёте определяются: минимальная толщина смазочного слоя
(измеряемая в мкм), давления в смазочном слое, температура и расход смазочных
материалов. В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий
эксплуатации трение скольжения бывает сухим, граничным, жидкостным
и газодинамическим. Однако даже подшипники с жидкостным трением при
пуске проходят этап с граничным трением.
Смазка является одним из основных условий надёжной работы
подшипника и обеспечивает: низкое трение, разделение подвижных частей,
теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды и может быть:
· жидкой (минеральные и
синтетические масла, вода для не металлических подшипников),
· пластичной (на основе литиевого
мыла и кальция сульфоната и др.),
· твёрдой (графит, дисульфид
молибдена и др.) и
· газообразной (различные инертные
газы, азот и др.).
Наилучшие эксплуатационные свойства демонстрируют пористые
самосмазывающиеся подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При
работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и
выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя
остывает и впитывает смазку обратно в поры.
Антифрикционные материалы подшипников изготавливают из
твёрдых сплавов (карбид вольфрама или карбид хрома методом порошковой
металлургии либо высокоскоростным газопламенным напылением), баббитов и бронз,
полимерных материалов, керамики, твёрдых пород дерева (железное дерево).
Классификация
В основу классификации положен анализ режимов работы
подшипников по диаграмме Герси-Штрибека.
Подшипники скольжения разделяют:
· в зависимости от формы
подшипникового отверстия
o одно- или
многоповерхностные,
o со смещением поверхностей
(по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного
вращения),
o со/без смещением центра
(для конечной установки валов после монтажа);
· по направлению восприятия
нагрузки
o радиальные
o осевые (упорные,
подпятники),
o радиально-упорные;
· по конструкции
o разъемные (состоящие из
корпуса и крышки; в основном для всех, кроме I-1),
o встроенные (рамовые,
составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины);
· по количеству масляных
клапанов
o с одним клапаном,
o с несколькими клапанами;
· по возможности
регулирования
o нерегулируемые,
o регулируемые.
Достоинства
· Надежность в
высокоскоростных приводах
· Способны воспринимать
значительные ударные и вибрационные нагрузки
· Бесшумность
· Сравнительно малые радиальные
размеры
· Допускают установку
разъемных подшипников на шейки коленчатых валов и не требуют демонтажа других
деталей при ремонте
· Простая конструкция в
тихоходных машинах
· Позволяют работать в воде
· Допускают регулирование
зазора и обеспечивают точную установку геометрической оси вала
· Экономичны при больших
диаметрах валов
Недостатки
· В процессе работы требуют
постоянного надзора за смазкой
· Сравнительно большие
осевые размеры
· Большие потери на трение
при пуске и несовершенной смазке
· Большой расход смазочного
материала
· Высокие требования к
температуре и чистоте смазки
· Пониженный коэффициент
полезного действия
· Неравномерный износ
подшипника и цапфы
· Применение более дорогих
материалов
Литература
подшипник качение
скольжение
1. Анурьев В.И. Справочник
конструктора-машиностроителя: В 3 т. / Под ред. И.Н. Жестковой. - 8-е изд.,
перераб. и доп.. - М.: Машиностроение, 2001. - Т. 2. - 912 с. - ISBN
5-217-02964-1 (5-217-02962-5), ББК 34.42я2, УДК 621.001.66 (035)
2. Ничипорчик С.Н., Корженцевский М.И.,
Калачев В.Ф. и др. Глава 13. Подшипники скольжения // Детали машин в примерах и
задачах: [Учеб. пособие] / Под общ. ред. С.Н. Ничипорчика. - 2-е изд. - Мн.:
Выш. школа, 1981. - 432 с. - ISBN ББК 34.44 Я 73, УДК 621.81 (075.8)
. Леликов О.П. Основы расчета и
проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу «Детали машин».
- М.: Машиностроение, 2002. - 440 с. - ISBN 5-217-03077-1, УДК 621.81.001.66,
ББК 34.42
. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для
студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с. -
ISBN 5-217-00217-4, УДК 62-2 (075.8), ББК 34.44