Общие сведения о подшипниках

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР.СУТ.МО-41.2012.12

ВВЕДЕНИЕ

Подшипник – это конструктивный узел машины, который служит опорой для вращающихся вала или оси, воспринимающих радиальную и (или) осевую нагрузку. Подшипник предназначен для сохранения положения оси вращения вала, снижения трения между движущейся и неподвижной частями машины, уменьшения их нагрева и износа.

По кинематическому признаку различают подшипники скольжения и  подшипники качения.

Подшипники качения представляют собой опору вращающейся части  машины, работающую в условиях преобладающего трения качения. По форме тел качения  подшипники подразделяются на шариковые, игольчатые, роликовые с цилиндрическими, коническими, витыми, и бочкообразными роликами.

Шариковые подшипники предназначены  для эксплуатации при высоких  скоростях и сравнительно низких нагрузках. Это обусловлено низкими  потерями на трение и малой площадью контакта шарика с желобом.

По сравнению с подшипниками скольжения подшипники качения обладают рядом преимуществ. В частности, они менее требовательны к свойствам смазочного материала и менее чувствительны к его отсутствию, перебоям в подаче или ограниченному подводу; обладают значительно меньшим моментом трения, особенно при переходе от статического к динамическому контакту; при одинаковых режимах нагружения в меньшей степени нагреваются и требуют менее интенсивного теплоотвода; не требуют специального выбора материалов для изготовления сопрягаемых тел применительно к условиям нагружения.

При выборе смазочных материалов для шарикоподшипников следует  иметь в виду, что основным видом  изнашивания является не задир и  схватывание, а усталостное выкрошивание (питтинг). Поэтому применение смазочных  материалов с противозадирными присадками не повысит долговечность подшипников, а может способствовать коррозионно-механическому  изнашиванию. Не следует также для  повышения нагрузочной способности  шарикоподшипников применять смазочные  материалы высокой вязкости, так  как это повышает сопротивление  качению и приводит к перегреву  и заклиниванию. Чем выше частота  вращения вала, тем менее вязким должен быть смазочный материал.

Выбор смазочного материала  очень важен, так как неправильно  выбранный смазочный материал может  увеличить силу трения или же привести к износу трущихся материалов. 

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ

1. Общие сведения о подшипниках

Подшипник - это наиважнейший элемент в машино- и электроприборостроении, применяемый во всех механизмах и устройствах, в которых предполагается движение конструктивных элементов относительно друг друга, и основной функцией которых является уменьшение трения и, следовательно, износа. Это устройство, которое является частью опоры, фиксирует положение в пространстве, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции, поддерживает вал, ось или иную конструкцию, обеспечивает вращение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением. Самые простые подшипники состоят из трех основных частей; наружное и внутреннее кольца, сепаратор и тела качения.

Рисунок 1

Устройство  однорядного радиального шарикоподшипника: 
1) внешнее кольцо; 2) шарик (тело качения); 3) сепаратор;

4) дорожка  качения; 5) внутреннее кольцо.

Их гладкая поверхность  снижает трение при радиальной и  осевой нагрузках на конструктивные элементы механизма. Происхождением и  названием подшипники обязаны "вращающимся  телам" - деревянным круглякам, которые  египтяне применяли еще во времена  существования фараонов для перемещения тяжелых и крупногабаритных объектов. А найденные в глубине залива Неми в 1930г. сохранившиеся остатки вращающейся платформы от корабля императора Калигулы, доказывают, что рудименты подшипников использовались еще в античные времена. Эта платформа рассматривается как один из первых примеров упорного подшипника - подшипника, вращающегося вокруг своей оси и предназначенного выдерживать прямые нагрузи. Условные обозначение подшипника наносят на торцы колец травлением, клеймением или электроискровым способом. На наружной поверхности наружного кольца наносят электрохимическим травлением. Условное обозначение не наносят на кольца в ряде случаев для подшипников очень малых размеров. Их наносят на упаковку и записывают в сопроводительной документации. Условное обозначение подшипников качения состоит из основного условного обозначения и дополнительных знаков.

Виды подшипников

Основные типы подшипников:

• газодинамические подшипники. Газовыми подшипниками называются подшипники скольжения с газовой смазкой.
• магнитные подшипники. Это элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. В результате опора является механически бесконтактной. В целом различают пассивные и активные магнитные подшипники. Но если активные магнитные подшипники уже получили определенное распространение, то пассивные подшипники (где магнитное поле создается высокоэнергетическими постоянными магнитами) только на стадии разработки.
• подшипники качения. Этот вид подшипников представляет собой опору вращающейся части машины, работающего в условиях преобладающего трения качения.
• подшипники скольжения. Представляется обычно неподвижным цилиндром, сквозь который проходит вал.

Наиболее распространенные типы подшипников - подшипники скольжения и подшипники качения. Подшипники разделяют  по таким классам: сферические, шариковые, игольчатые, цилиндрические и конические роликовые. Сферические подшипники выдерживают экстремальные условия  эксплуатации. Часто применяются  в промышленном оборудовании. Например: дробильное оборудование, насосы и  прочее. Цилиндрические подшипники способны выдерживать больше нагрузки, чем  шарикоподшипники, и применяются  в металлургии, автомобилестроении, тяжелом машиностроении, авиации, на железнодорожном транспорте и т.д.

Шариковые подшипники

Шариковый подшипник является одним из наиболее распространённых типов подшипников качения, нашедший широкое применение в самых разных отраслях промышленности. В силу своей конструктивной особенности, шариковые подшипники имеют самое низкое сопротивление качению. Причиной тому является форма тел качения – это шар. При качении, шар испытывает меньшее сопротивление, чем ролик, поэтому шарикоподшипник способен допускать гораздо большие частоты вращения, чем роликовый подшипник. 

Разновидности шариковых  подшипников:

Шариковые подшипники качения  могут быть однорядными и двухрядными, а также подразделяться на:

- радиальные шариковые  подшипники;

- упорные шариковые подшипники;

- радиально-упорные шариковые  подшипники.

Шариковые подшипники

Подшипники шариковые  однорядные радиальные:

Однорядные  шариковые подшипники состоят: из двух колец (внутреннего и наружного), тел качения (шариков), расположенных в один ряд и штампованного стального сепаратора, отцентрированного по телам качения. Наружная поверхность внутреннего кольца и внутренняя поверхность наружного кольца однорядного шарикового подшипника имеют канавку, предназначенную для направления движения тел качения (шариков). 

Наружное кольцо радиального шарикового подшипника может иметь канавку для стопорной шайбы, играющей роль фиксатора. Часто, такая фиксация радиального подшипника необходима, для предотвращения перекоса подшипника относительно оси посадочного отверстия, а также для фиксирования глубины посадки подшипника. 

Конструкция шарикового однорядного радиального подшипника, как правило, является неразъёмной. Подшипники могут быть открытого типа, либо закрытого. Во втором случае, боковое пространство между наружным и внутренним кольцом подшипника закрывается защитными шайбами (металлическими или резиноармированными), которые предотвращают попадание в подшипник инородных частиц и удерживают консистентную смазку, которой предварительно наполняют подшипник. Защитные шайбы могут устанавливаться как с обеих сторон, так и с одной. 

Подшипники шариковые  двухрядные радиальные:

Двухрядные  шариковые подшипники качения отличаются от однорядных наличием двух рядов тел качения (шариков). Наружная поверхность внутреннего кольца двухрядного радиального шарикового подшипника имеет две канавки, которые обеспечивают направление движения тел качения (шариков). Внутренняя же поверхность наружного кольца двухрядного подшипника может иметь канавки для качения шариков, а может и не иметь. Если внутренняя поверхность наружного кольца без канавок, а имеет сферическую поверхность, то такой подшипник является самоустанавливающимся. Другими словами, даже значительный перекос осей внутреннего и наружного колец радиального двухрядного шарикового подшипника, не отразится на его работе. Такое преимущество значительно расширяет спектр применения шариковых подшипников.

Подшипники шариковые  упорные:

Упорные шариковые подшипники состоят: из двух колец (нижнего и верхнего), тел качения (шариков) и сепаратора. На внутренних сторонах обоих колец имеются канавки для качения шариков (тел качения). Упорные шариковые подшипники, в основном, предназначены для восприятия осевых нагрузок (нагрузок, направленных параллельно оси вала). Упорные шарикоподшипники способны выдерживать меньшие нагрузки, чем упорные роликовые, но зато, они могут работать при гораздо больших частотах вращения, благодаря меньшему сопротивлению качения. По этой причине, в механизмах с высокими скоростями вращения, используют именно упорные шариковые подшипники, а если скорость небольшая, но механизм испытывает большие осевые нагрузки, то предпочтительнее будут упорные роликоподшипники. 

Подшипники радиально-упорные  шариковые:

Радиально-упорные  шариковые подшипники сочетают в себе свойства радиальных и упорных подшипников качения. Радиально-упорные подшипники воспринимают как осевые нагрузки, так и радиальные. Способность воспринимать осевую нагрузку определяется, главным образом, величиной угла контакта. Чем выше угол контакта, тем больше становится осевая грузоподъёмность радиально-упорного подшипника, но в тоже время, снижается радиальная.

Шариковые подшипники - применяют  при небольших нагрузках и  малых диаметрах валов, а при  больших нагрузках и больших  диаметрах валов - роликоподшипники. Шариковые подшипники справляются  с постоянными средними (но не шоковыми) осевыми и радиальными нагрузками. Шарикоподшипники способны воспринимать большую нагрузку. Подшипники шариковые упорные одинарные выдерживают осевую нагрузку одностороннего направления, а двойные - осевую нагрузку, действующую в обоих направлениях.

Однако для улучшения  работы подшипников, снижения коэффициента трения и уменьшения износа применяются  смазочные материалы.

Для смазывания подшипников качения применяют  жидкие (смазочные масла) и пластичные (пластичные смазки) смазочные материалы. 

Жидкий смазочный  материал – такой вид смазки, которая находится при температуре  эксплуатации в жидком состоянии. Это масла, жиры а также композиции на водной основе и жидкие металлы.

Пластичные (консистентные) смазочные материалы представляют собой коллоидные системы, находящиеся  в полужидком или твердом состоянии. При нагревании материалы этой категории  плавятся и переходят в жидкое состояние. 

Каждый из этих видов имеет  свои преимущества.

При выборе типа смазки для подшипников необходимо учитывать условия, при  которых будет осуществляться ее работа:

• Температурный диапазон.

Вязкость (или консистентность) смазок с повышением температуры  понижается. Для подшипников, работающих при низких температурах (ниже 0 ^oС), следует выбирать жидкие смазки с точкой застывания на 15-20 ^oС ниже рабочей температуры с минимальной вязкостью. Для подшипников, работающих при 70-80 ^oС, жидкие смазки должны обладать повышенной вязкостью, а пластичные – повышенной консистентностью. Для подшипников, работающих при температуре выше 70-80 ^oС, следует применять жидкие смазки с наибольшей вязкостью.

Также для стабильной работы подшипников при низких температурах (от -40^oС до -70^oС) используют силиконовые смазки. Они обладают хорошими низкотемпературными качествами и обеспечивают долговременную защиту подшипников от износа и коррозии. 
Для надежной работы подшипников в условиях сверхвысокой температуры (от +230 ^oС до +1000 ^oС) лучше использовать пастообразные смазки. Важным преимуществом паст является их универсальность: до температуры +230 ^oС – +280 ^oС они действуют как смазка, а после испарения основы при повышении температуры – как противозадирное покрытие, предотвращающее заклинивание подшипника.

• Скорость вращения подшипника.

При высокой скорости работы подшипника выбор смазки должен быть особенно тщательным, так как при  достижении предельно допустимой скорости вращения смазка сосредотачивается  на наружном крае подшипника, а его  внутренние детали остаются незащищенными. 
Для смазывания высокоскоростных подшипников применяют, как правило, синтетические смазки c высоким скоростным фактором.

• Агрессивные среды.

Для смазки подшипников, подвергающихся агрессивному воздействию воды, пара, кислоты, пыли и т.п. необходимо использовать водостойкие, а также устойчивые к растворителям и кислотам смазки. Они не вымываются и обеспечивают надежную защиту подшипников от коррозии.

• Нагрузки.

Из-за большой нагрузки на шарики подшипника смазка из него выдавливается. В таких условиях незаменимы смазочные  материалы с твердыми наполнителями: графитом, молибденом. Также используются антифрикционные покрытия  («сухая смазка»), в которых в качестве смазочного вещества действуют только твердые частицы графита, молибдена, тефлона. Они создают на неровных поверхностях смазочную пленку, защищающую их от трения. Устойчивость, (прочность) масляной пленки масел повышается с увеличением их вязкости, а для смазок – с увеличением их консистентности. Поэтому чем выше нагрузка, тем большей вязкостью (консистентностью) должны обладать применяемые масла (смазки).

1.2 Методы подбора смазочных средств для шарикоподшипников

Одним из важнейших условий  работы подшипника является правильная его смазка. Недостаточное количество смазочного материала или неправильно выбранный смазочный материал неизбежно приводит к преждевременному износу подшипника и сокращению срока его службы. Смазка определяет долговечность подшипника не в меньшей мере, чем материал его деталей. 

Поэтому выбор смазочного материала очень важен.

Одним из методов выбора смазочных средств является выбор  по характеристикам, приведенным в  таблице 1.

Таблица 1. Рекомендации по выбору вида смазки и по срокам смены и  добавления смазки для подшипниковых  узлов механизмов различного назначения

Характеристика подшипникового узла в таблице 1 имеет цифровые индексы  по следующим параметрам:

• по наружному диаметру подшипника D:

• по частоте вращения подшипников в минуту n: индекс 1—при n<80%

предельной частоты вращения при пластичной смазке; 2—при n=80÷100% предельной частоты вращения при пластичной смазке; 3—при n, допустимой только при жидкой смазке;

• по величине отношения нагрузки на подшипник Р (Н) к его

динамической грузоподъемности С (Н): индекс 1—при Р/С<0,1D; 2—при P/C<0,15D; 3—при P/C>0,1D; 4—при P/C>0,15D;

• по рабочей температуре:

Характеристика смазки в  таблице 1 имеет следующие цифровые индексы для пластичных смазок: 1—кальциевая, 2—натриевая, 3—литиевая.

Для жидких масел вязкость ν в градусах Энглера имеет следущие цифровые индексы: 1 при t<50 ^oC ν=2÷8; 2 при t=50÷80 ^oC ν=5÷10; 3 при t=80-120 ^oC ν>10; 4 при t=110÷150 ^oC ν≈30.

Пример. Для роликов транспортирующего роликового конвейера при   D=225 мм (3), n=180 мин^-1 (1), Р/С<0,1 (1) и t=70^оС (2) рекомендуется натриевая пластичная смазка, добавляемая через 500-1000 часов.

Также существует метод подбора  смазочного материала по следующим  параметрам:

1. Вязкость смазочного материала.

Свойство вещества оказывать сопротивление перемещению его частиц под действием внешних сил. Чем выше вязкость, тем плотнее масляная пленка, тем надежнее “предохраняет она поверхности от изнашивания, но при этом она оказывает большее сопротивление перемещению частиц масла внутри масляного слоя. Существует несколько методов для определения минимальных и оптимальных требований вязкости для подшипников качения, большинство из них учитывают факторы скорости вращения, обычно обозначаемые как DN или NDm. Факторы скорости вращения учитывают скорость вращения несущих элементов и определяются по следующим формулам:

DN = (об/м) * (диаметр отверстия подшипника)

NDm= об/м *(( диаметр отверстия подшипника + наружный диаметр) / 2)

При расчете NDm обычно учитывается не внутренний диаметр, а средний диаметр, так как не все подшипники данного отверстия имеют одинаковый диаметр элемента, и, следовательно, у них различные скорости вращения. Если известна величина скорости вращения и предположительная рабочая температура, минимальное требование по вязкости можно узнать непосредственно из диаграмм, подобных представленной на рис. 2.

Рисунок 2. Индекс вязкости масла

На рисунке 2 представлен индекс вязкости базового масла. Чтобы определить его более точно, следует обратиться к диаграмме, определяющей вязкость при рабочей температуре, затем определить марку вязкости данного смазочного материала по диаграмме вязкости/температуры.

2. Присадки и тип базового масла

После определения соответствующей  вязкости следует обратить внимание на присадки. Присадка и типы базового масла являются еще одним компонентом смазки, который следует определять тем же путем, что и применение масляной смазки. Например, высокоскоростной подшипник элемента с низкой нагрузкой не требует противозадирных присадок или компонентов для повышения клейкости.

Большинство повышающих эффективность  присадок, содержащихся в смазочных маслах, также используются в составе смазок и должны выбираться в соответствии с требованиями их применения. В таблице 2 показаны некоторые общие требования к присадкам в соответствии с их применением. Состав большинства смазок основан на базовых компонентах минеральных масел Группы I и II по классификации API — Американского института нефти, которые подходят для большинства видов применений. Однако в некоторых случаях лучше употреблять масла на синтетической основе. Такие применения предусматривают высокие или низкие рабочие температуры, широкий температурный диапазон окружающей среды или длительные режимы смазки.

Таблица 2. Применение присадок в смазках подшипников

+ требуется, — зависит  от применения

3. Плотность консистентной смазки и тип загустителя

Плотность консистентной  смазки определяется концентрацией  загустителя, типом загустителя  и вязкостью базового масла. Хотя концентрация базового масла влияет на плотность, важно отметить, что смазка может обладать высокой плотностью и низкой вязкостью базового масла и наоборот. Институт NGLI разработал шкалу для измерения плотности консистентной смазки от 0 (полужидкая смазка) до 6 (твердая смазка). Самой распространенной степенью шкалы NGLI является вторая степень, которая рекомендована для большинства применений.

В целях определения оптимальной  плотности или степени NGLI для  данного применения подшипников  используются фактор скорости вращения и рабочая температура. В целях определения оптимальной плотности или степени NGLI для данного применения подшипников используются фактор скорости вращения и рабочая температура. Это может показаться парадоксальным, но высокие факторы скорости вращения требуют повышенной плотности смазки. В таблице 3 представлены общие принципы выбора степени NGLI на основе фактора скорости вращения и рабочей температуры.

Таблица 2. Общие принципы выбора степени NGLI на основе фактора  скорости вращения и рабочей температуры

*Также зависит от других  факторов, включая тип подшипника, тип загустителя, вязкости базового  масла, типа базового масла

Сейчас применяются многие типы загустителей смазки, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Самыми распространенными из них являются простое литиевое мыло, литий комплексы, полимочевина.

Простое литиевое мыло часто  применяется в дешевых смазках общего назначения и действует достаточно эффективно в большинстве категорий производительности при средних температурах. Комплексные смазки, такие как литиевый комплекс, обеспечивают повышенную эффективность, особенно при высоких рабочих температурах.

Средний верхний температурный  предел при высокой рабочей температуре  может для простой литиевой смазки составлять 120°C, а верхний температурный предел для комплексной литиевой смазки может составлять 180°С. Еще одним типом загустителя, приобретающим все большую популярность, является полимочевина. Как и литиевый комплекс, полимочевина обладает высокой эффективностью при повышенных температурах, а также высокой устойчивостью к окислению и сопротивляемостью пробиванию пигмента. Тип загустителя выбирается на основе эксплуатационных требований, а также совместимости при смене типов продукции.

4. Эксплуатационные свойства

После определения соответствующих  параметров вязкости масла, требований к присадкам и плотности остается еще один критерий — эксплуатационные свойства. Здесь вступают в силу показатели качества смазки. Эксплуатационные свойства смазки включают многие свойства, учитывающиеся для смазочных масел, а также другие параметры, присущие только смазкам. Свойства, присущие только смазкам, включают точку каплепадения, механическую устойчивость, вымывание смазки, характеристики пробивания, прокачиваемость.

Основные эксплуатационные свойства зависят от способа применения. Если эксплуатация производится при постоянной комнатной температуре, такие свойства как каплепадение и верхние температурные пределы не имеют большого значения. Если эксплуатация производится при больших нагрузках и низких скоростях, необходимо учитывать испытания нагрузки. Следует помнить, что смазки, например масла, обладают точным балансом свойств. Продукт может превосходить по качеству в одной категории и никуда не годиться в другой. Поэтому очень важно тщательно оценить значимость свойства для предполагаемого применения и выбрать оптимальный результат.

Иногда при загущении смазочных материалов можно перестараться. С течением времени это может привести к изменению спецификаций смазочных материалов. Следует составлять типовые спецификации, включая эксплуатационные свойства, для каждой смазываемой единицы. При наличии таких типовых технических требований (спецификаций) можно легко выбрать нужный продукт, независимо от марки. Необходимо также периодически пересматривать эти требования, чтобы предотвратить изменения спецификаций.

РАЗДЕЛ 2. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТОДИК ПОДБОРА СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Смазка в подшипнике нужна  для того, чтобы предотвратить  контакт металла с металлом между  телами и дорожками качения на кольцах подшипников посредством  создания между ними масляной пленки. Это предотвращает быстрый износ  подшипника. Кроме того, смазка уменьшает  шум подшипника и снижает трение в подшипнике, тем самым улучшая  его характеристики. Дополнительными  функциями смазки можно назвать  защиту от коррозии и отвод тепла  от подшипника.