Подшипники качения

Содержание 
 

    Виды  подшипников. 

    Отличие подшипников качения  от подшипников скольжения. 

    В любом механизме или машине различают  два типа подвижных опор: опоры  с трением скольжения и опоры  с трением качения.

    В первом случае происходит взаимное перемещение  и взаимодействие рабочих поверхностей вала и корпуса, чаще всего разделённых  вкладышем скольжения и смазочными веществами. Работа опоры происходит при чистом скольжении соприкасающихся  деталей.

    Во  втором случае между взаимно подвижными поверхностями закладываются тела качения (шарики или ролики) и работа опоры происходит при трении качения. В этом случае вместо вкладышей из бронзы, баббитов пластиков или других материалов в опорах с трением  качения устанавливаются шариковые  или роликовые стальные подшипники.

    В зависимости от характера нагружения вращающихся опор они называются радиальными, если опора воспринимает радиальные нагрузки, упорными, если опора  воспринимает только осевые нагрузки, и радиально-упорными или упорно-радиальными  подшипниками (в зависимости от того какие преобладают), если опора воспринимает радиальные и осевые нагрузки одновременно.

    Каждый  тип опоры характеризуется своими размерами, конструкцией, техническими условиями на изготовление, установку  и эксплуатацию.

    Подшипники  качения и подшипники скольжения по-разному сопротивляются движению и так же по-разному определяют изнашивание элементов подвижных  опор и поверхностей деталей машин. Тот или другой тип подшипника выбирается исходя из оценки технико-экономических  условий эксплуатации машины или  конкретных узлов. 

    Таблица 1.

    Сравнительные характеристики двух типов подшипников.

    Преимущества  подшипников качения перед подшипниками скольжения сводятся главным образом  к значительно меньшему трению при  трогании с места и при малых  скоростях движения. Кроме того, подшипники качения имеют меньшие  осевые размеры, конструктивно просто позволяют компоновать самоустанавливающиеся  опоры, не требуют длительной и трудоёмкой индивидуальной подгонки вкладышей  и их приработки, особенно в тех  случаях, когда речь идёт о цапфах больших диаметров с высокими нагрузками, скоростями вращения, температурами.

    При применении подшипников качения  облегчается снабжение узлов  машин смазкой, обслуживание и уход, обеспечивается сохранность посадочных поверхностей шеек валов и цилиндров, т.е. для абсолютного большинства  опор целлюлозно-бумажного оборудования они имеют весьма большие преимущества.

    Однако  наряду с преимуществами подшипники качения обладают и рядом недостатков.

    Так, крупно- и особокрупногабаритные  подшипники, которые широко представлены в целлюлозно-бумажном оборудовании, изготовляются мелкими сериями  и имеют весьма высокую стоимость. Подшипники качения уступают подшипникам  скольжения по радиальным размерам, весу, жёсткости.

    Весьма  сложным является выбор подшипников  качения при сочетании одновременно действующих высоких нагрузок и  скоростей вращения. Известно, что  увеличение скорости вращения и нагрузки влечёт за собой снижение долговечности (срока службы) подшипника. Если, например, нагрузка увеличивается на 25% против ранее принятой, то долговечность  подшипника сокращается вдвое, а  если нагрузка увеличивается вдвое, срок службы уменьшается в 10 раз. 

     Подшипники  качения. Классификация и устройство подшипников

     Подшипник качения представляет собой готовый  стандартный узел, основными элементами которого являются тела качения –  шарики или ролики различной формы, установленные между кольцами –  наружным и внутренним. Внутреннее кольцо насаживается на вал или ось, наружное – устанавливается в  корпусе механизма. В процессе работы тела качения катятся по беговым  дорожкам колец, геометрическая форма  которых определяется формой тел  качения. Для равномерного распределения  тел качения между кольцами служит сепаратор. Основными размерами  подшипника качения (рис. 2) являются внутренний и наружный диаметры, ширина. Обычно подвижным является внутреннее кольцо, а наружное – неподвижной деталью. Бывают более сложные по конструкции  подшипники, включающие дополнительно  защитные шайбы, уплотнения, крепежные  втулки и другие элементы. 

     Рис. 2 

     К достоинствам подшипников качения  относятся: малые потери на трение, невысокая стоимость вследствие их массового производства, широчайший диапазон размеров и типов, высокая  степень взаимозаменяемости, простота монтажа и обслуживания, малая  разница момента трения при пуске и установившемся движении, небольшие осевые размеры.

     Недостатками  подшипников качения являются сравнительно большие радиальные размеры, высокая  чувствительность к ударным и  вибрационным нагрузкам из-за жесткости  конструкции, значительно меньшая  по сравнению с подшипниками скольжения долговечность при больших частотах вращения и больших нагрузках.

     По  форме тел качения различают  шариковые и роликовые подшипники. Последние могут быть с цилиндрическими (а), коническими (б), бочкообразными (в) и игольчатыми (г) роликами (см. рис. 2).

     По  направлению воспринимаемой нагрузки подшипники бывают радиальные (рис. 3, а), радиально-упорные (рис. 3, б) и упорные (рис. 3, в); по числу рядов тел качения – одно-, двух- и четырехрядные; по способности самоустанавливаться – не- и самоустанавливаемые.

     Подшипники  с одинаковым диаметром (d) внутреннего  кольца подразделяются в зависимости  от диаметра наружного кольца на следующие  серии: сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю и тяжелую. В зависимости  от ширины кольца (В) подшипники делят  на узкие, нормальные, широкие и особо  широкие.

     Подшипники  разных типов, размеров и серий имеют  различные грузоподъемность и быстроходность. Подшипники более тяжелых серий  менее быстроходны, но имеют более  высокую грузоподъемность. Шариковые  подшипники имеют большую быстроходность по сравнению с роликовыми подшипниками, однако последние обладают большей  грузоподъемностью.

     При высокой частоте вращения и действии небольших нагрузок целесообразно  использовать подшипники сверхлегкой  и особо легкой серий. Для восприятия повышенных нагрузок при высокой  частоте вращения используют подшипники легкой серии. Наиболее часто применяют  на практике подшипники легкой и средней  серий, нормальные по ширине.

     Подшипники  изготавливаются следующих классов  точности в порядке ее повышения: 0 (нормальный), 6 (повышенный), 5 (высокий), 4 (особо высокий), 2 (сверхвысокий).

     Выбор класса точности подшипника производится в зависимости от требований, предъявляемых  к механизму. Например, подшипники класса 0 используются в механизмах, к точности которых особых требований не предъявляют; подшипники класса 6 применяют в  тех случаях, когда потери на трение в опорах должны быть минимальны; классы 5, 4 и 2 предназначены для механизмов, точность которых является основной характеристикой функционирования. Увеличение точности подшипника приводит к росту его стоимости: 

     Чаще  всего используют подшипники нормальной точности – класса 0.

     Шариковый радиальный однорядный подшипник (см. рис. 2, а) является наиболее распространенным. Он предназначен для радиальной нагрузки, но может воспринимать и осевую в пределах 70% от неиспользованной радиальной допускает перекос осей колец не более 0,25°. При равных габаритных размерах из всех конструкций подшипников качения он имеет минимальные потери на трение и возможность наибольшей скорости вращения. Подшипник обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях.

     Радиально-упорные  подшипники (рис. 3, б) воспринимают радиальную и осевую нагрузку (косозубые, конические и червячные передачи), действующую  на вал. Одинарный подшипник может  воспринимать чисто осевую нагрузку, действующую в одном направлении. Подшипники, смонтированные попарно, воспринимают осевые усилия, действующие в обоих  направлениях. 

     Рис. 3 

     Шариковые радиальные 2-рядные сферические подшипники могут работать при значительном перекосе до 3° осей внутреннего и наружного колец, обладают способностью самоустанавливания оси вала относительно корпуса. Величина осевой нагрузки, действующей одновременно с радиальной, не должна превышать 20% от неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.

     Тела  качения и кольца подшипников  качения изготавливают из высокоуглеродистых шарикоподшипниковых хромистых  сталей ШХ9, ШХ15 с термообработкой  до твердости 60 … 65 HRC_э и последующим шлифованием и полированием, в некоторых случаях используют стали других марок (нержавеющие, жаропрочные и др.); сепараторы делают из низкоуглеродистой мягкой листовой стали, массивные сепараторы – из бронзы, латуни, алюминиевых и магниевых сплавов, пластмасс. При антикоррозионных и антимагнитных требованиях детали подшипников выполняются из беррилиевой бронзы БрБ-2, нержавеющих немагнитных сталей.

     Уменьшение  радиальных размеров подшипников возможно как за счет минимизации размеров тел качения (игольчатые подшипники), так и за счет исключения из классической конструкции подшипника внутреннего  и наружного колец. Применяются  стандартные игольчатые подшипники, состоящие только из тел качения, расположенных в массивном сепараторе; нестандартные насыпные шарикоподшипники, в которых отсутствует сепаратор, роль внутреннего и наружного  колец таких подшипников выполняют  цапфа вала и неподвижная крышка корпуса, параметры твердости и  точности которых должны соответствовать  таким же параметрам колец стандартных  подшипников.

     В подшипниках качения смазка уменьшает  трение, шум, отводит тепло, защищает подшипник от коррозии, заполняет  зазоры в уплотнениях, обеспечивая  герметизацию подшипникового узла. Применяют  жидкие, консистентные и твердые  смазки.

     Жидкие  смазки используют при окружной скорости вала выше 10 м/с. Чаще всего применяют  минеральные масла: приборное МВП, индустриальное 12 (веретенное), индустриальное 20 и масла с антифрикционными присадками (дисульфит молибдена, графита).

     Консистентные смазки (густые мази) применяют при  окружной скорости вала до 10 м/с. Корпус подшипникового узла заполняют смазкой  в объеме 1/3 его свободного пространства. Наилучшими признаны литиевые смазки: Литол-24, Циатим-221, Циатим-201 и др. Они хорошо удерживаются в узлах трения и не требуют сложных уплотнений, их не рекомендуют применять при большом тепловыделении

     Твердые смазки используются в вакууме и  специальных средах (графит, дисульфит  молибдена, нитрат бора). При повышенных температурах (140 … 275 °С) возможно применение массивных сепараторов из самосмазывающихся пластмасс (Вилан, Тесам-4, фторопласты). Ресурс подшипника определяется временем до повреждения перемычек сепаратора. 
 
 
 
 
 
 

    Основные  типы подшипников  качения. 

ШАРИКОПОДШИПНИКИ  РАДИАЛЬНЫЕ ОДНОРЯДНЫЕ. 
 

    Наиболее  распространенный тип подшипников  качения. Широко применяются в узлах  самого различного оборудования, в том числе целлюлозно-бумажного (валики картонных и бумажных машин, электромоторы, насосы редукторы, конвейеры, сортировки и др.). Подшипники предназначены в основном для восприятия радиальных нагрузок, но способны воспринимать также двусторонние осевые нагрузки. Нередко применяются для чисто осевых нагрузок, особенно при больших числах оборотов, когда упорные подшипники не могут быть использованы. Допустимая осевая нагрузка на подшипник не должна превышать 70% от неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. При увеличенных радиальных зазорах осевая грузоподъемность подшипника увеличивается, так как в этом случае подшипники приобретают свойства радиально-упорных. Подшипники могут работать с перекосом внутреннего кольца по отношению к наружному не более 15—20°.

    Шарикоподшипники  однорядные изготовляются   со    стальными    штампованными    сепараторами из стали 10) или массивными точеными сепараторами из антифрикционных материалов из текстолита, дюралюминия (Д-1), бронзы (Бр. АЖМЦ), латуни (ЛС 59-1). В последние годы для изготовления массивных сепараторов применяют также полиамидные смолы. Подшипники высокого класса точности с массивными точеными сепараторами (иногда облегченной конструкции), центрируемыми по бортам наружного кольца при эффективных режимах смазки, могут работать на скоростях вращения выше предельных, указанных в каталогах.

    Шарикоподшипники  радиальные однорядные имеют следующие  конструктивные разновидности: с одной  защитной шайбой; с двумя защитными  шайбами; с канавной на наружном кольце и установочным кольцом; с установочным кольцом и защитной шайбой; с односторонним и двусторонним уплотнением; с канавкой для ввода шариков без сепаратора. 

    Подшипники  с одной защитной шайбой. 

    Изготовляются только со штампованными сепараторами. Применять их на повышенных скоростях  не рекомендуется. Предназначены такие  подшипники в основном для работы на консистентных смазках. Защитная металлическая шайба, запрессованная в канавку наружного кольца подшипника, удерживает смазку в подшипнике лишь с одной стороны. С другой стороны смазка, заложенная в подшипник, ограничивается уплотнением, предусмотренным в узле, или крышкой. Образующееся свободное пространство (объем) частично заполняется смазкой, выбранной для конкретных условий работы. Подшипники такой конструкции можно в любое время осмотреть (со стороны уплотнения или крышки) и в процессе работы добавить смазочный материал. 

    Подшипники  с двумя защитными  шайбами. 

    Имеют те же сепараторы и те же скоростные характеристики, что и подшипники с одной защитной шайбой, однако рабочей консистентной смазкой, закладываемой между шайбами, их заполняют при сборке на подшипниковом заводе. Применять такие подшипники весьма выгодно в тех случаях, когда уплотнение нельзя выполнить непосредственно в узле. В этом случае конструкция упрощается и узел в целом меньше весит.

    Осматривать внутренние детали подшипника (сепаратор, шарики, беговые дорожки) в период его работы нельзя. 

    Подшипники  с канавкой на наружном кольце. 

    При помощи разрезного установочного кольца, которое входит в канавку на наружном кольце, подшипник можно зафиксировать в корпусе без упора наружного кольца в опорные заплечики корпуса или направляющие крышек. Однако воспринимать сколько-нибудь значительные осевые нагрузки установочные кольца не могут, поэтому такие подшипники рекомендуется применять главным образом для восприятия радиальных нагрузок. Применение установочных колец упрощает конструкцию, сокращает габариты узлов и позволяет призводить сквозную расточку отверстий корпусов. 

    Подшипники  с односторонним  и двусторонним уплотнением. 

    Наибольшее  распространение получили подшипники с двусторонним уплотнением. Уплотнение состоит из резиновой мембраны. Подшипники с таким уплотнением отличаются достаточной герметичностью, поэтому вытекание закладываемой на подшипниковом заводе смазки и попадание в нее посторонних частиц, как правило, исключается. Изготовляются такие подшипники преимущественно с массивными точеными сепараторами из текстолита или бронзы. Несмотря на то, что уплотнение в таких подшипниках контактного типа, они могут работать при повышенной скорости вращения.

    Подшипники  с односторонним и двусторонним уплотнением применяются в первую очередь в таких узлах, как опоры электродвигателей, где интенсивное выделение щеточной пыли может быстро выводить из строя подшипники других типов. 

    Подшипники  с канавкой для  ввода шариков  без сепаратора. 

    Отличаются  от подшипников нормальной конструкции тем, что в бортах колец имеются профрезерованные канавки, через которые (когда они поставлены друг против друга) вставляются шарики. Так как шариков в таком подшипнике размещается больше, чем в подшипнике с сепаратором, эти подшипники обладают повышенной грузоподъемностью. Они предназначаются в основном для работы при малых скоростях вращения, вследствие повышенного трения между соприкасающимися телами качения. В узлах, где действуют осевые нагрузки, применять их не рекомендуется, так как под действием осевых сил шарики могут сместиться с оси дорожек качения.

    Конструктивной  разновидностью этого типа могут  быть подшипники с канавкой для вставления шариков и с защитными шайбами.

    Перечисленные бессепараторные подшипники с увеличенным  количеством шариков могут применяться  в сушильных камерах (без смазки), в узлах с качательным движением, в механизмах управления и др. 

    ШАРИКОВЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ ДВУРЯДНЫЕ  СФЕРИЧЕСКИЕ ПОДШИПНИКИ. 

    Широко  применяются в общем машиностроении и в целлюлозно-бумажном оборудовании. Подшипник имеет два ряда шариков, однако грузоподъемность его меньше, чем у равногабаритного однорядного.

    Предназначаются для восприятия в основном радиальных нагрузок, но способны воспринимать и  одновременно действующие осевые нагрузки, которые не должны превышать 20% величины неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.

    При осевой нагрузке фактически работает только один ряд шариков.

    Величина  допустимого угла перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного кольца, которая может образоваться  при  прогибе (изгибе) вала или вследствие технологических неточностей обработки и сборки, допустима в пределах 3°.

    Подшипники  этого типа изготовляются обычно со штампованными более крупных  размеров с массивными сепараторами трех разновидностей: с цилиндрическим отверстием внутреннего кольца, с  коническим отверстием и комплектно с закрепительной втулкой.

    Подшипник с коническим отверстием можно устанавливать непосредственно на коническую шейку вала или при помощи закрепительной втулки, закрепительной гайки и стопорной шайбы на гладкие многоопорные валы трансмиссионного типа (без заплечиков).

    Область применения: трансмиссионные валы, транспортеры, вентиляторы, шнеки, ролики слешера и малонагруженные валики различных частей машин. 

    РОЛИКОВЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ ПОДШИПНИКИ С КОРОТКИМИ  ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ  РОЛИКАМИ. 

    Роликоподшипник с короткими цилиндрическими роликами применяется, как правило, для восприятия радиальных нагрузок. Обладает большей грузоподъемностью (в 1,7 раза) по сравнению с шариковым радиальным однорядным подшипником тех же габаритных размеров. Объясняется это линейной поверхностью контакта роликов с кольцами. Подшипник может изготовляться с массивными сепараторами на заклепках, с беззаклепочными массивными сепараторами и штампованными сепараторами. Большая часть стандартных подшипников изготовляется с массивными сепараторами из латуни и со штампованными сепараторами из стальной ленты. В ответственных узлах подшипники со штампованными сепараторами, как правило, не применяются.

    Роликоподшипники  с короткими цилиндрическими роликами — подшипники разъемного типа, удобные в монтаже и демонтаже. В фиксирующих вал опорах такие подшипники устанавливают в комбинации с шариковыми радиальными, радиально-упорными или  упорными подшипниками, причем в этом случае вместе они способны воспринимать значительные радиальные и осевые нагрузки.

    Подшипники  с короткими цилиндрическими  роликами обладают наименьшим коэффициентом трения по сравнению с другими типами роликоподшипников. Освоены и выпускаются многие конструктивные разновидности этих подшипников: мелких, средних размеров, крупногабаритные и особокрупногабаритные; всех классов точности, в том числе прецизионные и высокоскоростные.

    В оборудовании целлюлозно-бумажных предприятий наиболее широко применяются две основные конструкции подшипников с короткими цилиндрическими роликами: с безбортовым наружным кольцом и с безбортовым внутренним кольцом. 

    РОЛИКОВЫЕ  РАДИАЛЬНЫЕ  ПОДШИПНИКИ С ДЛИННЫМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ  РОЛИКАМИ. 

    Применяются данные подшипники только для восприятия радиальных нагрузок. Изготовляются нескольких конструктивных разновидностей: комплектные (с обоими кольцами), с одним кольцом и без колец. В комплектном подшипнике одно кольцо может иметь борта. Длинные ролики изготовляют в большинстве случаев с цапфами на торцах, которыми они закрепляются в отверстиях боковых сепараторных шайб. Сепараторы преимущественно стальные штампованные на распорках. Наружные кольца некоторых подшипников имеют отверстия для смазки. Несколько типоразмеров изготовляется с массивными латунными сепараторами.

    Роликоподшипники  с длинными цилиндрическими роликами в опорах, где требуется высокая точность, не применяются. Они могут успешно работать при больших радиальных нагрузках и невысоком числе оборотов. Твердость длинных цилиндрических роликов на 5—13 единиц ниже твердости колец, которые соответствуют 61—63 единицам по шкале RC. Указанные механические свойства роликов и колец необходимо учитывать прежде всего в тех случаях, когда применяются некомплектные подшипники и роль колец выполняет вал или корпус.

    Область применения таких подшипников очень  ограничена. Известно применение  в  узлах отдельных механизмов, например в опорах клеильных прессов (рифленые валы) гофрагрегата. 

    ИГОЛЬЧАТЫЕ  РАДИАЛЬНЫЕ РОЛИКОПОДШИПНИКИ. 

    Подшипники  применяются только для восприятия радиальных нагрузок. При сравнительно малом габарите в диаметральном направлении подшипники обладают повышенной грузоподъемностью. Иголки, длина которых значительно превышает их диаметр, не могут изготовляться с такой же высокой точностью, как короткие цилиндрические ролики; их положение в работающем подшипнике не выправляется существенно бортиками кольца, поэтому иглы имеют тенденцию к перекосам относительно оси вала (кольца). Трение в игольчатых подшипниках в несколько раз превышает трение в других типах роликоподшипников, а если учесть, что в ненагруженной зоне иглы не вращаются, то игольчатый подшипник получает частично свойства подшипника скольжения.

    В игольчатых подшипниках важно учитывать суммарный межигольный окружной и радиальный зазоры. При небольшом числе оборотов или качательном движении суммарный межигольный окружной зазор может достигать 0,5—0,6 диаметра иглы. При высоких скоростях вращения и при малых размерах игл он рекомендуется 0,5 мм (по диаметру центра игл). Что касается радиальных зазоров, то при колебательном движении или скорости вращения до 1 м/сек рекомендуется меньшая величина зазора, а для более высоких чисел оборотов — большая.