Подшипник
Подши́пник (от «под шип») — сборочный узел, являющийся частью опоры или упора и поддерживающий вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции[1].
Опора с упорным подшипником называется подпятником.
Основные параметры подшипников:[2]
- Максимальная динамическая и статическая нагрузка (радиальная и осевая).
- Максимальная скорость (оборотов в минуту для радиальных подшипников).
- Посадочные размеры.
- Класс точности подшипников.
- Требования к смазке[3].
- Ресурс подшипника до появления признаков усталости, в оборотах.
- Шумы подшипника
- Вибрации 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;
К подшипникам скольжения также относят:
- газостатические подшипники;
- газодинамические подшипники;
- гидростатические подшипники;
- гидродинамические подшипники;
- магнитные подшипники.
Основные типы, которые применяются в машиностроении, — это подшипники качения и подшипники скольжения.
Подшипники качения
.png)
1) внешнее кольцо;
2) шарик (тело качения);
3) сепаратор;
4) дорожка качения;
5) внутреннее кольцо.
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.
Также существуют насыпные подшипники, состоящие из сепаратора и вставленных в него шариков (см. рис. выше), которые можно вытаскивать.
Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большее 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
- Шариковые,
- Роликовые (игольчатые, если ролики тонкие и длинные);
- По типу воспринимаемой нагрузки
- Радиальные (нагрузка вдоль оси вала не допускается).
- Радиально-упорные, упорно-радиальные. Воспринимают нагрузки как вдоль, так и поперёк оси вала. Часто нагрузка вдоль оси только одного направления.
- Упорные (нагрузка поперёк оси вала не допускается).
- Шариковые винтовые передачи. Обеспечивают сопряжение винт-гайка через тела качения.
- По числу рядов тел качения
- Однорядные,
- Двухрядные,
- Многорядные;
- Самоустанавливающиеся.
- Несамоустанавливающиеся.
- По материалу тел качений:
- Полностью стальные;
- Гибридные: стальные кольца, тела качения неметаллические, как правило, керамические, применяются в быстровращающихся механизмах, чаще всего — в газотурбинных двигателях;
-
Радиальный роликовый подшипник
-
Упорный шариковый подшипник
-
Упорный роликовый подшипник
-
Радиально-упорный шариковый подшипник
-
Радиально-упорный шариковый подшипник с четырёхточечным контактом
-
Радиально-упорный роликовый подшипник (конический)
-
Самоустанавливающийся двухрядный радиальный шариковый подшипник
-
Самоустанавливающийся радиальный роликовый подшипник
-
Самоустанавливающийся радиально-упорный роликовый подшипник
-
Самоустанавливающийся двухрядный радиальный роликовый подшипник с бочкообразными роликами (сферический)
-
Самоустанавливающийся подшипник
-
Сепаратор с роликами игольчатого подшипника
-
Шариковая винтовая передача
-
Шарики
Механическая теория
Подшипник представляет собой по существу планетарный механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колёс выполняют внутреннее и наружное кольца, а тела качения заменяют сателлиты.
Частота вращения сепаратора или частота вращения шариков вокруг оси подшипника:
- [math]\displaystyle{ n_c = \frac{n_1}{2} \left(1-\frac{D_\omega}{d_m} \right), }[/math]
- где [math]\displaystyle{ n_1 }[/math] — частота вращения внутреннего кольца радиального шарикоподшипника,
- [math]\displaystyle{ D_\omega }[/math] — диаметр шарика,
[math]\displaystyle{ d_m = 0,5(D+d) }[/math] — диаметр окружности, проходящей через оси всех тел качения (шариков или роликов).
Частота вращения шарика относительно сепаратора:
- [math]\displaystyle{ n_{sp} = \frac{n_1}{2} \left(\frac{d_m}{D_\omega} - \frac{D_\omega}{d_m} \right). }[/math]
Частота вращения сепаратора при вращении наружного кольца:
- [math]\displaystyle{ n_{c*} = \frac{n_3}{2} \left(1+\frac{D_\omega}{d_m} \right), }[/math]
- где [math]\displaystyle{ n_3 }[/math] — частота вращения внешнего кольца радиального шарикоподшипника.
Для радиально-упорного подшипника:
- [math]\displaystyle{ n_c = \frac{n_1}{2} \left(1-\frac{D_\omega \cos \alpha}{d_m} \right), }[/math]
- [math]\displaystyle{ n_{sp} = \frac{n_1}{2} \left(\frac{d_m}{D_\omega} - \frac{D_\omega \cos^2 \alpha}{d_m} \right). }[/math]
Из приведённых выше соотношений следует, что при вращении внутреннего кольца сепаратор вращается в ту же сторону. Частота вращения сепаратора зависит от диаметра [math]\displaystyle{ D_\omega }[/math] шариков при неизменном [math]\displaystyle{ d_m }[/math]: она возрастает при уменьшении [math]\displaystyle{ D_\omega }[/math] и уменьшается при увеличении [math]\displaystyle{ D_\omega. }[/math]
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:
- [math]\displaystyle{ F_c = 0,5 m d_m \omega^2_c, }[/math]
- где [math]\displaystyle{ m }[/math] — масса тела качения,
- [math]\displaystyle{ \omega_c }[/math] — 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 [math]\displaystyle{ M_r: }[/math]
- [math]\displaystyle{ M_r = J \omega_c \omega_{sp}. }[/math]
Гироскопический момент будет действовать на шарики и во вращающемся радиально-упорном шарикоподшипнике при действии осевой нагрузки:
- [math]\displaystyle{ M_r = J \omega_c \omega_{sp} \sin \alpha, }[/math]
- где [math]\displaystyle{ J = \rho \cdot \pi \cdot D^5_\omega / 60 }[/math] — полярный момент инерции массы шарика;
- [math]\displaystyle{ \rho }[/math] — плотность материала шарика;
- [math]\displaystyle{ \omega_c }[/math] — угловая скорость вращения шарика вокруг оси вала (угловая скорость сепаратора);
- [math]\displaystyle{ \omega_{sp} }[/math] — угловая скорость вращения шарика вокруг своей оси.
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:
- [math]\displaystyle{ T_f = M_r, }[/math]
- где [math]\displaystyle{ T_f }[/math] — момент сил трения от осевой нагрузки на площадках контакта шариков с кольцами.
Условное обозначение подшипников качения в СССР и России
Советская и российская 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 может сокращаться 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.
Подшипники скольжения
Определение
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.
Смазка может быть:
- жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников),
- пластичной (на основе литиевого мыла и сульфонат кальция и др.),
- твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и
- газообразной (различные инертные газы, азот и др.).
Наилучшие эксплуатационные свойства показывают 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)[4][5].
PV-фактор
PV-фактор — основная характеристика (критерий) оценки работоспособности подшипника скольжения. Является произведением удельной нагрузки P (МПа) на окружную скорость V (м/с). Определяется для каждого антифрикционного материала экспериментально при испытаниях или в процессе эксплуатации. Многие данные по соблюдению оптимального PV-фактора даны в справочниках
Классификация
В основу классификации положен анализ режимов работы подшипников по диаграмме Герси-Штрибека.
Подшипники скольжения разделяют:
- в зависимости от формы подшипникового отверстия:
- одно- или многоповерхностные,
- со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения),
- со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа);
- по направлению восприятия нагрузки:
- радиальные
- осевые (упорные, подпятники),
- радиально-упорные;
- по конструкции:
- неразъёмные (втулочные; в основном, для I-1),
- разъёмные (состоящие из корпуса и крышки; в основном, для всех, кроме I-1),
- встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины);
- по количеству масляных клапанов:
- с одним клапаном,
- с несколькими клапанами;
- по возможности регулирования:
- нерегулируемые,
- регулируемые.
Ниже представлена таблица групп и классов подшипников скольжения (примеры обозначения: I-1, II-5).
| Группа | Класс | Способ смазки | Вид трения | Примерный коэффициент трения | Назначение | Область применения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| I (несовершенная смазка) | ||||||
| 1 | Малое количество, подача непостоянная | Граничное | 0,1…0,3 | Малые скорости скольжения и небольшие удельные давления |
Опорные ролики транспортёров, ходовых колёс мостовых кранов | |
| 2 | Обычно непрерывная | Полужидкостное | 0,02…0,1 | Кратковременный режим с постоянным или переменным направлением вращения вала, малые скорости и большие удельные нагрузки |
| |
| 3 | Масляная ванна или кольца | 0,001…0,02 | Мало меняющиеся по величине и направлению усилия большие и средние нагрузки |
| ||
| Под давлением | Переменная нагрузка |
| ||||
| II | ||||||
| 4 | Кольца, комбинированный или под давлением | Жидкостное | 0,0005…0,005 | Малые окружные скорости валов, особо тяжёлые условия работы при переменных по величине и направлению нагрузках |
| |
| 5 | Под давлением | 0,005…0,05 | Слабонагруженные опоры с большими скоростями скольжения |
|
Достоинства
- Надёжность в высокоскоростных приводах
- Способны воспринимать значительные ударные и вибрационные нагрузки
- Сравнительно малые радиальные размеры
- Допускают установку разъёмных 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
См. также
- ABEC — класс точности подшипников
Примечания
- ↑ ПОДШИПНИК | Онлайн Энциклопедия Кругосвет. Дата обращения: 13 ноября 2010. Архивировано 11 августа 2010 года.
- ↑ Рабочие характеристики подшипников | Подшипники. Дата обращения: 17 октября 2022.
- ↑ Смазка для подшипников.
- ↑ Деревянные подшипники - миф или реальность
- ↑ В смысле «подшипники из дерева»? Такие ставят даже на подводные лодки! // За рулём
Литература
- 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. — ББК 34.42я2. — УДК 621.001.66 (035)(G). — ISBN 5-217-02964-1.
- Подшипники скольжения // Детали машин в примерах и задачах : [учеб. пособие] / Ничипорчик С. Н., Корженцевский М. И., Калачёв В. Ф. и др. ; под общ. ред. С. Н. Ничипорчика. — 2-е изд. — Мн. : Выш. школа, 1981. — Гл. 13. — 432 с. — ББК 34.44 Я 73. — УДК 621.81 (075.8)(G).
- Леликов О. П. Основы расчёта и проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу «Детали машин». — М. : Машиностроение, 2002. — 440 с. — ББК 34.42. — УДК 621.81.001.66(G). — ISBN 5-217-03077-1.
- Иосилевич Г. Б. Детали машин : учеб. для студ. машиностроит. спец. вузов. — М. : Машиностроение, 1988. — 368 с. — ББК 34.44. — УДК 62-2(075.8)(G). — ISBN 5-217-00217-4.