Подпшипники
Что такое подшипник
Подшипник — механический узел, являющейся частью опор или упоров, которое фиксируют вал, ось, ротор или иную подвижную часть механизма с заданной жёсткостью, предоставляя ей совершение движений, разрешённых конструктором этого механизма в предусмотренных им степенях свободы.
Подшипник фиксирует положение в пространстве, допускает вращение, качение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим, учитывая физические свойства процесса перемещения, сопротивлением на преодоление сил трения.
Он воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции (возможно – подвижные), чем обеспечивает целостность конструкции механизма, содержащего подвижные и относительно неподвижные части, и его безопасность для окружающих людей, животных и растений.
Понятие подшипника интуитивно. Трение – одно из важнейших свойств физического мира, окружающего нас. В ряде случаев трение необходимо, и человек использует его в своих интересах. Например, обычный гвоздь держится в древесине только за счёт трения. В случаях, когда используется подшипник, задача заключается в минимизации силы трения для того, чтобы обеспечить переход, например, электрической энергии в энергию движения с минимальными потерями.
Силы, нагружающие подшипник, подразделяют на:
- радиальные, действующие перпендикулярно оси подшипника;
- осевые, действующие параллельно оси подшипника.
Кроме того, подшипники подвергаются ударным нагрузкам, вибрациям, химическим и механическим (пыль и пр.) воздействиям со стороны окружающей среды.
Многообразие требований к подшипникам и факторов, воздействующих на них, приводит к огромному разнообразию типов подшипников, их размеров, материалов, используемых для изготовления, смазок и пр.
Ниже кратко описываются широко распространённые группы и типы подшипников.
Подшипники скольжения
Простейший способ создать опору для вала в узле вращения - обеспечить взаимное скольжение прилегающих частей. На этой идее, возраст которой составляет несколько десятков тысяч лет, основана конструкция подшипников скольжения.
Исторически первые подшипники скольжения появились очень давно, в одно время с колесом. Их изготавливали из дерева или камня. Когда появилась бронза, а затем железо, для изготовления подшипников стали использовать эти металлы. Бронзу и сталь используют до сих пор.
В эпоху промышленной революции началось массовое внедрение подшипников скольжения в станках и машинах. Технологии их производства начали быстро развиваться.
Современные подшипники скольжения - высокотехнологичные изделия, в них применяются современные достижения физики, химии, гидродинамики, новейшие материалы и методы обработки.
Потребности производства и народного хозяйства привели к появлению линейных подшипников скольжения.
Более подробное описание подшипников скольжения приведено в разделе
Подшипники скольжения
Подшипники качения
Подшипники качения состоят из:
- двух колец – внешнего и внутреннего, на которых выбраны дорожки – желоба для тел качения. Для упорных подшипников качения дорожки выбираются на торцевых поверхностях колец;
- тел качения. Это могут быть шарики, цилиндры, усечённые конусы, бочкообразные ролики, иглы – цилиндры с большим отношением длины к диаметру и, как правило, с торцами сферической формы; Примеры тел качения, используемых в подшипниках, приведены на рисунке П-1.
- сепаратора, который разделяет тела качения друг от друга, удерживает их на равном расстоянии друг от друга и направляет их движение. Некоторые типы подшипников не имеют сепаратора. Они имеют большее количество тел качения, что повышает их грузоподъёмность. Но допустимые частоты вращения бессепараторных подшипников заметно ниже из-за большего момента сопротивления вращению;
- уплотняющих шайб, которые защищают смазку тел качения, воздействия на них и желоба от факторов окружающей среды. Не все типы подшипников выпускаются с шайбами – уплотнителями.
Рисунок П-1. Формы тел качения, используемые в подшипниках качения.
В процессе работы тела качения катятся по желобам колец, одно из которых в большинстве случаев неподвижно относительно основного механизма. Нагрузка распределяется на тела качения неравномерно. Распределение нагрузки зависит от величины радиального зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей.
Подшипник качения – высокотехнологичное изделие, т.к. все его детали должны быть изготовлены с высочайшей точностью и из высококачественных материалов, что в совокупности гарантирует, что рабочие параметры подшипника некоторого типа будут стабильны для любого его экземпляра.
В некоторых механизмах для уменьшения габаритов, повышения точности и жёсткости конструкции используют совмещённые опоры, т.е. дорожки качения выполняют непосредственно на валу и (или) на поверхности корпусной детали.
Подшипник качения – это планетарный механизм. В нём преимущественно возникает трение качения. Потери, возникающие из-за трения скольжения между телами качения и сепаратором, малы.
При прочих равных условиях трение качения меньше, чем трение скольжения. Поэтому, при прочих равных условиях, потери на трение в механизме, использующем подшипники качения, будут меньше, а износ узлов установки валов будет ниже.
Закрытые подшипники качения (имеющие защитные уплотняющие шайбы или крышки), как правило, не требуют замены (пополнения) смазки в течение всего периода эксплуатации. Открытые подшипники качения чувствительны к загрязнениям, поступающим из окружающей среды и к попаданию инородных тел. Если требования к окружающей среде, в которой должен эксплуатироваться подшипник, нарушаются, то он может разрушиться существенно быстрее, чем это определено его рабочими характеристиками.
Подшипники качения: конструкция и классификация
Наиболее широко распространённые типы подшипников качения состоят из двух колец, элементов (тел) качения и сепаратора. В зависимости от направления основной нагрузки, которую несёт подшипник, их разделяют на радиальные и упорные. Если подшипник приспособлен для работы в условиях как радиальной, так и осевой нагрузок, то его называют радиально-упорным подшипником. В зависимости от формы элементов качения подшипники делятся на шариковые подшипники и роликовые подшипники. Применяются тела качения самых разнообразных форм, рисунок ПК-1.
Количество признаков, по которым осуществляется классификация подшипников качения, велико. Основными признаками являются следующие:
- По виду тел качения – шариковые и роликовые. Роликовые тела качения, в свою очередь могут быть цилиндрами, «бочками», усечёнными конусами, или иглами, т.е. цилиндрами с большим отношением длины цилиндра к его диаметру. В игольчатых подшипниках обычно используются цилиндры с торцами, которым придается форма полусферы.
- По типу воспринимаемой нагрузки – радиальные, радиально – упорные, упорно – радиальные, упорные, линейные. Радиальные подшипники в состоянии воспринимать только радиальные нагрузки. В случае возникновения осевой нагрузки радиальный подшипник не предотвращает смещения оси (внутреннего кольца, вала) подшипника относительно его внешнего кольца. Радиально – упорные подшипники фиксируют движущиеся части механизма в двух направлениях – по радиусу и вдоль оси вращения. Упорно – радиальные подшипники рассчитаны, прежде всего, на компенсацию усилий, действующих вдоль оси подшипника, в то же время они в состоянии воспринимать серьёзные усилия, действующие на механизм поперёк оси вращения. Упорные подшипники компенсируют усилия вдоль оси подшипника. Очевидно, что упорно – радиальные и упорные подшипники отличает «тонкая грань», заданная некоторым параметром; не может быть упорного подшипника, который не противостоит хотя бы небольшим радиальным нагрузкам. Линейные подшипники – обобщенное название механизмов, которые обеспечивают плавное управляемое движение каретки или втулки вдоль направляющего вала с малыми потерями энергии на трение между направляющей и кареткой. Такие подшипники находят всё более широкое применение в робототехнике, медицинском оборудовании и пр.
- По количеству рядов тел качения – однорядные, двухрядные, многорядные. Наиболее распространены однорядные и двухрядные подшипники.
- По способности компенсировать угловые отклонения валов (роторов). Любой вращающийся ротор создаёт радиальные биения в подшипниках, на которых он установлен. Если ротор массивен, например, состоит из дисков турбины, крайне трудно сбалансировать вращающуюся часть механизма (ротор или вал) относительно оси вращения. Другая трудность – обеспечить точную соосность колец подшипников и вала. При размещении «несбалансированного» ротора в «жестких» и к тому же несоосных подшипниках неизбежно возникнут вибрации и дополнительные напряжения на поверхностях трения тел качения и дорожек колец подшипников. Это ускоряет процесс выхода из строя подшипниковых узлов и всего механизма в целом. Поэтому, помимо обычных «несамоустанавливающихся» жестких подшипников, появились «самоустанавливающиеся». За счет двух рядов тел качения и специальной формы направляющих бороздок самоустанавливающиеся подшипники менее чувствительны к несоосности колец подшипника и вала, а также к его биению.
Классификацию можно продолжить – подшипники могут быть выполнены с сепараторами, обеспечивающими дополнительную фиксацию тел вращения между кольцами подшипника на равном расстоянии друг от друга в плоскостях, перпендикулярных оси вращения подшипника, подшипники могут иметь различную высоту колец, могут снабжаться уплотнителями, предохраняющими попадание на трущиеся поверхности механизма подшипника соединений и частиц из окружающей среды, а также сохраняющими в подшипнике смазку, уменьшающую трение. На кольцах могут быть выполнены пазы для обеспечения фиксации подшипника в подшипниковом узле и (или) отверстия для подачи и удаления смазки и пр.
Существуют десятки типов подшипников качения, тысячи их разновидностей, исполнений. Количество моделей исчисляется тысячами. Терминология, применяемая для обозначения деталей, входящих в состав подшипников, проиллюстрирована на рисунках П-3 – П-8. Классификация подшипников, в силу многообразия их видов и типов, является непростым делом. Один из вариантов классификации приведён в таблице П-1.
В эту классификацию вошли не все виды подшипников качения. Например, сейчас всё более широкое применение находят линейные подшипники, в которых для соединения частей механизмов, перемещающихся относительно друг друга линейно, используют блоки, содержащие тела качения.
Линейные подшипники качения – обобщенное название механизмов, которые обеспечивают плавное управляемое движение каретки или втулки вдоль направляющего вала или рельса с малыми потерями энергии на трение между направляющей и кареткой. Используются также телескопические конструкции, в которых относительно друг друга линейно перемещаются рельсы, опираясь при этом на тела качения. Линейные подшипники находят всё более широкое применение в робототехнике, медицинском оборудовании и пр.
Распространённые типы линейных подшипников описаны в разделе
Устройства линейного перемещения
Приведённая классификация не является «Ортогональной», например, цилиндрические роликоподшипники могут быть упорными, а могут быть и радиальными.
Поэтому в качестве верхнего уровня классификации для систематизации описаний подшипников качения будем использовать нагрузочные характеристики, то есть разделим подшипники на три категории, предназначенные для восприятия:
- Радиальных нагрузок – радиальные подшипники.
- Радиальных и осевых нагрузок одновременно – это радиально – упорные и упорно – радиальные подшипники.
- Осевых нагрузок – упорные подшипники.
В этом случае классификация будет выглядеть, как показано на рисунке П-2.
Рисунок П-2. Классификация подшипников.
Более подробное описание подшипников качения приведено в следующих разделах:
Радиальные подшипники
Радиально-упорные подшипники
Упорные подшипники
Терминология, применяемая для обозначения деталей, входящих в состав подшипников
Рисунок П-3. Однорядные радиальные подшипники.
Рисунок П-4. Однорядные радиально-упорные подшипники.
Рисунок П-5. Цилиндрические подшипники.
Рисунок П-6. Конические подшипники.
Рисунок П-7. Сферические (самоустанавливающиеся) подшипники.
Рисунок П-8. Одинарные упорные подшипники.
Достоинства подшипников качения
Подшипники качения обладают следующими достоинствами:
- сравнительно низкая цена, т.к. технологический процесс производства доведён до совершенства и подшипники выпускаются большими тиражами;
- малые потери на трение и, как следствие, небольшой нагрев. Потери на трение в переходных режимах и в установившемся режиме работы почти одинаковы;
- высокая степень взаимозаменяемости, что упрощает и облегчает монтаж и ремонт механизмов;
- малый расход смазки;
- минимальные затраты на техническое обслуживание на этапе эксплуатации;
- малые размеры по оси;
Подшипникам качения присущи следующие недостатки:
- высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, как следствие жесткости конструкции подшипника;
- низкая надёжность в скоростных приводах из-за перегрева и частого разрушения сепаратора под действием центробежных сил;
- относительно большие радиальные размеры;
- высокий уровень шума в скоростных приводах;
- меньшие допустимые радиальные и осевые нагрузки по сравнению с подшипниками скольжения.
Минимальная нагрузка
Для того чтобы все шарико- и роликоподшипники штатно работали, на них постоянно должна воздействовать определенная минимальная нагрузка. Это особенно важно, когда подшипники работают при высоких скоростях и когда силы инерции шариков и сепаратора, а также трение в смазочном материале могут оказывать отрицательное воздействие на условия качения в подшипнике и вызвать проскальзывание шариков по дорожке качения.
Другие виды подшипников
В классических подшипниках вращения присутствует трение между внешним кольцом и вращающимся элементом – шариком, цилиндром, усеченным конусом или иглой, а также вращающимся элементом и внутренним кольцом подшипника. Для уменьшения трения используются смазки разнообразных рецептур. Но в любом случае физический контакт поверхностей направляющих бороздок на кольцах и вращающихся элементов приводит к физическому износу их поверхностей. При достижении предельного износа подшипник необходимо заменить.
В определенных случаях можно использовать конструкции подшипников, в которых взаимное трение твёрдых поверхностей отсутствует.
Газостатические, газодинамические, гидростатические, гидродинамические подшипники, а также
магнитные подшипники и некоторые другие описаны в разделе
Другие виды подшипников