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.

Известно множество типов подшипников скольжения, различающихся особенностями устройства и работы, но общий принцип одинаков и заключается он в следующем. Для сопряжения вала и корпуса, между которыми происходит относительное вращение, надо выполнить соприкасающиеся детали из материалов с низким коэффициентом взаимного трения, либо нанести на соприкасающиеся поверхности покрытие или пленку из материала с низким коэффициентом трения по отношению к материалам вала и корпуса. Обычно подшипником скольжения считается вставка между валом и корпусом, более правильно называть её втулкой скольжения. Подшипником называют весь узел с трением через смазочный или антифрикционный слой, отдельная металлическая (пластмассовая или из другого материала) часть которого называется вкладыш 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 начала быстро развиваться.

Современные подшипники скольжения - высокотехнологичные изделия, в них применяются современные достижения физики, химии, гидродинамики, новейшие материалы и методы обработки.

Разнообразие видов подшипников скольжения определяет широкий диапазон их характеристик, подходящий тип и исполнение можно найти практически для любых условий эксплуатации. Так, например, разработаны подшипники скольжения для работы в условиях низких и высоких температур для очень больших и очень медленных скоростей вращения, и т.д.

Наиболее широко используются металлические вкладыши и втулки скольжения, изготовленные из стали, чугуна, бронзы, латуни, баббитов и т.д. Они обычно рассчитаны на работу со смазкой. Смазка может быть «свободно нанесённой консистентной», или может образовываться маслом, нагнетаемым под давлением. Подшипники скольжения из металлов (биметаллов, триметаллов) и сплавов отличаются прочностью, долговечностью и высокой грузоподъемностью.

В настоящее время широко применяются пластиковые втулки скольжения из простых и специальных полимеров (например, фторопластов). В определённых условиях пластиковые втулки предпочтительнее металлических.

Подшипники скольжения применяются в самых различных конструкциях, например, в подвижных сочленениях, опор мостов, или в двигателях внутреннего сгорания. Чем тяжелее условия работы подшипника и чем выше требования к нему, тем более сложным, а значит, и дорогим он будет.

По сравнению с подшипниками качения подшипники скольжения проще по конструкции и установке, требуют меньшего обслуживания (или вообще не требуют), сравнительно дешевле. Основные недостатки - больший момент трения, особенно при начале работы, и меньшие скоростные возможности.

Хотя самые скоростные подшипники, например, в центрифугах – это подшипники скольжения. Если, конечно, считать газовую прослойку между опорой и валом, или магнитное поле между ними смазкой.

Простейший подшипник скольжения (рисунок ПС-1) — опора или направляющая в составе механизма, подвижные части которого скользят друг по другу. Вид трения в таком подшипнике – это трение скольжения.

Рисунок ПС-1. Неразъемный нерегулируемый подшипник скольжения.

Типы подшипников скольжения

Подшипники скольжения могут иметь и более сложную конструкцию, в зависимости от неё можно выделить следующие типы подшипников скольжения.

1. Неразъемные нерегулируемые, рисунок ПС-1. Состоят из цилиндрической втулки – вкладыша и корпуса, закрепленного на станине механизме или выполненного с ней заодно. Втулка, гладкая или с буртом, запрессовывается в корпус или устанавливается по одной из переходных посадок и стопорится винтом или штифтом. Толщина стенки втулки от 2 до 10 мм в соответствии с диаметром валов от 10 до 100 мм. Материал для втулки – обычно бронза, баббитовые сплавы, чугун, пластмассы, металлокерамика и др. При значительных диаметрах вкладыш изготавливается биметаллическим. На него различными способами наносится слой антифрикционного материала. Смазка подается через радиальные отверстия. Для её равномерного распределения по длине вкладыша используются масляные канавки. Для постоянной смазки наиболее нагруженной зоны подшипника используется масляный карман – холодильник.

2. Неразъемные регулируемые с внутренним конусом, рисунок ПС-2.

Рисунок ПС-2. Неразъемный регулируемый с внутренним конусом подшипник скольжения.

Состоят из цилиндрической втулки из бронзы или антифрикционного чугуна с конусным отверстием и наружной резьбой с обоих концов для двух регулировочных гаек. Зазор между валом и втулкой регулируется перемещением втулки вдоль оси. Для предотвращения прокручивания втулки при регулировании используется штифт. Такой тип подшипников часто применяется в шпинделях станков.

3 Неразъемные регулируемые с наружным конусом, рисунок ПС-3.

Рисунок ПС-3. Неразъемный регулируемый с внешним конусом подшипник скольжения.

Используется втулка с цилиндрическим отверстием, наружным конусом и продольной прорезью по всей длине. Зазор между валом и втулкой регулируется осевым перемещением втулки и ее сжатием при этом за счет изменения ширины прорези. Положение подшипника фиксируется болтом с конусной головкой.

4. Разъемные подшипники, рисунок ПС-4.

Рисунок ПС-4. Разъёмный регулируемый подшипник скольжения.

Состоят из корпуса и крышки. Внутри размещаются вкладыши, выполненные из бронзы, антифрикционного чугуна или биметаллические (триметаллические). В верхнем вкладыше выполняются отверстия для подвода смазочного материала и смазочные канавки. В нижнем вкладыше также выполняются смазочные канавки. Крышка и корпус с фланцами соединяются в горизонтальной или наклонной плоскости двумя или четырьмя болтами. Для разгрузки болтов от поперечных сил и лучшего взаимного центрирования стык крышки с корпусом выполняется с уступом, или устанавливаются фиксирующие штифты. Вкладыши толщиной более 3 мм имеют бурты для фиксации в осевом направлении. Для предохранения вкладыша от прокручивания используют штифт или винт. Если толщина вкладыша составляет менее 3 мм, то для его фиксации используется выступ на вкладыше, входящий в выемку корпуса. Зазор между валом и вкладышем регулируется за счет комплекта прокладок. Прокладки помещают между корпусом и вкладышем и между крышкой и вкладышем. Самая тонкая прокладка располагается у крышки.

5. Самоустанавливающиеся цельные подшипники, рисунок ПС-5.

Рисунок ПС-5. Самоустанавливающиеся цельный подшипник скольжения.

Служат для минимизации вредных последствий несоосности оси вала и оси подшипника, возникающих вследствие отклонений от заданных размеров деталей при их изготовлении или вследствие неточностей монтажа. Для этого используются вкладыш и корпус, сопрягаемые по сферической поверхности. Преимущественно используются в опорах многоопорных валов.

6. Сегментные самоустанавливающиеся подшипники, рисунок ПС-6.

Рисунок ПС-6. Сегментный самоустанавливающийся подшипник скольжения.

Вкладыши подшипников состоят из трех и более сегментов, равномерно расположенных по окружности. Конструкция подшипника позволяет сегментам смещаться относительно цапфы в осевой и радиальной плоскостях. Такие подшипники уменьшают вибрацию вала.

7. Многоклиновые цельные регулируемые подшипники, рисунок ПС-7.

Рисунок ПС-7. Многоклиновый цельный регулируемый подшипник скольжения.

Вкладыш имеет конусную наружную поверхность. При осевом перемещении вкладыша за счет прижимной крышки он сжимается, образуя с валом несколько суживающихся зазоров. Образующиеся масляные клинья улучшают центрирование вала, он работает с низким уровнем вибрации.

8. Газостатические подшипники, рисунок ПС-8.

Рисунок ПС-8. Газостатический подшипник. Состоит из камеры (1), пористых вставок (2), подводящей
магистрали (3), корпуса (4), газонепроницаемой втулки (5).

Вкладыш состоит из втулки (5) и пористых вставок (2).

На рисунке цапфа не показана.

В цилиндрический зазор между цапфой и вкладышем в нескольких точках, через пористые ставки (2), под давлением подается воздух или газ. Возникает газовая смазка. Поверхности вала и цапфы в установившемся режиме не контактируют. Подшипник обладает минимальным моментом трения. Применяются для опор с малыми нагрузками и высокими скоростями скольжения.

9. Гидростатические подшипники.

Конструкция в целом аналогична газостатическому подшипнику, рисунок ПС-8. Вкладыш имеет несколько (как правило, четыре) несущие камеры. В камеры под давлением подается масло. Контакт поверхностей вала и опоры отсутствует. Опоры обладают очень малым коэффициентом трения при начале движения вала из состояния покоя (до 10^-6). Обеспечивают высокую точность вращения, низкие вибрации. Такие подшипники могут использоваться для валов с большой нагрузкой.

10. Газо- и гидродинамические подшипники, рисунок ПС-9.

Рисунок ПС-9. Схема газодинамического лепесткового подшипника.

При определенных значениях зазора между цапфой и вкладышем и скорости вращения выше некоторого значения за счёт гидро- и газодинамического эффекта подшипник обеспечивает газовое (жидкостное) трение, т.е. отсутствие непосредственного контакта между цапфой и вкладышем. Применяются в опорах валов при высоких частотах вращения. Материал втулок и вкладышей подбирается с учётом условий эксплуатации. На вкладыш и цапфу могут наноситься системы борозд, которые усиливают газодинамический эффект. Для усиления аэродинамического эффекта могут также использоваться элементы, напоминающие лопасти винта или лепестки.

11. Подпятники, рисунок ПС-10.

Рисунок ПС-10. Схема подпятника скольжения, (1) – корпус, (2) – крышка, (3) – вкладыш радиального
подшипника, (4) – опорный вкладыш.

Воспринимают силы, действующие вдоль оси подшипника. Рабочая поверхность имеет форму круга или кольца. Подразделяются на гладкие и сегментные с неподвижным подпятником, сегментные самоустанавливающиеся, гребенчатые, гидростатические. Материал подпятника: чугун, сталь, бронза, алюминиевые сплавы, баббиты.

Радиальный подшипник скольжения состоит из корпуса с цилиндрическим отверстием, вкладыша (втулки) и смазывающего устройства. Смазывающее устройство размещается на корпусе подшипника. Вкладыш (втулка) размещается в отверстии. Вкладыш изготавливается из материала, который обладает низким коэффициентом трения в паре с материалом цапфы. Между цапфой вала и отверстием втулки подшипника остаётся зазор, который заполняется смазкой. Зазор позволяет валу свободно вращаться.

12. Подшипники шарнирные, рисунок ПС-11.

Рисунок ПС-11. Подшипник скольжения шарнирный.

Для этих подшипников существует свой стандарт, ГОСТ 3635-78. Шарнирные подшипники относятся к подшипникам скольжения. Сферические поверхности наружного и внутреннего колец позволяет им воспринимать радиальные, осевые и комбинированные нагрузки в подвижных или неподвижных соединительных узлах различных механизмов.

Дополнительные классификационные параметры подшипников скольжения

Подшипники скольжения также классифицируют:

1. В зависимости от формы подшипникового отверстия:

• одно- или многоповерхностные;
• со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (сохраняется возможность вращения в обе стороны);
• со смещением или без смещения центра (для окончательной установки валов после монтажа).

2. По направлению восприятия нагрузки:

• радиальные;
• осевые (упорные, подпятники);
• радиально-упорные.

3. По конструкции:

• неразъёмные (втулочные);
• разъёмные (состоящие из корпуса и съёмных крышек);
• встроенные (составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины).

4. По количеству масляных клапанов:

• с одним клапаном;
• с несколькими клапанами.

5. По возможности регулирования:

• нерегулируемые;
• регулируемые.

Виды трения и смазка

В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации, трение скольжения может быть сухим, граничным, жидкостным и газодинамическим.

Сухое и граничное виды трения – самые неблагоприятные. Цапфа и вкладыш быстро изнашиваются, подшипниковый узел выходит из строя.

Подшипники с жидкостным и газодинамическим трением при пуске всё равно проходят этап с граничным трением. Это накладывает ограничения на количество допустимых остановов механизмов с такими подшипниками.

Выбор подходящей смазки и схемы её подачи – одни из главных условий длительной и штатной работы подшипника скольжения.

Смазка обеспечивает:

• уменьшение силы трения;
• отсутствие непосредственного контакта поверхностей подвижных частей подшипника;
• отведение тепла, возникающего из-за трения;
• в ряде случаев - защиту деталей подшипника от вредных воздействий окружающей среды.

Смазка может быть:

• жидкой (минеральные и синтетические масла, вода);
• пластичной (сульфонат кальция, литиевое мыло, и др.);
• твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.);
• газообразной (инертные газы, азот, воздух и др.).

Хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации пористые самосмазывающиеся подшипники, изготовленные по технологиям порошковой металлургии. В ходе вращения пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность. При отсутствии движения подшипник остывает, и смазка уходит в поры.

Для изготовления подшипниковых вкладышей используют карбиды вольфрама или хрома, баббитовые сплавы, бронзы, полимерные материалы, например, фторопласты, керамику.

Классы подшипников скольжения

В таблице 1 перечислены классы подшипников скольжения.

Таблица 1. Классы подшипников скольжения.

Класс	Способ смазки	Вид трения	К-т трения	Назначение	Область применения
1	Малое количество смазки, непостоянная подача смазки	Граничное	0,1 -0,3	Малые скорости скольжения и небольшие удельные давления	Опорные ролики транспортеров, ходовые колёса мостовых кранов
2	Как правило - непрерывная	Полужидкостное	0,02 -0,10	Непродолжительная по времени работа с постоянным или переменным направлением вращения вала, малые скорости и большие удельные нагрузки	Линейные и формовочные машины, кузнечно -прессовое оборудование, прокатные станы, грузоподъёмные машины
3	Масляная ванна или кольца, под давлением	Полужидкостное	0,001 - 0,020	Мало изменяющиеся по величине и направлению усилия, большие и средние нагрузки, переменные нагрузки	Буксы вагонов, тяжёлые станки, мощные электрические машины, тяжёлые редукторы, текстильные машины, газовые двигатели, тихоходные и судовые двигатели
4	Кольца, комбинированный или под давлением	Жидкостное	0,0005-0,0050	Малые окружные скорости валов, особо тяжёлые условия работы при переменных по величине и направлению нагрузках	Электрические машины малой и средней мощности, лёгкие и средние редукторы, центробежные насосы и компрессоры, прокатные станы
5	Под давлением	Жидкостное	0,005-0,050	Слабонагруженные опоры с большими скоростями скольжения	Паровые котлы, водяные турбины, газовые турбины, осевые вентиляторы, турбокомпрессоры

Линейные подшипники скольжения

Подшипники скольжения послужили основой для создания линейных систем перемещения, использующих силы трения скольжения.

Такие линейные системы имеют, в основном, те же достоинства и недостатки по отношению к линейным системам, использующим тела качения, что и подшипники скольжения по отношению к подшипникам качения.

Если очень коротко, то они проще, дешевле, лучше выдерживают большие нагрузки, удары и вибрации, но менее точны, инерционны и требуют больших затрат энергии на перемещение элементов относительно друг друга.

Рассмотрим примеры линейных систем скольжения.

Квадратные каретки скольжения

Квадратная каретка (втулка) представлена на рисунке ПС-12.

Рисунок 12. Квадратная втулка скольжения.

Квадратная втулка скольжения:

• работает, используя один квадратный вал, что позволяет сократить количество дорогих компонентов;
• обеспечивает устойчивость относительно оси движения, избавляя от необходимости использовать два параллельных вала;
• может устанавливаться в любом положении;
• использует стандартные размеры подшипников;
• допускает регулировку жесткости и рабочих зазоров, в зависимости от параметров вала и требуемых условий;
• допускает простую замену подшипников трения.

Втулки скольжения из полимера

Вместо шариковых втулок для линейных систем в некоторых случаях можно использовать втулки скольжения из армированных полимеров.

Преимуществами таких втулок являются:

самосмазывание. Компоненты смазки добавлены в полимер и при микроизносе выделяются, обеспечивая постоянно обновляемую смазку. Это резко сокращает затраты на обслуживание;

длительный срок эксплуатации. Полимерные линейные подшипников не содержат стеклянных волокон и не вызывают абразивного износа валов;

низкое трение. Статические и динамические коэффициенты трения близки друг к другу вследствие выбора материалов подшипника и смазки. Низкое трение обуславливает низкий шум;

высокая безусадочность, широкий диапазон рабочих температур, высокая теплопроводность. Упрочнение синтетическими волокнами снижает температурные деформации подшипников и улучшает посадку подшипников при высоких рабочих температурах;

минимальный износ и устойчивость к большим нагрузкам. Полимерные линейные подшипники высокоустойчивы к износу в радиальных и упорных подшипниках, и при линейных перемещениях при больших нагрузках.

Линейные системы перемещения, использующие тела качения, рассмотрены в разделе

Устройства линейного перемещения

Достоинства подшипников скольжения

Подшипники скольжения обладают следующими достоинствами:

• надёжны в высокооборотных приводах;
• сохраняют работоспособность в течение длительного времени в условиях значительных ударных и вибрационных нагрузок;
• имеют сравнительно небольшие радиальные размеры;
• при установке разъёмных подшипников на цапфы и шейки коленчатых валов не требуется демонтаж других деталей механизма при ремонте;
• простота конструкции при использовании в тихоходных машинах;
• возможность работы в воде. В определенных условиях вода и водные растворы могут служить смазкой;
• позволяют регулировать зазоры и обеспечивают точность установки относительно геометрической оси вала;
• экономичны при больших диаметрах валов;
• пригодны для использования в механизмах с большой массой движущихся частей.

Недостатки подшипников скольжения

Подшипникам скольжения присущи следующие недостатки:

• в ходе эксплуатации требуется постоянный контроль состояния смазки;
• сравнительно большие размеры в осевом направлении;
• большие потери на трение и заметный износ при включении механизма, при недостаточной или несвоевременной смазке;
• значительный расход смазки;
• жесткие требования к температуре и качеству смазки;
• сравнительно большие коэффициенты трения для классов ниже 4;
• неравномерный износ вкладышей и цапфы, что может приводить к вибрации и биениям;
• необходимость использования достаточно дорогих материалов;
• более сильный, по сравнению с подшипниками качения, шум.

Тем не менее, в высокоскоростных механизмах используются, по сути, именно подшипники скольжения! Возможность, при определенных условиях, использовать в качестве смазки жидкости, газы и даже электромагнитное поле вывели подшипники скольжения на совершенно новый уровень.

Кроме того, для тяжелых машин, например, мощных тысячетонных гидроэлектрогенераторов, альтернативы подшипникам скольжения до сих пор нет.