Подшипники качения

5 Подшипники качения

5.1 Общие сведения

Опоры валов и осей, в которых трение скольжения заменено трением качения, называют подшипниками качения.

В настоящее время подшипники качения являются основными видами опор в машинах. Подшипники качения стандартизованы. Мировой выпуск подшипников измеряется в миллиардах штук в год. Подшипники качения изготовляют различной конструкции с наружным диаметром от 1 до 2600 мм; с диаметром шариков от 0,35 до 203 мм с массой от 0,5 г до 3,5 т.

На рис. 5.1 приведены основные виды подшипников. На позициях а, б, в и г дан общий вид подшипника и его графическое изображение, на позициях д,е,ж и з — только графическое изображение.

Подшипники качения (рис. 5.1, а) состоят из следующих деталей: наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения 3; тел качения 4, сепараторов 5, разделяющих и направляющих тела качения. В некоторых подшипниках одно или оба кольца могут отсутствовать. В них тела качения катятся непосредственно по канавкам вала или корпуса.

Основными материалами для колец и тел качения подшипников являются подшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15, ШХ15СГ.

Сепараторы подшипников в массовом производстве изготовляют из мягкой стали методом штамповки; для высокоскоростных подшипников применяют массивные сепараторы из антифрикционных бронз, анодированного дюралюминия, порошковых материалов, текстолита, полиамидов; в специальных случаях применяют пластмассовые сепараторы с металлическим каркасом.

В условиях ударных нагрузок и высоких требований к бесшумности работы начинают применять тела качения из пластмасс. При этом резко снижаются требования к твердости колец и их можно изготовлять из легких сплавов.

Рекомендуемые материалы

Основные преимущества подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения:

- значительно меньшие потери на трение, а следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;

- момент трения при пуске в 10...20 раз меньше, чем в подшипниках скольжения;

- экономия дефицитных цветных материалов;

- меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

- простота обслуживания и замены;

- меньший расход масла;

- малая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников и относительно малые эксплуатационные расходы, а также взаимозаменяемость подшипников, что упрощает ремонт машин и оборудования.

Рис. 5.1

Недостатки:

1) ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких угловых скоростях;

2)  непригодны для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений  и  плохой  способности  демпфировать  колебания;

3)  большие, чем у подшипников скольжения, габаритные размеры в радиальном направлении.

5.2 Классификация подшипников качения

Классификация осуществляется по следующим признакам:

по направлению воспринимаемой нагрузки — радиальные (в основном для радиальных нагрузок); радиально-упорные (для совместных радиальных и осевых нагрузок); упорные (для осевых нагрузок); упорно-радиальные (для осевой и радиальной нагрузок);

по форме тел качения (рис. 5.2) — шариковые, роликовые (с цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми роликами);

по числу рядов тел качения — однорядные, двухрядные, четырехрядные;

по способу самоустановки — несамоустанавливающиеся, самоустанавливающиеся (сферические).

Рис. 5.2

В зависимости от нагрузочной способности и размеров при одном и том же диаметре расточки внутреннего кольца подшипники по ГОСТу делятся на серии: по радиальным размерам — сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние, тяжелые; по ширине — узкие, нормальные, широкие, особо широкие.

СТ СЭВ 774—77 регламентирует пять классов точности подшипников (в порядке повышения точности): РО, Р6, Р5, Р4, Р2. Допускается и цифровое обозначение классов точности подшипников качения: 0, 6, 5, 4, 2.

Условное обозначение подшипника. На подшипнике ка-чения ставят клеймо — условное обозначение подшипника, состоящее из ряда цифр и букв. Последние две цифры указывают шифр диаметра внутреннего кольца подшипника: ...00 (d= 10 мм); ...01 (d= 12 мм); ...02 (d = 15 мм); ...03 (d = 17 мм). Начиная от ...04 (d = 20 мм) и кончая ...99 (d = 495 мм) для получения диаметра- внутреннего кольца подшипника необходимо последние две цифры его условного обозначения умножить на 5.

Третья справа цифра условного обозначения указывает серию подшипника: особо легкая — 1, легкая — 2, средняя — 3, тяжелая — 4 и т. д. Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника: радиальный шариковый однорядный — 0 (если левее 0 нет цифр, то 0 не указывают); радиальный шариковый двухрядный — 1; роликовый конический (радиально-упорный) — 7, упорный шариковый — 8 и т. д.

Пятая и шестая справа цифры условного обозначения характеризуют конструктивные особенности подшипника — с закрепленной втулкой, неразборный, с защитной шайбой и т. д.

Седьмая цифра справа характеризует серию подшипника по ширине — нормальная, узкая, широкая.

Например, условное обозначение подшипника 7312 показывает, что диаметр его внутреннего кольца равен 60 мм (12 X 5), подшипник роликовый, конический, средней серии.

Класс точности маркируется слева от условного обозначения подшипника (ГОСТ 3189—75). Например, 5—206, где 5 обозначает класс точности, а 206 — условное обозначение радиального шарикоподшипника легкой серии. Для большинства осей и валов общего назначения применяют подшипники нулевого (нормального) класса точности. Обычно 0 на подшипнике не указывают.

Основные типы подшипников качения. Радиальные однорядные шарикоподшипники (см. рис. 5.1, а) способны воспринимать радиальную и осевую нагрузки. Эти подшипники при действии комбинированной нагрузки (радиальной F_rп и осевой F_an) рекомендуется применять при (F_aП/F_rПmax) X 100 % ≤ 20...25 %. Они получили наибольшее распространение в машиностроении. При одинаковых размерах с другими подшипниками имеют наименьшие потери на трение и допускают наибольшую частоту  вращения. Возможен перекос колец до 10'. Среди подшипников качения имеют самую низкую стоимость.

Радиальные двухрядные сферические шарикоподшипники (см. рис. 5.1, б) предназначены для восприятия радиаль­ной нагрузки. Благодаря сферической форме дорожки на­ружного кольца допускают значительный перекос (до 2...3°) вала и могут воспринимать небольшие осевые на­грузки.

Радиальные роликоподшипники с короткими (см. рис. 5.1, в) и длинными (не стандартизованы) цилиндри­ческими роликами воспринимают только радиальную на­грузку (если имеются борты на кольцах, то могут воспри­нимать незначительную осевую нагрузку). Нагрузочная способность таких подшипников приблизительно на 70 % больше, чем у шариковых, однако они не допускают пере­коса колец, так как ролики начинают работать кромками и подшипники быстро выходят из строя. Эти подшипники допускают осевое взаимное смещение колец; их применяют для коротких жестких валов, а также в качестве «плаваю­щих» опор,

Роликовые подшипники с витыми роликами восприни­мают радиальную нагрузку при невысоких угловых скоро­стях. Применяют их при ударных нагрузках (удары смяг­чаются податливостью витых роликов). Не требуют высо­кой точности монтажа и специальной защиты от загряз­нений.

Игольчатые подшипники (см. рис. 5.1, ж) имеют ро­лики относительно большой длины и малого диаметра. Могут работать при значительных радиальных нагрузках, выдерживают ударные нагрузки при невысоких угловых скоростях. Не допускают осевой нагрузки и перекоса колец, СТ СЭВ 1474—78 регламентирует размеры иголь­чатых подшипников без колец.

Радиально-упорные шарикоподшипники (см. рис. 5.1, з) применяют в подшипниковых узлах, воспринимающих одно­временно радиальные и осевые нагрузки. При попарной установке подшипников они воспринимают осевые силы, действующие в обоих направлениях. Радиальная грузо­подъемность этих подшипников на 30—40 % больше, чем у радиальных однорядных шарикоподшипников. Приме­няют их при средних и высоких угловых скоростях и не­ударных нагрузках. ГОСТ 831—75 регламентирует основ­ные размеры радиально-упорных однорядных шарикопод­шипников,

Конические роликовые подшипники (см. рис. 5.1, г) также предназначены для восприятия радиальной и осевой нагрузок. По сравнению с радиально-упорными шариковыми подшипниками обладают большей грузоподъемностью, возможностью раздельного монтажа внутреннего (вместе с роликами и сепаратором) и наружного колец, а также способностью воспринимать небольшие ударные нагрузки. Недостатком этих подшипников является большая чувствительность к несоосности и относительному перекосу колец, поэтому они требуют жестких валов, точной расточки корпусов и тщательного монтажа. При действии двусторонней осевой нагрузки применяется попарная установка подшипников.

Упорные шарико- и роликоподшипники (см. рис. 5.1, д) предназначены для восприятия только осевой нагрузки. Могут быть выполнены как самоустанавливающиеся. Применяют их при средней и малой скоростях вращения во избежание заклинивания тел качения от действия центробежных сил. Устанавливают обычно в паре с радиальными шарико- или роликоподшипниками, центрирующими ось вала и ограничивающими свободу его перемещения в радиальном направлении.

В машиностроении применяют и другие типы как шариковых, так и роликовых подшипников, устройство и характеристика которых приводятся в специальной литературе.

Выбор типа подшипника зависит от его назначения, направления и величины нагрузки, частоты вращения, режима работы, стоимости подшипника, особенностей монтажа. При выборе типа подшипника необходимо сначала рассмотреть возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников как самых дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других подшипников должен быть конструктивно и экономически обоснован. Если действующие нагрузки невелики, скорости вращения высокие, то следует применять шариковые однорядные подшипники легких серий. Подшипники средних и тяжелых серий применяют при более высоких нагрузках, но при этом допускаемая скорость вращения уменьшается. При одновременном действии радиальной и осевой нагрузок выясняют возможность установки одного подшипника или двух, каждый из которых воспринимает один вид нагрузки (комбинация радиального и упорного подшипников). При ударных и переменных нагрузках, возможных пиковых перегрузках необходимо ориентироваться на двухрядные роликовые подшипники. Следует иметь в виду, что шариковые подшипники менее требовательны к смазке.

Подшипники должны быть установлены так, чтобы обеспечивалось необходимое радиальное и осевое фиксирование вала и исключались дополнительные нагрузки вследствие температурных деформаций, неправильного регулирования и т. д.

Для уменьшения потерь на трение, защиты от коррозии, отвода тепла применяют жидкие и пластичные смазочные материалы.

Для защиты от загрязнения и предупреждения утечек смазочного материала подшипниковые узлы снабжают уплотняющими устройствами. Широкое распространение получили уплотнения манжетные (рис. 5.3, а), войлочные (рис. 5.3,6), канавочные (лабиринтные) (рис. 5.3, в) и др. Лабиринтные уплотнения относятся к бесконтактным и являются наиболее совершенными из всех уплотни-тельных средств. Их применяют при любых частотах вращения. Зазор в лабиринтах заполняют пластичным смазочным материалом. Применяют также комбинированные уплотняющие устройства.

Рис. 5.3

5.3 Критерии работоспособности подшипников качения. Подбор подшипников

Распределение нагрузки между телами качения. В восприятии радиальной нагрузки участвуют только тела качения, расположенные в нижней части подшипника на дуге не более 180°. При условии абсолютной точности размеровшариков и колец и при отсутствии радиального зазора     можно      получить

    

где F_maх — сила, действующая «а наиболее нагруженное тело качения; F_rП — радиальная нагрузка на подшипник; z — число тел качения в подшипнике. Вводя   поправку   на   влияние радиального зазора и неточности размеров деталей, принимают F_max = 5F_rП /z. При увеличении зазора из-за изнашивания подшипника прогрессивно ухудшаются условия   работы вплоть до его разрушения.

В каждой точке поверхности контакта колец или шариков контактные напряжения изменяются по прерывисто-пульсирующему циклу. С переменными контактными напряжениями связан усталостный характер разрушения рабочих поверхностей деталей подшипника (выкрашивание).

При нагружении радиально-упорного подшипника силой F_rП за счет наличия угла давления а (рис. 5.4) возникает собственная осевая сила подшипника F_α, стремящаяся сдвинуть вал (рис. 5.4, а — для шарикового и рис. 5.4,6 —для роликового подшипников). Расчетная осевая сила Fα_П является результатом действия внешней осевой силы подшипника F_a и собственной осевой силы подшипника F_α. Сила F_αП зависит от правильности установки и регулирования осевого зазора в подшипнике.

Рис. 5.4

Основные причины потери работоспособности подшипников качения:

- усталостное разрушение рабочих поверхностей тел качения и беговых дорожек колец вследствие циклического контактного нагружения; этот основной вид разрушения подшипников наблюдается после длительной работы и сопровождается повышением шума и вибрации; из опыта эксплуатации установлено, что чаще повреждается беговая дорожка внутреннего кольца;

- пластические деформации в виде вмятин, лунок на дорожках качения, наблюдаемые у тяжело нагруженных тихоходных подшипников при действии больших нагрузок без вращения или ударных нагрузок;

- абразивное изнашивание в результате недостаточной защиты от абразивных частиц (пыли и грязи), является основной причиной выхода из строя подшипников автомобилей, тракторов, строительных машин и т. п.; применение совершенных конструкций уплотнений подшипниковых узлов уменьшает износ;

- задиры рабочих поверхностей в результате недостаточной смазки, очень малых зазоров из-за неправильного монтажа;

- разрушение колец и тел качения из-за перекосов при монтаже или при больших динамических нагрузках; этот вид разрушения при нормальной эксплуатации не наблюдается;

- разрушение сепараторов имеет место в быстроходных подшипниках от действия центробежных сил и давления тел качения.

Расчет (подбор) подшипников качения на долговечность. Критерии работоспособности. Основными критериями работоспособности подшипников качения является долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.

Расчет на долговечность выполняют для подшипников, вращающихся с угловой скоростью ω ≥ 0,1 рад/с. Невраща-ющиеся подшипники или медленно вращающиеся (с угловой скоростью ω ≤ 0,1 рад/с) рассчитывают на статическую грузоподъемность.

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают по таблицам каталога. Методы подбора подшипников качения стандартизованы.

Выбор типа подшипников. Выбор подшипника зависит от его назначения, направления и величины нагрузки, угловой скорости, режима работы, стоимости подшипника и особенностей монтажа. При выборе типа подшипника рекомендуется вначале рассмотреть возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников, как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов должен быть обоснован.

Для малых нагрузок и больших скоростей вращения принимают шариковые однорядные подшипники легких серий. Подшипники более тяжелых серий обладают большей грузоподъемностью, но допускаемая угловая скорость их меньше. При одновременном действии радиальной и осевой нагрузок выясняют, достаточно ли одного подшипника или необходимо, чтобы каждая из нагрузок воспринималась отдельными подшипниками.

При ударных или переменных нагрузках с большой кратковременной пиковой нагрузкой предпочтительны двухрядные роликовые подшипники.

Следует иметь в виду, что шариковые подшипники менее требовательны к смазке, чем роликовые.

Расчет (подбор) на долговечность. Расчет радиальных и ра-диально-упорных подшипников основан на базовой динамической грузоподъемности С_r подшипника, представляющей постоянную радиальную нагрузку, которую подшипник может воспринять при базовой долговечности, составляющей 10⁶ оборотов.

Значения Сг указаны в каталогах (справочниках) для каждого типоразмера подшипника.

Базовая долговечность L10 (млн. оборотов) или L_10h (ч) подшипника — долговечность при 90 %-ной надежности.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что расчетная динамическая грузоподъемность  подшипника С_{r Расч} (вН):

где R_E — эквивалентная (приведенная) динамическая нагрузка (см. ниже), Н; р — показатель степени; р = 3 для шариковых и р = 10/3 = 3,33 для роликовых подшипников; оme — угловая скорость кольца (вала), рад/с; L_h— требуемая долговечность (ресурс) подшипника, ч. Обычно долговечность подшипника определяется сроком службы машины между капитальными ремонтами. В машиностроении принимают L_h = 4000...30 000 ч.

Формула справедлива при ω ≥ 1 рад/с. При ω = 0,1...1 рад/с в нее подставляют ω ≥ 1 рад/с.

Эквивалентная динамическая нагрузка R_E учитывает характер и направление действующих на подшипник нагрузок, условия работы и зависит от типа подшипника:

для радиальных и радиально-упорных подшипников

для упорных подшипников

где R_r— радиальная нагрузка на подшипник (суммарная опорная реакция), Н; R_a—осевая нагрузка подшипника, Н; V — коэффициент вращения, учитывающий зависимость долговечности подшипника от того, какое из колец вращается; V=1 при вращении внутреннего кольца подшипника относительно направления радиальной нагрузки и V= 1,2 при вращении наружного кольца.

К_б— коэффициент безопасности, учитывающий влияние характера нагрузки на долговечность подшипника;

Характер нагрузки                                             Кб

Спокойная нагрузка  (без толчков)....................1

Легкие   толчки...............................................1,1...1,2

Умеренные толчки.........................................1,3...1,8

K_т — коэффициент, учитывающий  влияние температуры  на долговечность подшипника:

при   t°С………………≤100      125      150      175      200      250

         Кτ…………….......1,00     1,05     1,10     1,15     1,25     1,40

X, Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (указываются в каталоге, см. также табл. 24.2).

Осевая нагрузка R_a не оказывает влияния на эквивалентную нагрузку R_E, пока отношение R_a/(VR_r) не превысит значения е — коэффициента осевого нагружения (указывается в каталоге, справочнике).

При расчете радиально-упорных подшипников необходимо учитывать осевые составляющие R_s реакций подшипников, возникающие под действием радиальных нагрузок R_r (рис. 5.5 и 5.6).

Рис. 5.5

 

Рис. 5.6

Для шариковых радиально-упорных подшипников

Для конических роликовых подшипников

Расчетная осевая нагрузка Rа на каждый из двух радиально-упорных подшипников вала (рис. 5.5 и 5.6) определяется по формулам из таблицы, полученным при условии отсутствия предварительного натяга и осевой «игры».

Последовательность расчета (подбора) подшипников качения на долговечность

Исходные данные:

1. Расчетная схема вала с указанием значения и направления нагрузок.

2.  Угловая скорость вала ω.

3.  Диаметр цапф вала d.

4.  Условия работы подшипникового узла.

Последовательность   расчета:

1. Определяют радиальные опорные реакции в вертикальной R_в и горизонтальной R_г плоскостях, а затем суммарные реакции R_r для каждой опоры:

При определении опорных реакций радиально-упорных подшипников пролетом между опорами считают расстояние l с учетом угла контакта α (рис. 24.15 и 24.16).

Тип подшипника выбирают исходя из условий работы, действующих нагрузок и намечаемой конструкции подшипникового узла.

2. По каталогу, ориентируясь на легкую серию, по диаметру цапфы подбирают подшипник и выписывают характеризующие

его данные:

а) для шарикового радиального и радиально-упорного с углом контакта α < 18° значения базовых динамической С_r и статической C_or радиальных грузоподъемностей;

б)  для шарикового радиально-упорного с аlfa >= 18° значения Сr и по табл. 24.2 (или каталогу) значение коэффициента е;

в)  для конического роликового значения Сг, е и Y.

3.  Для шариковых радиально-упорных и роликовых конических подшипников определяют для обеих опор осевые составляющие Rs от радиальных сил Rr [формулы (24.4) и (24.5) ], а затем по формулам табл. 24.3 вычисляют расчетные осевые силы Ra.

Задаются расчетными коэффициентами Vy Кб и Kteta в зависимости от условий работы.

4. Для шариковых радиальных и шариковых радиально-упорных подшипников с углом контакта alfa < 18° определяют отношение Ra/Cor и по табл. 24.2 (или каталогу) принимают значение коэффициента е.

Сравнивают отношение R_a/(VR_r) с коэффициентом е и принимают значения коэффициентов X и Y:

а)  если R_a/(VR_r) ≤ е, то для любого типа подшипника, кроме двухрядного, принимают Х=1, К=0;

б)  если R_a/(VR_r) > e для подшипников шариковых радиальных и радиально-упорных, то значения коэффициентов X и Y принимают по табл. 24...2 (или каталогу);

в)  при R_a/(VR_r) > е для конических роликовых подшипников принимают  коэффициент  Х = 0,4   (значение   Y принято  ранее

в п. 2, в).

5.  Вычисляют эквивалентную динамическую нагрузку.

6.  Определяют расчетную динамическую грузоподъемность подшипника С_r расч [формула (24.1)] и оценивают пригодность намеченного подшипника по условию

Если расчетное значение С_{r расч} больше значения базовой динамической грузоподъемности С_r для принятого подшипника, то переходят к более тяжелой серии или принимают другой тип подшипника (например, вместо шарикового — роликовый) и расчет повторяют. В отдельных случаях увеличивают диаметр цапфы вала с целью перехода на следующий типоразмер подшипника. В этом случае в конструкцию вала вносят изменения.

Коэффициенты X и Y для однорядных шарикоподшипников

Формулы для определения R_a

Если для обеих опор вала принимают подшипники одного типа и одного размера (см. рис. 5.6), то расчет и подбор подшипника ведут по наиболее нагруженной опоре. В этом случае уменьшается количество типоразмеров подшипников в конструкции.

В отдельных случаях пригодность намеченного подшипника качения оценивают сопоставлением базовой и требуемой долговечности. В этом случае в п. 6 определяют базовую долго вечность подшипника L₁₀ в млн. оборотов или L_10h в часах:

Если базовая долговечность больше или равна требуемой (L_10h ≥ L_h), то намеченный подшипник пригоден для заданного режима работы.

Расчет (подбор) подшипников качения при статическом нагружении

Подшипники качения, воспринимающие нагрузку в неподвижном состоянии или при медленном вращении с угловой скоростью ω < 0,1 рад/с, подбирают по базовой статической грузоподъемности С_оr.

Под базовой статической грузоподъемностью подшипника понимают такую статическую силу, при которой общая пластическая остаточная деформация тел качения или колец в наиболее нагруженной точке контакта не превышала 0,0001 диаметра тела качения.

Значения С_оr указаны в каталогах для каждого типа размера подшипника.

Базовую статическую грузоподъемность С_or используют также для проверки подшипников, подобранных по базовой динамической грузоподъемности С_r.

Обратите внимание на лекцию "27 Складывание единого сословного государства".

Условие  подбора  и   проверки

где R_0E — эквивалентная статическая нагрузка, Н.

Для радиальных и радиально-упорных подшипников

Здесь R_r и R_a— радиальная и осевая нагрузки подшипников, H; Х₀ и У₀— коэффициенты радиальной и осевой нагрузки (см. каталог). Например, для шариковых радиальных однорядных и двухрядных подшипников Х₀ = 0,6 и Y₀ = 0,5.