Подшипники качения

14. Подшипники качения

14.1. Общие сведения и классификация

Опора качения обычно состоит из: корпуса, подшипника качения, устройства для закрепления подшипника на валу и в корпусе, защитных и смазочных устройств подшипника. Подшипники качения (рис. 14.1) состоят из: наружного и внутреннего колец с дорожками качения; шариков или роликов (тел качения), которые катятся по дорожкам качения; сепаратора, разделяющего и направляющего шарики или ролики, обеспечивающего их правильную работу. В некоторых подшипниках качения для уменьшения их габаритов отсутствует одно или оба кольца, а в некоторых отсутствует сепаратор.

По сравнению с подшипниками скольжения (в данной работе они не рассматриваются, так как имеют ограниченное применение) подшипники качения имеют следующие достоинства: малые моменты сил трения, значительно меньшие пусковые моменты, небольшой нагрев, незначительный расход смазочных материалов, простое обслуживание. Эти преимущества подшипников качения обеспечивают им широкое распространение в различных областях машиностроения и приборостроения. Подшипники качения стандартизованы, производство их сосредоточено на специализированных заводах. Принцип массового изготовления подшипников качения позволяет их выпускать высокого качества при сравнительно небольшой стоимости.

Подшипники качения имеют следующие недостатки: меньшая долговечность при больших угловых скоростях и при больших нагрузках; ограниченная способность воспринимать ударные и динамические нагрузки; большие радиальные габариты при высоких нагрузках.

По форме тел качения различают: шариковые (рис. 14.1 – 1, 2, 3, 8) и роликовые (рис. 14.1 – 4, 5, 6, 7) подшипники. Роликоподшипники в зависимости от формы роликов различают: с цилиндрическими короткими (рис. 14.1 – 4)  и  длинными роликами, с коническими роликами (рис. 14.1 – 5), с бочкообразными роликами (рис. 14.1 – б), с игольчатыми роликами (рис. 14.1 – 7), то есть с длинными цилиндрическими роликами малого диаметра.

По числу рядов тел качения подшипники различают одно- (рис. 14.1 – 1, 3, 4, 5), двух- (рис. 14.1 – 2, 6) и многорядные.

В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки различают подшипники: радиальные, воспринимающие только радиальную нагрузку (рис. 14.1 – 4, 7); радиальные, но воспринимающие также и некоторую осевую нагрузку (рис. 14.1 -1, 2, 6); упорные, воспринимающие только осевую нагрузку (рис. 14.1 – 8); радиально-упорные, основная нагрузка радиальная и частично осевая (рис. 14.1 — 3,5) и упорно-радиальные, воспринимающие в основном осевую нагрузку и частично радиальную.

Рекомендуемые материалы

Рис. 14.1. Виды подшипников качения

По конструктивному и эксплуатационному признаку подшипники качения подразделяются на несамоустанавливающиеся (рис. 14.1 – 1,3, 4, 5, 7, 8) и самоустанавливающиеся сферические (рис. 14.1 – 2, 6).

Шарикоподшипники работают лучше, чем роликоподшипники при больших угловых скоростях, обладают большей самоустанавливаемостью и все они могут воспринимать осевую нагрузку. Роликоподшипники по сравнению с шарикоподшипниками при тех же габаритных размерах обладают большей грузоподъемностью. Однако потери на трение в роликовых подшипниках больше, чем в шариковых: значения коэффициента трения для шарикоподшипников  = 0,001...0,004, для роликоподшипников  = 0,0025...0,01. Роликовые подшипники более чувствительны к перекосу валов, чем шариковые.

Рис. 14.2. Размерные серии подшипников качения

По нагрузочной способности (или по габаритам) подшипники делятся на семь серий диаметров и ширин: сверхлегкую, особо легкую, легкую, легкую широкую, среднюю, среднюю широкую и тяжелую. Примерное соотношение между габаритами различных серий для подшипников качения одного и того же внутреннего диаметра показано на рис. 14.2. По классам точности изготавливают: 0 (нормального класса); 6 (повышенного); 5 (высокого); 4 (особо высокого) и 2 (сверхвысокого). От точности изготовления зависит работоспособность подшипника, но одновременно возрастает его стоимость:

Класс точности ………………………………………..………..0   6    5  4  2

Относительный коэффициент стоимости (приближенно) ....  1  1,3  2  4  10

Все подшипники качения изготовляют из высокопрочных подшипниковых сталей ШХ15, ШХ15СГ, 18ХГТ и др., с термообработкой, обеспечивающей высокую твердость. Работоспособность подшипника существенно зависит от качества сепаратора. Большинство сепараторов выполняют штампованными из стальной ленты. При повышенных окружных скоростях (более 10...15 м/с) применяют массивные сепараторы из латуни, бронзы, дюралюминия или пластмассы (рис. 14.1 – 3).

Подшипники качения маркируют нанесением на торец колец ряда цифр и букв, условно обозначающих внутренний диаметр, серию, тип, конструктивные особенности, класс точности и др.

Две первые цифры справа обозначают его внутренний диаметр d. Для подшипников с d = 20...495 мм размер внутреннего диаметра определяется умножением указанных двух цифр на 5. Так, например, подшипник 7309 имеет d = 45 мм.

Третья цифра справа обозначает серию подшипника. Особо легкая серия обозначается цифрой 1, легкая – 2, средняя – 3, тяжелая – 4, легкая широкая – 5, средняя широкая – 6 и т. д.

Например, подшипник 7309 – средней серии.

Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника:

Радиальный шариковый однорядный                                          0*

Радиальный шариковый сферический                                          1

Радиальный с короткими цилиндрическими роликами               2

Радиальный роликовый сферический                                           3

Радиальный роликовый с длинными роликами или игольчатый         4

Радиальный роликовый с витыми роликами                                5

Радиально-упорный шариковый                                                   6

Роликовый конический                                                                 7

Упорный шариковый                                                                    8

Упорный роликовый                                                                     9

*Если после 0 слева нет цифр, то 0 в условном обозначении подшипника не проставляется.

В предыдущем примере подшипник 7309 – роликовый конический.

Пятая или пятая или шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного типа.

Седьмая цифра справа – серию ширины.

Цифры, стоящие через тире впереди цифр условного обозначения подшипника, указывает его класс точности.

Примеры обозначения подшипников: 4 – 2208 – подшипник роликовый с короткими цилиндрическими роликами, легкой серии, d = 40 мм, четвертого класса точности; 211 – подшипник шариковый радиальный, легкой серии, с d = 55 мм, нормальным классом точности.

14.2. Виды повреждений, критерии работоспособности и расчета

Потеря работоспособности подшипников качения вызывается следующими причинами.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей деталей, вызываемое переменными напряжениями, наблюдается у подшипников после длительного времени их работы в нормальных условиях.

Износ колец и тел качения при работе подшипников в абразивной среде и недостаточной защите их от грязи (транспортные, сельскохозяйственные, горные, строительные и т. п. машины).

Раскалывание колец и тел качения связано с ударными и вибрационными перегрузками, неправильным монтажом, вызывающим перекосы колец, заклинивание тел качения и т. п. При нормальных условиях эксплуатации этот вид разрушения не наблюдается.

Остаточные деформации на беговых дорожках в виде лунок и вмятин наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных подшипников.

Современный расчет подшипников качения базируется только на двух критериях:

1. Расчет на статическую грузоподъемность по остаточным
деформациям.

2. Расчет на ресурс (долговечность) по усталостному выкрашиванию.

Расчеты по другим критериям не разработаны, так как эти критерии связаны с рядом случайных факторов, трудно поддающихся учету.

При проектировании машин подшипники качения подбирают из числа стандартных по условным формулам. Методика подбора стандартных подшипников гостирована.

Различают подбор подшипников по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания), и по статической грузоподъемности для предупреждения остаточных деформаций.

14.3. Подбор подшипников по динамической грузоподъемности С (по заданному ресурсу или долговечности)

Этот подбор выполняют при частоте вращения n≥ 10 мин^-1. При n от 1 до 10 мин^-1 в расчет принимают n = 10 мин^-1. Условие подбора:

С (потребная) ≤ С (паспортная).                       (14.1)

Паспортная динамическая грузоподъемность С – это такая постоянная нагрузка, которую может выдержать подшипник в течение 1 млн оборотов без появления признаков усталостного повреждения не менее чем у 90% из числа подшипников, подвергающихся испытаниям. Значения С приведены в каталогах для подшипников качения. При этом под нагрузкой понимают радиальную для радиальных и радиально-упорных подшипников (с невращающимся наружным кольцом), осевую для упорных и упорно-радиальных (при вращении одного из колец).

Динамическая грузоподъемность и ресурс связаны эмпирической зависимостью

 или                               (14.2)

где L – ресурс, млн. оборотов; Р – эквивалентная динамическая нагрузка (см. ниже); р = 3 – для шариковых и р =  ≈3,33 – для роликовых подшипников; a₁ – коэффициент надежности. В каталогах указаны значения С (паспортная) с коэффициентом надежности S = 0,9. В тех случаях, когда необходимо увеличить надежность, значения a_l принимают:

а₂ – обобщенный коэффициент совместного влияния качества металла и условий эксплуатации. При обычных условиях применения: для шарикоподшипников (кроме сферических) а₂ = 0,7...0,8; для роликоподшипников конических а₂ = 0,6...0,7.

Формула (14.2) получена в результате испытаний на усталость подшипников качения. На основании испытаний строят кривую усталости с заданной вероятностью неразрушения. Эта кривая подобна кривой на рис. 11.17, но отличается тем, что практически не имеет горизонтального участка, а за координаты приняты: по оси абсцисс – L (млн. оборотов) вместо числа циклов N_H; по оси ординат – нагрузка Р вместо напряжений . Кривая аппроксимируется зависимостью P^PL = const. Константу определяют, приняв L = 1, и обозначают С^p. Тогда Р^РL = С^p  и далее записывают в виде формулы (14.2). Значение С зависит не только от прочности материала, но также от конструктивных и технологических характеристик подшипника.

Если частота вращения п постоянна, номинальную долговечность (ресурс) удобнее определять в часах:

.                                 (14.3)

Для редукторов общего назначения L_h ≥ 10000 ч.

Эквивалентная динамическая нагрузка Р для радиальных и радиально-упорных подшипников есть такая условная постоянная радиальная нагрузка Р_r, которая при приложении ее к подшипнику с вращающимся внутренним кольцом и неподвижным наружным обеспечивает такую же долговечность, какую имеет подшипник при действительных условиях нагружения и вращения. Для упорных и упорно-радиальных подшипников соответственно будет Р_а – постоянная центральная осевая нагрузка при вращении одного из колец:

                                    (14.4)

где F_r – радиальная нагрузка; F_a – осевая нагрузка;

X – коэффициент радиальной нагрузки;

Y – коэффициент осевой нагрузки (X и Y указываются в справочнике для подшипников качения);

V – коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо подшипника вращается (при вращении внутреннего кольца V= 1, наружного V = 1,2);

К_б – коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки: спокойная К_б = 1, умеренные толчки К_б =1,3...1,5, с сильными ударами (толчками) К_б = 2,5...3;

К_Т  – температурный коэффициент (для стали ШХ15 при t до 100°С К_Т = 1, при t = 125...250°С К_Т = 1,05...1,4 соответственно).

В табл. 14.1 значения X и Y различны в зависимости от отношения . Объясняется это тем, что до некоторых пределов, равных коэффициенту этого отношения е, дополнительная осевая нагрузка не ухудшает условия работы подшипника. Она уменьшает радиальный зазор в подшипнике и выравнивает распределение нагрузки (в том числе радиальной) по телам качения.

Таблица 14.1

14.4. Проверка и подбор подшипников по статической грузоподъемности

Эквивалентная динамическая нагрузка Р растет с уменьшением ресурса, и не имеет ограничения. Фактически нагрузка ограничена потерей статической прочности, или так называемой статической грузоподъемностью. Статическую грузоподъемность используют для подбора подшипников при малой частоте вращения п < 1 мин^-1, когда число циклов нагружений мало и не вызывает усталостных разрушений, а также, если необходимо, для проверки подшипников, рассчитанных по динамической грузоподъемности. Условие проверки и подбора

Р₀≤С₀₎                                                                             (14.5)

где Р₀ – эквивалентная статическая нагрузка; С₀ – статическая грузоподъемность.

Под статической грузоподъемностью С₀ понимают такую статическую нагрузку, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения. Под нагрузкой понимают радиальную для радиальных и радиально-упорных подшипников, осевую для упорных и упорно-радиальных. Значения С₀ указаны в каталогах для каждого типоразмера подшипника.

Эквивалентная статическая нагрузка

P₀=X₀F_r+Y₀F_a, но не меньше, чем Р₀ = F_r,                          (14.6)

где F_r – радиальная нагрузка; F_a – осевая нагрузка; Х₀ – коэффициент радиальной статической нагрузки; Y₀ – коэффициент осевой статической нагрузки. Последние коэффициенты выбирают по справочникам.

14.5. Особенности расчета нагрузки радиально-упорных подшипников

Эти особенности связаны с наклоном контактных линий на угол ос к торцовой плоскости подшипника (см. рис. 14.1 – 3,5 и рис. 14.3). На рис. 14.3 в качестве примера изображены конструктивная а и расчетная б схемы для подшипников вала конической шестерни (см. рис. 11.14).

Нагрузки в зацеплении перенесены на ось вала: , , где F_t, F_r и F_a – определяются по формулам (11.39). Нагрузка на конце вала – F_м.

Радиальные нагрузки подшипников F_rl и F_r2 определяют по двум уравнениям равновесия: F = 0 иM = 0. Следует отметить, что F_r1 и F_r2 приложены в точках пересечения контактных нормалей с осью вала. Расстояние между этими точками зависит от схемы расположения подшипников и значения угла а. Если каждый подшипник на рис. 14.3 развернуть в плоскости чертежа на 180° с соответствующим изменением положения упорных буртиков, то точки приложения сил F_rl и F_r2 сместятся внутрь, расстояние между ними уменьшится, а силы F_rl и F_r2 возрастут – неблагоприятный вариант.

Для определения двух осевых нагрузок F_al и F_a2 имеем только одно уравнение F_х = 0 или

F_a-F_a1+F_a2=0                                             (14.7)

В общем случае F_alF_a2, поэтому для решения необходимо рассмотреть дополнительные условия. Наклон контактных линий в радиально-упорных подшипниках приводит к тому, что радиальные нагрузки F_r вызывают внутренние осевые силы S, которые стремятся раздвинуть кольца подшипника в осевом направлении (рис. 14.3, в).

Рис. 14.3. Расчетная схема для радиально-упорных подшипников

Этому препятствуют упорные буртики вала и корпуса с соответствующими реакциями F_al и F_a2. При этом должны быть соблюдены условия F_al≥S₁ и F_a2≥S₂,                             (14.8) иначе кольца раздвинутся (расчет сил S см. дальше).

Кроме того, для решения задачи принимают, что в одном из подшипников осевая сила равна минимально возможной по условию нераздвигания колец, то есть F_al = получим

F_a2=S_l-F_a                                                                                     (14.9)

и если при этом F_a2 ≥ S₂, то осевые силы определены правильно.

Если F_a2 < S₂, то принимают F_a2 = S₂ и находят

9.3 Общие представления о форматировании дисков - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

                                        (14.10)

При этом обязательно выполняется  условие  F_al ≥ ,  так  как  при  F_al =  было F_a2 < S₂, а при увеличении F_a2 должна увеличиваться и F_al [см. уравнение (14.7)].

Значение сил S зависит от типа подшипника, угла а и условий сборки или регулировки подшипников. Если подшипники собраны с большим зазором, то всю нагрузку воспринимает один или два ролика. При этом (рис. 14.3, в) S_t = , где i – в общем случае номер опоры.

Большие зазоры приводят к быстрому разрушению подшипников и поэтому недопустимы. Обычно устанавливают зазоры, близкие к нулю. В этом случае под нагрузкой находится примерно половина тел качения, а суммарная осевая составляющая:

S_i = eF_ri – для радиально-упорных шариковых,

S_i = 0,83 eF_ri – для конических роликоподшипников, (14.11) где е – параметр осевой нагрузки выбирается по справочникам в зависимости от типа подшипника (см. табл. 14.1).