Подшипник

Подшипник

Подши́пник — опора вала или оси, фиксирующая положение вращающейся или качающейся части детали и воспринимающая от неё нагрузки. Основное назначение подшипников — снижение трения между движущимися частями механизмов и поддержание их точного положения. Подшипники являются одной из наиболее распространённых деталей в машиностроении и встречаются практически во всех вращающихся узлах — от бытовых приборов до промышленного оборудования и транспортных средств.

Классификация и типы подшипников

По принципу работы подшипники разделяют на две основные группы: подшипники качения и подшипники скольжения. По направлению воспринимаемой нагрузки выделяют радиальные подшипники — для нагрузок, перпендикулярных оси вала; осевые (упорные) — для нагрузок, направленных по оси вала; и комбинированные — для восприятия совместного действия радиальных и осевых сил.

Подшипники скольжения

Подшипник скольжения представляет собой опору, в которой трение возникает при скольжении сопряжённых поверхностей. Простейшая конструкция включает корпус с цилиндрическим отверстием, куда вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала. Между валом и отверстием втулки сохраняется зазор, заполняемый смазочным материалом.

К достоинствам подшипников скольжения относят надёжную работу в высокоскоростных приводах, способность выдерживать значительные ударные и вибрационные нагрузки благодаря демпфирующему действию масляного слоя, бесшумность работы, малые габариты в радиальном направлении и возможность использования в агрессивных средах. Недостатки включают необходимость постоянного контроля смазки, сравнительно большие осевые размеры, повышенные потери на трение при пуске, значительный расход смазочных материалов и применение дорогостоящих антифрикционных материалов.

В подшипниках скольжения различают несколько режимов трения: сухое трение при отсутствии смазки, граничное трение с очень тонким слоем смазки, полужидкостное трение с частичным контактом поверхностей и жидкостное трение, при котором поверхности полностью разделены слоем смазки. Жидкостное трение является наиболее благоприятным, поскольку коэффициент трения составляет всего 0,001—0,005 при практическом отсутствии износа.

Подшипники качения

Подшипник качения состоит из наружного и внутреннего колец с желобами (беговыми дорожками), тел качения (шариков или роликов) и сепаратора, разделяющего и направляющего тела качения. Конструкция стандартизирована и массово производится для диаметров от 1 до 3000 мм. Преимущества подшипников качения включают высокую степень взаимозаменяемости, малый расход смазки, низкие потери на трение и незначительный нагрев при работе. Недостатками являются чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, большие габариты в радиальном направлении и меньшая надёжность при высоких скоростях вращения.

Подшипники качения классифицируют по форме тел качения на шариковые и роликовые, причём ролики могут быть цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми. По направлению воспринимаемой нагрузки выделяют радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные подшипники. По числу рядов тел качения различают однорядные, двухрядные и многорядные конструкции.

История

Первые конструкции, считающиеся прототипами подшипников, были разработаны греческим инженером Диадом около 330 года до н. э. для осадных вышек. Сохранившийся до наших дней металлический подшипник был создан в Англии в 1780 году и состоял из двух дорожек качения с 40 чугунными шарами. Изобретение классического подшипника приписывают кузнецу Филипу Вону из Уэльса, который в 1794 году получил первый патент на эту конструкцию.

Промышленное производство подшипников началось в 1883 году в Германии, примерно в это же время заводы появились в США. В России первое подшипниковое предприятие было организовано в Москве в 1916 году, где в небольших мастерских собирали шариковые подшипники. После Октябрьской революции 1917 года оно было передано в концессию шведской фирме «СКФ», а в 1932 году построен 1-й Государственный подшипниковый завод. Важным этапом в развитии подшипников стало использование компьютерной техники для проектирования и моделирования подшипниковых узлов. Современные программы позволяют создавать виртуальные модели с различными параметрами, что значительно ускоряет процесс разработки. Таким методом был спроектирован, например, микроподшипник для жёстких дисков компьютеров.

Конструктивные особенности

Материалы изготовления

Для подшипников скольжения используются антифрикционные материалы, обеспечивающие низкое трение и износостойкость. К ним относятся бронза (оловянная, алюминиевая, свинцовая), баббиты (сплавы на основе олова, свинца, цинка, меди и алюминия), антифрикционные чугуны, полимерные материалы (фторопласт, капрон, нейлон), а также комбинированные материалы, например пористые металлы, пропитанные пластмассой.

Подшипники качения изготавливаются из высокоуглеродистых хромистых сталей марок ШХ15, ШХ15СГ и других, проходящих термообработку до твёрдости 61—66 HRC с последующим шлифованием и полированием. Сепараторы обычно штампуют из низкоуглеродистой листовой стали, а для быстроходных подшипников (при окружной скорости более 10—15 м/с) применяют массивные сепараторы из бронзы, латуни, текстолита или капрона.

Система обозначений

Подшипники качения маркируются цифрами и буквами согласно ГОСТ 3189. Обозначение включает информацию о внутреннем диаметре, серии диаметров и ширин, типе подшипника и конструктивных особенностях. Первые две цифры справа обозначают внутренний диаметр (для диаметров от 20 до 495 мм — это частное от деления диаметра на 5).

Подшипники с внутренним диаметром 10 мм обозначаются 00, 12 мм — 01, 15 мм — 02, 17 мм — 03. Существует пять классов точности подшипников (в порядке повышения точности): Р0, Р6, Р5, Р4, Р2 (или цифровое обозначение — 0, 6, 5, 4, 2). Класс точности влияет на стоимость подшипников — относительно класса 0 цена увеличивается в 1,3, 2, 4 и 10 раз соответственно.

Критерии работоспособности и расчёт

Подшипники скольжения

Основными критериями работоспособности подшипников скольжения являются износостойкость и стойкость против заедания. Для подшипников с полужидкостным и граничным трением расчёт проводят по двум показателям: среднему давлению между цапфой и вкладышем и произведению давления на скорость.

Расчёт по среднему давлению гарантирует невыдавливание смазки и представляет собой расчёт на износостойкость. Расчёт по произведению давления на скорость характеризует удельную работу сил трения и гарантирует нормальный тепловой режим, предотвращающий заедание. Для подшипников жидкостного трения основным критерием работоспособности является минимальная толщина слоя смазки, исключающая контакт микронеровностей цапфы и вкладыша. Дополнительным критерием служит средняя температура нагрева масла в рабочей зоне.

Подшипники качения

Основными видами разрушения подшипников качения являются усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел и дорожек качения от действия циклических контактных напряжений, пластические деформации (вмятины) при больших статических и ударных нагрузках, задиры от недостаточной смазки, абразивный износ, разрушение сепараторов и раскалывание колец. Расчёт подшипников качения выполняют по динамической грузоподъёмности для предотвращения усталостного выкрашивания и по статической грузоподъёмности для предотвращения пластических деформаций.

Динамическая грузоподъёмность — это постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение одного миллиона оборотов без признаков усталостного разрушения. Статическая грузоподъёмность соответствует нагрузке, вызывающей остаточную деформацию 0,0001 диаметра тела качения.

Смазка и обслуживание

Смазка существенно влияет на долговечность подшипников, уменьшая трение, снижая контактные напряжения, защищая от коррозии и способствуя охлаждению. Для подшипников качения применяют жидкие масла (при окружной скорости вала более 8 м/с) и пластичные мази (при скорости менее 8 м/с). Жидкие масла эффективны для охлаждения и используются в масляных ваннах, системах разбрызгивания, масляного тумана или капельной смазки. Пластичные мази закладывают в корпус подшипникового узла и периодически добавляют. Для защиты от загрязнений и удержания смазки применяют уплотнительные устройства: манжетные (при скорости до 15 м/с), войлочные (до 5 м/с), лабиринтные и щелевые (для любых скоростей). Щели и лабиринты часто заполняют густыми мазями для улучшения герметичности.

Срок службы подшипников зависит от качества изготовления, условий эксплуатации, точности регулировки и балансировки. Ресурс может варьироваться от нескольких десятков тысяч километров до 150 тысяч км и более. Ускоренный износ обычно связан с недостатком смазки, её загрязнением или закоксовыванием, например, в подшипниках турбокомпрессоров. На современных автомобилях используются необслуживаемые подшипники, которые при выходе из строя подлежат замене. Однако в некоторых случаях возможна реставрация путём демонтажа крышек, промывки, набивки новой смазки и установки крышек на место.

Применение в машиностроении

Подшипники качения нашли широкое применение в колёсах автомобилей и самолётов, кранах, тягачах, ведущих барабанах гусеничной техники, электродвигателях, насосах, коробках передач, шпинделях металлорежущих станков. Подшипники скольжения используются в линейных и формовочных машинах, прессовом и кузнечном оборудовании, прокатных станах, тяжёлых редукторах, грузоподъёмных машинах, буксах вагонов, мощных электрических машинах, текстильном оборудовании, судовых двигателях, центробежных насосах и компрессорах, паровых котлах, водяных и газовых турбинах, турбокомпрессорах.

В некоторых узлах машин для уменьшения габаритов и повышения точности и жёсткости применяют совмещённые опоры, где дорожки качения выполняют непосредственно на валу или корпусной детали. Существуют также бессепараторные подшипники качения с увеличенным числом тел качения и повышенной грузоподъёмностью, но с пониженными предельными частотами вращения из-за повышенного момента сопротивления.