ТРАНСМАШ

Орловский филиал ООО "Трансмаш"

Типы подшипников

Что такое подшипники и их основные разновидности

Основные разновидности подшипников

Подшипники выполняют функции опор осей и валов Подшипники это опоры вращающихся осей и валов. Подшипники служат также для поддержания различных деталей, вращающихся на осях. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу или оси, и передают их на раму, корпус или иные части конструкции. При этом они должны также удерживать вал в пространстве, обеспечивать вращение, качание или линейное перемещение с минимальными энергопотерями. От качества подшипников в значительной мере зависит коэффициент полезного действия, работоспособность и долговечность машины.

Подшипники выполняют функции опор осей и валов

Подшипник линейного перемещения

Подшипник линейного перемещения

В настоящее время широко находят применение подшипники:

  • контактные (имеющие трущиеся поверхности) - подшипники качения и скольжения;
  • бесконтактные (не имеющие трущихся поверхностей) - магнитные подшипники.

По виду трения различают:

  • подшипники скольжения, в которых опорная поверхность оси или вала скользит по рабочей поверхности подшипника;
  • подшипники качения, в которых используется трение качения благодаря установке шариков или роликов между подвижным и неподвижным кольцами подшипника.

Подшипники скольжения

Принципиальная схема опоры с подшипником скольжения (Иллюстрация: NTN)

Принципиальная схема опоры с подшипником скольжения

Подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала (часто используются цветные металлы), и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, который позволяет свободно вращаться валу. Для успешной работы подшипника зазор предварительно рассчитывается. Подшипники скольжения имеют следующие преимущества: малые размеры, возможность применения разъёмных подшипников, высокую частоту вращения (100 000 об/мин и более), возможность работы в воде и других агрессивных средах, а также при вибрационных и ударных нагрузках.

К недостаткам подшипников скольжения относятся высокие потери на трение связи с этим пониженный КПД, необходимость систематического наблюдения и непрерывной смазки, неравномерный износ подшипника и цапфы, применение для изготовления подшипников дорогостоящих материалов, относительно большая длина цапфы и вкладыша.

Подшипник скольжения в большинстве случаев состоит из корпуса и помещённых в нём вкладышей, на которые непосредственно опирается ось или вал. Корпус обычно выполняют из чугуна, вкладыши для уменьшения трения изготавливают из материалов, которые в паре с цапфой вала имеют малый коэффициент трения.

Различают неразъёмные подшипники скольжения и разъёмные.Неразъёмные подшипники проще по конструкции и дешевле разъёмных, но они неудобны при монтаже осей и валов. Разъёмные подшипники удобны при монтаже, допускают регулировку зазоров путём сближения крышки и корпуса.

Примеры смазочных канавок в подшипниках скольжения

Примеры смазочных канавок в подшипниках скольжения

В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает:

  • жидкостным, когда поверхности вала и подшипника разделены слоем жидкого смазочного материала, непосредственного контакта между этими поверхностями либо нет, либо он происходит на отдельных участках;

  • граничным – поверхности вала и подшипника соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, причем смазочный материал в виде тонкой пленки;

  • сухим – непосредственный контакт поверхностей вала и подшипника по всей длине или на участках большой протяженности, жидкостной или газообразный смазочный материал отсутствует;

  • газовое – поверхности вала и подшипника разделены слоем газа, трение минимально.

Виды смазки подшипников скольжения

Основные виды смазки

Смазочные материалы и материалы для создания смазочных покрытий. Варианты смазки

Сухая

- В наноструктурном состоянии: С, BN, MoS2 и WS2;

- в виде нанокомпозиционных покрытий: WC/C, MoS2 /C, WS2/C, TiC/C и наноалмаза;

- в виде алмазных и алмазоподобных углеродистых покрытий: пленок из алмаза, гидрогенизированного углерода (a-C:H), аморфного углерода (a-С), нитрида углерода (C3N4) и нитрида бора (BN);

- в виде твердых и сверхтвердых покрытий из VC, B4C, Al2O3, SiC, Si3O4 , TiC, TiN, TiCN, AIN и BN,

- в виде чешуйчатых пленок из MoS2 и графита;

- в виде неметаллических пленок из диоксида титана, фтористого кальция, стекла, оксида свинца, оксида цинка и оксида олово,

- в виде пленки из мягких металлов: свинца, золото, серебра, индия, меди и цинка,

- в виде самосмазывающихся композитов из нанотрубок, полимеров, углерода, графита и металлокерамики,

- в виде чешуйчатых пленок из углеродных составов: фторированного графита и фторид графита;

- углерод;

- полимеры: PTFE, нейлон и полиэтилен,

- жиры, мыло, воск (стеариновая кислота),

- керамика и металлокерамика.

Жидкостная

- Гидродинамическая смазка: толстослойная и эластогидродинамическая;
- гидростатическая смазка;
- смазка под высоким давлением.

Тонкопленочная

- Смешанная смазка (полужидкостная);

- граничная смазка.

Газовая

Газодинамическая смазка

 

Существует большое количество конструктивных типов подшипников скольжения: самоустанавливающиеся, сегментные, самосмазывающиеся и т.д.

 

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно: внешний вид (Фото: NTN)

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно: типичный шарнирный подшипник с поверхностью скольжения 'металл-металл'

б)

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно: типичный шарнирный подшипник с самосмазывающейся поверхностью

а)

 

в)

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно: благодаря возможности самоустановки и восприятия больших нагрузок шарнирные подшипники находят применение в тяжелой технике (например, гидроцилиндр экскаватора)

г)

а - внешний вид, б - типичный шарнирный подшипник с поверхностью скольжения типа "металл-металл", в - типичный шарнирный подшипник с самосмазывающейся поверхностью, г - благодаря возможности самоустановки и восприятия больших нагрузок шарнирные подшипники находят применение в узлах тяжелой техники (например, в гидроцилиндре экскаватора)

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно/

Подшипники скольжения имеют следующие преимущества:

  • допускают высокую скорость вращения;

  • позволяют работать в воде, при вибрационных и ударных нагрузках;

  • экономичны при больших диаметрах валов;

  • возможность установки на валах, где подшипник должен быть разъемным (для коленчатых валов);

  • допускают регулирование различного зазора и, следовательно, точную установку геометрической оси вала.

Двигатель шпинделя HDD c подшипником качения

 

а)

Двигатель шпинделя HDD c гидродинамическим подшипником скольжения

 

б)

Расположение гидродинамического подшипника скольжения в HDD (Hard Disk Drive) (Иллюстрация: NTN)

в)

а - двигатель шпинделя HDD c подшипником качения,

б - двигатель шпинделя HDD c гидродинамическим подшипником скольжения,

в - расположение гидродинамического подшипника скольжения в HDD (Hard Disk Drive)

Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных HDD (Hard Disk Drive) дает возможность регулировать скорость вращения шпинделей в широком диапазоне (до 20 000 об/мин), уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств, тем самым позволив увеличить скорость передачи данных, обеспечить сохранность записанной информации и срок службы устройства в целом (до 10 лет), а также - создать более компактные HDD (0,8-дюймовые)

Сравнение типов подшипников используемых в шпинделях HDD (Hard Disk Drive)

Требования к HDD

Требования к подшипнику

Подшипник качения

Гидродинамический подшипник

Типичное применение

из твердого металла

из пористого материала*

Большой объем хранения данных

Однократные биения

o**

+

+

Персональный компьютер, сервер

Высокие скорости вращения

o

+

+

Сервер

Низкий уровень шума

Низкий уровень шума

+

++

++

Пользовательский компьютер (нетбуки, SOHO)

Низкое потребление тока

Низкий крутящий момент

+

+

+

Мобильные компьютеры (ноутбуки)

Устойчивость к ударам

Устойчивость к ударам

+

++

++

Мобильные компьютеры (ноутбуки)

Безотказность

Устойчивость к заклиниванию

++

о

+

Все компьютеры

Жесткость

Жесткость

++

о

о

Сервер

Примечание:

* - данные приведены для NTN BEARPHITE;

** - обозначения: ++ - очень хорошо, + - хорошо, о - посредственно.

Недостатки подшипников скольжения:

  • высокие потери на трение и, следовательно, пониженный коэффициент полезного действия (0,95... 0,98);

  • необходимость в непрерывном смазывании;

  • неравномерный износ подшипника и цапфы;

  • применение для изготовления подшипников дорогостоящих материалов;

  • относительно высокая трудоемкость изготовления.

Подшипники качения

 Принципиальная схема опоры с подшипником качения (Иллюстрация: NTN)

Принципиальная схема опоры с подшипником качения

Подшипники качения работают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения, сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба – дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм - с шариковыми телами качения (Иллюстрация: NTN)
а)

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм - с короткими цилиндрическими роликами (Иллюстрация: NTN)
б)

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм - с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами (Иллюстрация: NTN)
в)

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм - с коническими роликами (Иллюстрация: NTN) В подшипниках качения применяются тела качения различных форм - с бочкообразными роликами (Иллюстрация: NTN)

г) д)

 

а - с шариковыми телами качения, б - с короткими цилиндрическими роликами, в - с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами, г - с коническими роликами, д - с бочкообразными роликами

Примечание: приведены только некоторые виды тел качения

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм.

В некоторых узлах машин в целях уменьшения габаритов, а также повышения точности и жесткости, применяются так называемые совмещенные опоры: дорожки качения выполняются непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали. Некоторые подшипники качения изготовляют без сепаратора. Такие подшипники имеют большое число тел качения и, следовательно, большую грузоподъемность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Для сокращения радиальных размеров и массы используются

Для сокращения радиальных размеров и массы используются "безобоемные” подшипники

По форме тел качения подшипники качения делятся на шариковые и роликовые. Ролики могут быть цилиндрические короткие, цилиндрические длинные, витые, игольчатые, бочкообразные конические.

По числу рядов тел качения различают однорядные, двухрядные, четырёхрядные подшипники.

По направлению воспринимаемой нагрузки изготавливают радиальные, радиально-упорные и упорные подшипники.

По радиальным габаритам при одинаковом внутреннем диаметре подшипники делят на следующие серии: сверхлёгкие, особолёгкие, лёгкие, средние, тяжёлые; по ширине подшипника различаютузкие, нормальные, широкие и особоширокие.

ГОСТ 520-71 устанавливает следующие классы точности подшипников: 0, 6, 5, 4, 2 (перечень классов дан в порядке повышения точности).

Маркировка подшипников качения отражает основные и конструктивные особенности подшипников. Обозначения наносят на торец колец подшипников. Первые две цифры, считая справа налево, обозначают внутренний диаметр подшипника.

Сравнение подшипников качения по эксплуатационным характеристикам

Тип подшипника

Нагрузка

Высокая частота вращения

Восприятие перекоса

радиальная

осевая

комбинированная

Шариковый радиальный

+*

+

+

+++

о

Шариковый радиальный двухрядный сферический

+

о

о

++

+++

Радиально-упорный однорядный шариковый

+

+

++

++

о

Радиально-упорные шариковые двухрядный и однорядный сдвоенный ("спина к спине")

++

+

++

+

x

Шариковый с четырехточечным контактом

о

+

+

++

х

С коротким цилиндрическими роликами без бортов на одном из колец

+++

х

х

+++

х

С коротким цилиндрическими роликами с бортами на противоположных сторонах наружного и внутреннего колец

+++

о

о

+++

х

Радиальный игольчатый

+++

х

х

о

х

Сферический роликовый

+++

+

+++

+

+++

Конический роликовый

++

++

++

+

о

Упорный шариковый

о

+

о

+

х

Упорный с коническими роликами

о

++

о

о

х

Упорно-радиальный роликовый сферический

о

+++

++

+

+++

Примечание:

* - обозначения: +++ - очень хорошо, ++ - хорошо, + - удовлетворительно, о - плохо, х - непригодно.

По сравнению с подшипниками скольжения имеют следующие преимущества:

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

  • в 10...20 раз меньше момент трения при пуске;

  • экономия дефицитных цветных материалов, которые чаще всего используются при изготовлении подшипников скольжения;

  • меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

  • простота обслуживания и замены;

  • меньше расход смазочного материала;

  • невысокая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников;

  • простота ремонта машины вследствие взаимозаменяемости подшипников.

 

Повреждение внутреннего кольца сферического роликового подшипника, вызванное чрезмерным натягом при посадке (Фото NTN)

а)

 

Фреттинг-коррозия внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием вибрации (Фото NTN)

б)

Повреждение внутреннего кольца радиального шарикового подшипника, вызванное действием чрезмерной осевой нагрузки (Фото NTN)

в)

Повреждение внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием чрезмерной радиальной нагрузки (Фото NTN)

г)

Следы ржавчины на поверхности ролика сферического роликового подшипника, вызванные попадание воды внутрь подшипника (Фото NTN)

д)

Повреждение сепаратора роликового конического подшипника, вызываемое действием больших нагрузок и/или вибраций, и/или неправильным монтажом, и/или смазыванием, и/или работой на высоких частотах вращения (Фото NTN)

e)

а - повреждение внутреннего кольца сферического роликового подшипника, вызванное чрезмерным натягом при посадке;

б - фреттинг-коррозия внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием вибрации;

в - повреждение внутреннего кольца радиального шарикового подшипника, вызванное действием чрезмерной осевой нагрузки;

г - повреждение внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием чрезмерной радиальной нагрузки;

д - следы ржавчины на поверхности ролика сферического роликового подшипника, вызванные попаданием воды внутрь подшипника;

e - повреждение сепаратора роликового конического подшипника, вызываемое действием больших нагрузок и/или вибраций, и/или неправильным монтажом, и/или смазыванием, и/или работой на высоких частотах вращения

Повреждения подшипников качения

Недостатками подшипников качения являются:

  • ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

  • непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

  • значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

  • шум во время работы, обусловленный погрешностями форм;

  • сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

  • повышенная чувствительность к неточности установки;

  • высокая стоимость при мелкосерийном производстве уникальных по размерам подшипников.

Выбор подшипников качения.

При выборе типа и размеров шарико- и роликоподшипников необходимо учитывать следующие факторы:

  • величину и направление нагрузки (радиальная, осевая, комбинированная);
  • характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная);
  • частоту вращения кольца подшипника;
  • необходимую долговечность (желаемый срок службы, выраженный в часах или миллионах оборотов);
  • окружающую среду (температуру, влажность, кислотность и т.п.);
  • особые требования к подшипнику, предъявляемые конструкцией узла машины или механизма (необходимость самоустанавляемости подшипника в опоре с целью компенсации перекосов вала или корпуса, обеспечение перемещения вала в осевом направлении и т.п.).

Следует отдавать предпочтение подшипникам класса 0 или 6 по сравнению с подшипниками более высоки классов.

Подшипники выбирают в следующем порядке:

  • намечают тип подшипника, исходя из условий эксплуатации и конструкции конкретного подшипникового механизма;
  • определяют типоразмер подшипника в зависимости от величины и направления действующих нагрузок, ччастоты вращения и требуемого срока службы;
  • назначают класс точности подшипника с учётом требований к точности вращения механизма; если особых требований нет, принимают нормальный класс 0.

Исходя из действующих радиальных и осевых нагрузок, вычисляют приведенную нагрузку, которая, будучи приложена к подшипнику при вращении внутреннего кольца и неподвижном наружном кольце, обеспечила бы такую же долговечность, какую достигает подшипник в действительных условиях нагружения и вращения.

По приведённой нагрузке, частоте вращения подшипника и требуемому сроку службы рассчитывают необходимую грузоподъёмность, являющуюся основной характеристикой подшипника.По найденной динамической грузоподъёмности по соответствующему ГОСТу выбирают конкретный типоразмер подшипника и его габаритные размеры.

Методика расчёта и подбора стандартных подшипников качения определена ГОСТ 18854-73 и ГОСТ 18855-73.

 

Магнитные подшипники

Магнитный подшипник

Магнитный подшипник

Принцип работы магнитного подшипника (подвеса) основан на использовании левитации, создаваемой электрическими и магнитными полями. Магнитные подшипники позволяют без физического контакта осуществлять подвес вращающегося вала и его относительное вращение без трения и износа.

Детская игрушка Левитрон наглядно демонстрирует, на что способны электромагнитные поля

Детская игрушка Левитрон наглядно демонстрирует, на что способны электромагнитные поля

Электрические и магнитные подвесы, в зависимости от принципа действия, принято разбивать на девять типов:

  • электростатические;

  • на постоянных магнитах;

  • активные магнитные;

  • LC- резонансные;

  • индукционные;

  • кондукционные;

  • диамагнитные;

  • сверхпроводящие;

  • магнитогидродинамические.

Принципиальная схема типичной системы на основе активного магнитного подшипника (АМП)

Принципиальная схема типичной системы на основе активного магнитного подшипника (АМП)

Наибольшую популярность в настоящее время получили активные магнитные подшипники. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Полный неконтактный подвес ротора может быть осуществлен с помощью либо двух радиальных и одного осевого АМП, либо двух конических АМП. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и электронный блок управления, соединенный проводами с обмотками электромагнитов и датчиками. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов.

Принципиальная схема управления типичной системы на основе активного магнитного подшипника

Принципиальная схема управления типичной системы на основе активного магнитного подшипника

Основными преимуществами АМП являются:

  • относительно высокая грузоподъемность;

  • высокая механическая прочность;

  • возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела;

  • возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах;

  • возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, высоких и низких температурах, стерильных технологиях...

Применение магнитных подшипников дает возможность сделать конструкцию более жесткой, что, например, позволяет уменьшить динамический прогиб вала при высоких частотах вращения Применение магнитных подшипников дает возможность сделать конструкцию более жесткой, что, например, позволяет уменьшить динамический прогиб вала при высоких частотах вращения  
а)

б)

а - схема компрессора с подшипниками качения,

б - схема компрессора с магнитными подшипниками

Применение магнитных подшипников дает возможность сделать конструкцию более жесткой, что, например, позволяет уменьшить динамический прогиб вала при высоких частотах вращения

В настоящие время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

АМП могут эффективно применяться в следующем оборудовании:

  • турбокомпрессоры и турбовентиляторы;

  • турбомолекулярные насосы;

  • электрошпиндели (фрезерные, сверлильные, шлифовальные);

  • турбодетандеры;

  • газовые турбины и турбоэлектрические агрегаты;

  • инерционные накопители энергии.

Шпиндели для вакуумных машин с активными магнитными подшипниками (Фото: NTN)

Шпиндели для вакуумных машин с активными магнитными подшипниками

Однако АМП требуют сложную и дорогостоящую аппаратуру управления, внешнего источника электроэнергии, что снижает эффективность и надежность всей системы. Поэтому идут активные работы по созданию пассивных магнитных подшипников (ПМП), которые не требуют сложных систем регулирования: например, на основе высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB (неодим-жедезо-бор).

Пассивный магнитный подшипник на основе высокоэнергетических постоянных магнитов

Пассивный магнитный подшипник на основе высокоэнергетических постоянных магнитов.

Установочные элементы для монтажа и демонтажа подшипников

Закрепительные стяжные втулки существенно упрощают монтаж и демонтаж подшипников и позволяют ощутимо экономить время на этих монотонных операциях.
Качество монтажа является главным условием обеспечения надёжности и долговечности подшипника. Втулки позволяют монтировать с гарантированным натягом подшипники с коническими отверстиями на цилиндрические валы, имеющие широкие допуски по диаметру. В большинстве случаев конусность внутреннего отверстия подшипников 1/12 (К). Для крупногабаритных сферических подшипников SNR серий 24000 и 24100 конусность равна 1/30.

Основные типы втулок:
Стяжная муфта для подшипников SNR Закрепительные втулки применяются для фиксации подшипника на гладком или ступенчатом валу с обеспечением гарантированного остаточного (рабочего) зазора. Они поставляются со стопорной шайбой и гайкой.
Муфта для демонтажа подшипников SNR Стяжные втулки запрессовываются в отверстие подшипника, который, в свою очередь, упирается торцем внутреннего кольца в заплечик вала.
Гидравлическая муфта для подшиников SNR Чтобы облегчить монтаж и демонтаж подшипников больших размеров (начиная с диаметра вала 200 мм) в ассортименте французского производителя подшипников SNR предлагаются гидравлические гайки, представляющие собой торцевой шток. При подаче масла под давлением происходит перемещение подшипника по цилиндрической или конической посадочной шейке вала в требуемое место посадки. Наличие масла уменьшает трение, и вероятность повреждения монтажных поверхностей. Этот метод значительно оптимизирует время монтажа и демонтажа подшипников, сокращает затраты на техобслуживание. После монтажа подшипника с помощью муфт и затяжки гайки, обязательна проверка внутреннего радиального зазора на удовлетворение установленным критериям.