Глава 9. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Опоры валов, вращающихся осей и других вращающихся и качающихся деталей наиболее часто выполняют на подшипниках качения. Подшипники качения (рис. 1 и 2) обычно состоят из наружного и внутреннего 2 колец, тел качения 3 (шариков или роликов), сепаратора 4. На кольцах выполнены дорожки качения, покоторым при вращении подшипника движутся тела качения. Сепаратор разделяет тела качения от взаимного соприкосновения.

Рис. 1. Основные типы шарикоподшипников

Рис. 2. Основные типы роликоподшипников

В подшипниковых опорах иногда применяют подшипники качения без одного или обоих колец, без сепаратора. В случае использования подшипника без колец дорожки качения выполняют непосредственно на деталях опоры и опирающихся деталях.

Подшипники качения классифицируют по следующим признакам.

1. По форме тел качения подшипники делят на шариковые (рис. 1) и роликовые (рис. 2). Последние, в свою очередь, разделяют по форме роликов на подшипники с короткими (рис. 2, а) и длинными (рис. 2, д) цилиндрическими роликами, с коническими роликами (рис. 2, г), с бочкообразными роликами (рис. 2, б), с вигыми и игольчатыми роликами (рис. 2, в).

2. По направлению воспринимаемых сил подшипники разделяют на следующие типы:

а) радиальные, воспринимающие преимущественно радиальные нагрузки, действующие перпендикулярно оси вращения подшипника (рис. 1, а, б и 2, о, б, в, д);

б) радиально-упорные, предназначенные для восприятия комбинированных нагрузок, т. е. одновременно действующих радиальных и осевых нагрузок (рис 1, в, г и 2, г);

в) упорно-радиальные, предназначенные для восприятия осевой нагрузки при одновременном действии незначительной радиальной нагрузки (рис. 1, д);

г) упорные, воспринимающие только осевые нагрузки (рис. 1, е).

3 По способности самоустанавливаться подшипники подразделяют на несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся (сферические, рис. 1, б и 2, б)

4. По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные (рис. 1, а, в-е и 2, а, в-д), двухрядные (рис. 1, б и 2, б) и четырехрядные.

Подшипники одного и того же диаметра отверстия подразделяют по габаритным размерам (наружного диаметра и ширины) на размерные серии: сверхлегкую, особо легкую, легкую, средьюю, тяжелую, особо узкую, узкую, нормальную, широкую и особо широкую.

Наиболее часто применяют подшипники легкой и средней серий нормальной ширины.

Подшипники различных типов, размеров и серий обладают различной грузоподъемностью и быстроходностью. Подшипники более тяжелых серий менее быстроходны, но обладают более высокой грузоподъемностью. Подшипники шариковые радиальные однорядные и радиально-упорные, а также роликовые с короткими цилиндрическими роликами обладают наибольшей быстроходностью по сравнению с подшипниками других типов.

Для особо высокой частоты вращения и действия легких нагрузок целесообразно использовать подшипники сверхлегкой или особо легкой серий. Для восприятия повышенных и тяжелых нагрузок при высокой частоте вращения обычно используют подшипники легкой серии, а при недостаточной их грузоподъемности размещают в одной опоре два подшипника.

Радиальные шарикоподшипники могут воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки, действующие в обе стороны вдоль осн вращения подшипника, что обеспечивает возможность фиксирования вала в осевом направлении. При использовании этих подшипников предъявляются менее высокие требования к соосности опор и жесткости валов. Они дешевле подшипников других типов, допускают наиболее простой монтаж и демонтаж. Поэтому такие подшипники наиболее распространены в различных машинах и механизмах.

Роликовые подшипники более грузоподъемны, чем шариковые. Однако роликоподшипники с цилиндрическими ролнкамн наиболее распространенных конструкций (с направляющими бортами для роликов на одном из колец подшипника) не могут воспринимать осевых нагрузок, а конические роликоподшипники менее быстроходны.

Широко применяют роликоподшипники как с цилиндрическими, так и с коническими роликами с выпуклой образующей (с бомбиннроваиными роликами). Выпуклость (бомбина) составляет мкм в зависимости от диаметра роликов. Такая форма роликов позволяет снизить концентрацию напряжений на их кромках и повысить долговечность подшипников в 2 раза и более.

1. Оптимальные углы контакта шарикоподшипников в зависимости от отношения осевой нагрузки к радиальной

Раднально-упориые и упорно-радиальные подшипники различают по значению угла контакта а (рис. 1, в, г, д и 2, г). С увеличением угла контакта радиально-упорные подшипники могут воспринимать более тяжелые осевые нагрузки. Однако быстроходность подшипников с увеличением угла контакта снижается. При одновременном действии на радиально-упорный шарикоподшипник радиальной и осевой нагрузок выбор оптимального угла контакта подшипника проводят по отношению осевой нагрузки к радиальной (табл. 1).

Радиальные и радиально-упорные шарикоподшипники могут быть использованы и в случае действия на них только осевой нагрузки, особенно при высокой частоте вращения, прн которой нельзя применять упорные подшипники. Самоустанавливающиеся подшипники применяют в случае повышенной несоосности опор вала (до 2—3°), а также при повышенной податливости вала.

При действии на опоры значительных осевых нагрузок в работе их с высокими скоростями используют радиально-упорные шарикоподшипники с четырех, трех- или двухточечным контактом. В этих подшипниках внутреннее (рис. 1, г) или наружное кольцо разъемное в плоскости, перпендикулярной оси подшипника. Благодаря такой конструкции колец представляется возможным в подшипнике разместить большее число шариков и повысить таким образом его

грузоподъемность, применить цельный массивный сепаратор, центрируемый по бортам наружного или внутреннего кольца. Подшипники с многоточечным контактом допускают нагружение осевыми нагрузками в двух направлениях.

Работоспособность подшипников с четырех- и трехточечным контактом значительно снижается, если во время работы возникает одновременно контакт шариков с обеими сторонами арочного желоба. Высокая работоспособность подшипников с многоточечным контактом достигается, когда осевой зазор в подшипнике и осевая нагрузка достаточны для обеспечения во время работы контакта шариков с желобами в двух точках — одной на внутреннем и второй на наружном кольцах.

Для восприятия значительных осевых нагрузок и одновременно сравнительно легких радиальных нагрузок используют упорно-радиальные подшипники (рис. 1, д). Быстроходность таких подшипников невысокая Однако эти подшипники обладают высокой осевой грузоподъемностью, особенно упорно-радиальные подшипники со сфероконическими роликами. Последние являются самоустанавливающимися и могут работать при перёкосе колец или изгибе валов до 3°.

Предельная частота вращения подшипников зависит от их конструкции и точности изготовления, от точности изготовления и монтажа сопряженных с подшипниками деталей, а также от способа смазывания и свойств смазочного материала.

Подшипниковая промышленность изготовляет подшипники качения в соответствии с ГОСТ 520-89 пяти классов точности, которые обозначают следующими цифрами: 0,6, 5, 4 и 2 (обозначения приведены в порядке повышения точности).

Подшипники класса точности 0 обычно используют при отсутствии особых требований к точности вргщения, определяемой радиальными и осевыми биениями дорожек качения внутреннего и наружного колец подшипника, а также при частоте вращения в пределах, указанных каталоге [4] на подшипники общего применения.

При использовании подшипников высоких классов точности необходимо посадочные поверхности сопряженных с ними деталей изготовлять с наименьшей точностью, чем точность изготовления подшипников.

Быстроходность подшипников принято оценивать параметром где — диаметр окружности, соединяющей центры тел качения, мм; — частота вращения подшипника,

При применении специальной системы смазывания и эффективного отвода выделяющегося в подшипниках (средних размеров) тепла получено максимальное значение параметра .

Для шарикоподшипников небольших размеров при смазывании масляным туманом достигают значения параметра ; при этом частота вращения подшипника равна а ресурс подшипников указанной частоте вращения составляет и более.

Основные характеристики подшипников условно обозначают на кольцах подшипника цифрами и буквами, совокупность которых образует условное обозначение подшипника. Система основных условных обозначений подшипников стандартизована и определена

Кольца и тела качения подшипников изготовляют в основном из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей а для подшипников, воспринимающих значительные ударные нагрузки, кольца и тела качения изготовляют из цементуемых сталей Для подшипников, работающих при высоких температурах (до 500 °С), кольца и тела качения изготовляют из теплостойкой вольфрамованадиевой стали электрошлакового переплава. В условном обозначении правее цифровой части теплостойкие подшипники содержат букву Подшипники из теплостойкой стали не снижают своей работоспособности до температуры

2. Механические и тепловые свойства керамических материалов, используемых для изготовления подшипников качения

(см. скан)

Для работы подшипников в агрессивных средах детали подшипников изготовляют из высокоуглеродистой коррозионно-стойкой стали электрошлакового переплава или из стали . В условном обозначении гравее цифровой части эти подшипники содержат букву

Подшипники ответственного назначения высокой надежности изготовляют из указанных сталей повышенной чистоты, получаемых электрошлаковым или вакуумным переплавом.

Для подшипников, работающих с высокой частотой вращения, высокой температурой при отсутствии смазочного материала, в абразивной или агрессивной среде, применяют керамические мятериалы. Из керамических материалов наибольшее применение получили нитрид кремния карбид кремния окись алюминия Эти материалы теплостойки, обладают высокими пределами прочности и текучести. стойки к окислению, износостойки. Подшипники, изготовленные из этих материалов, могут работать без смазочиого материала, несклонны к заеданию и свариванию, мигут работать в воде, кислотах, щелочах.

Однако керамические материалы хрупки, склонны к образованию трещин. Повышенная хрупкость и склонность к растрескиванию нитрида кремния и карбида кремния обусловлена кристаллической структурой, которая при возникновении напряжений не обеспечивает упругих и пластических деформаций. Поэтому с целью предотвращения растрескивания керамические материалы армируют волокнами.

Долговечность керамических подшипников зависит от пористости материала, однородности структуры и шероховатости поверхности. При увеличении пористости, повышенной неоднородности структуры и грубо обработанных поверхностях качения долговечность керамических подшипников качения значительно снижается. Сопротивление усталости при контаке нитрида кремния выше, чем у стали.

Контактная прочность и вязкость нитрида кремния повышаются при введении в исходный материал связующей присадки из окиси иттрия и окиси алюминия Детали подшипников из нитрида кремния изготовляют методом изостатического прессования, что обеспечивает получение материала с требуемой сплошностью. Типичные механические и тепловые свойства керамических материалов, используемых для изготовления подшипников качения, приведены в табл. 2.

Для особо высоких частот вращения или при вращеыш с повышенными частотами обоих колец подшипника в одиу сторону целесообразно использовать гибридные подшипники, в которых тела качения изготовлены из керамического материала, а кольца из стали.

Сепараторы подшипников разделяют на штампованные (змейковые), центрируемые по телам качення, и массивные, центрируемые по бортам наружного или внутреннего кольца. Штампованные сепараторы изготовляют из низкоуглеродистой стали, латунн, коррозионно-стойкой стали. Массивные сепараторы изготовляют из бронзы латуни алюминиевых сплавов и текстолита, низкоуглеродистой стали.

Подшипники с массивным сепаратором наиболее быстроходны. Для ответственных высокоскоростных подшипников бронзовые стальные сепараторы имеют антифрикционные покрытия: свинцово-оловяннстое или серебряное толщиной слоя мкм.

Для подшипников, работающих в вакууме или без смазочного материала, сепараторы изготовляют из маслянита фторопласта-4 с порошками никеля и дисульфида молибдена

Основные типы подшипников и их характеристики приведены в каталоге [4].