3.30 Подшипники качения

3.30.1 Общие сведения. Характеристики основных типов подшипников

Подшипники качения обладают рядом достоинств, к которым относятся: значительный КПД, небольшие моменты сил трения и пусковые моменты, незначительная опасность перегрева, большая грузоподъемность на единицу ширины подшипника, т. е. небольшие габариты в осевом направлении, невысокие эксплуатационные расходы и требования к уходу, высокая степень стандартизации (простота осуществления взаимозаменяемых подшипниковых узлов), отсутствие необходимости термообработки цапф валов до высокой твердости и последующей тщательной отделочной обработки, невысокая стоимость подшипников.

К недостаткам подшипников качения относятся: пониженная долговечность при высоких скоростях; внезапность выхода из строя вследствие больших контактных напряжений при значительном рассеивании качественных параметров подшипников; ограниченная способность воспринимать ударные нагрузки ввиду большой жесткости конструкции (низкая демпфирующая способность); значительные радиальные габариты; неразъемность в осевом направлении; шум и вибрации, особенно подшипников пониженного класса точности, что существенно влияет на чистоту поверхностей изделий, обрабатываемых на станках. В коробках скоростей и подач металлорежущих станков применяются подшипники качения различных типов. Основные характеристики подшипников, наиболее часто встречающихся в этих узлах, рассматриваются ниже.

Радиальные однорядные шарикоподшипники воспринимают, кроме радиальной, также осевую нагрузку.

Они наиболее просты в эксплуатации и дешевы, нетребовательны к точности монтажа и условиям смазки. Их можно применять в коробках скоростей и подач с косозубыми передачами, а также для осевой фиксации валов в пределах осевого зазора. Радиальные шарикоподшипники удовлетворительно работают при перекосах внутреннего кольца по отношению к наружному, не превышающему 15°. При больших перекосах долговечность их значительно снижается. Эти подшипники удобны в качестве «плавающих опор», способных смещаться в направлении оси вала и компенсировать температурные удлинения (при межопорном расстоянии 350 мм и более, при восприятии двусторонних осевых усилии одной из опор). Окружные скорости, отнесенные к шейке вала, не должны превышать 15—20 м/с [64]. В противном случае следует принимать подшипники с массивными сепараторами из цветных металлов либо текстолита или необходимо понизить расчетную долговечность подшипников.

Радиальные роликоподшипники с короткими роликами (рисунок 3.68) служат в основном для восприятия больших радиальных нагрузок. Грузоподъемность этих подшипников примерно на 70 % больше, чем однорядных радиальных подшипников тех же размеров. Подшипники типов 2000 и 32000, не имеющие бортов на одном из колец, воспринимают только радиальные нагрузки и используются для «плавающих опор» и «плавающих валов», т. е. удобны в тех случаях, когда возможны значительные температурные деформации валов либо необходима самоустановка валов. Однако эти подшипники следует применять в узлах машин с валами, имеющими высокую изгибную жесткость и с небольшими отклонениями от соосности посадочных отверстий, в противном случае возникают значительные кромочные давления, понижающие срок службы подшипника. Подшипники типа 42000, имеющие наружное кольцо с двумя бортами и внутреннее с одним, применяются там, где требуется осевая фиксация вала в одном направлении. Воспринимают небольшие осевые нагрузки.

Просмотреть ближе

Рисунок 3.68 - Однорядные радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами (ГОСТ 8328–75)

Шарикоподшипники радиальные сферические (самоустанавливающиеся) (рисунок 3.69) воспринимают радиальные нагрузки, а также осевые в обоих направлениях, поэтому допускают осевую фиксацию вала. Подшипники типа 1000 удовлетворительно работают при перекосах до 3°. Применяются в тех случаях, когда посадочные места несоосны и находятся в разобщенных корпусах, межопорные расстояния значительны и изгибная жесткость вала сравнительно мала. Подшипник типа 11000 на закрепительной втулке устанавливается на гладких валах без заплечиков. При окружной скорости, отнесенной к шейке вала, превышающей 10 м/с, необходимо принимать подшипники с массивными сепараторами.

Просмотреть ближе

Рисунок 3.69 - Шарикоподшипники радиальные сферические двухрядные (ГОСТ 28428–90 и ГОСТ 8545– 75)

Роликовые радиальные сферические двухрядные подшипники (рисунок 3.70) имеют наибольшую относительную грузоподъемность. Воспринимают радиальные, а также осевые нагрузки в обоих направлениях, поэтому допускают фиксацию вала в осевом направлении. Способны к самоустановке при значительных перекосах колец (до 3°), применяются в опорах длинных валов небольшой жесткости, в машинах, где посадочные места находятся в отдельных корпусах. Подшипники на закрепительных втулках применяются для гладких многоопорных валов. Монтаж и демонтаж таких подшипников существенно облегчается. Шарикоподшипники радиально-упорные (рисунок 3.71) предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок при средних и высоких частотах вращения. В соответствии со стандартом подшипники выпускаются с углами контакта β= 12; 26;36°.

Просмотреть ближе

Рисунок 3.70 - Роликоподшипники радиальные сферические двухрядные (ГОСТ 5721–75 и ГОСТ 8545– 75)

Просмотреть ближе

Рисунок 3.71 - Шарикоподшипник радиально-упорные однорядные (ГОСТ 831–75)

Осевая фиксация вала в обоих направлениях осуществляется путем установки подшипников по два в опору. Подшипники этого типа следует ставить в узлах с малыми межопорными расстояниями, жесткими двухопорными валами, где они будут работать мри сравнительно постоянном тепловом режиме.

Роликоподшипники конические однорядные (рисунок 3.72) предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок при скоростях обычно до 15 м/с на валу. Они находят весьма широкое применение в узлах машин с жесткими двухопорными валами при небольшом межопорном расстоянии. При повышении температуры валы испытывают дополнительные напряжения, в связи с тем что наружные кольца подшипников не могут перемещаться в осевом направлении. Фиксация вала в обоих направлениях осуществляется установкой двух подшипников в опоре, что позволяет осуществить предварительный натяг.

Просмотреть ближе

Рисунок 3.72 - Роликоподшипник конический однорядный (ГОСТ 27365–87)

Эти подшипники весьма чувствительны к величине осевого зазора; при значительной затяжке повышается температура, при чрезмерном увеличении зазора возможно разрушение подшипника. Подшипники выпускаются с углами контакта β= 10-16°, а для восприятия особо больших осевых нагрузок с углами β= 25—30°.

Шарикоподшипники упорные (рисунок 3.73) одинарные типа 8000 воспринимают осевую нагрузку в одном направлении; двойные типа 38000 — в обоих направлениях. При окружной скорости шейки вала, большей 10 м/с, эти подшипники применять не рекомендуется. Игольчатые подшипники отличаются малыми габаритами. Находят применение в тихоходных (до 5 м/с) тяжелонагруженных узлах. Часто используются для замены подшипников скольжения.

Просмотреть ближе

Рисунок 3.73 - Шарикоподшипники упорные (ГОСТ 8995–75 и ГОСТ 4252–75)

Эти подшипники воспринимают только радиальные нагрузки, пригодны для жестких валов, поскольку не допускают перекосов. Для уменьшения габаритов применяются подшипники в виде комплекта их с одним кольцом.

По нагрузочной способности подшипники разделяют на три основные серии: легкую, среднюю и тяжелую. Серии подшипников отличаются друг от друга тем, что при одинаковом внутреннем, диаметре внутреннего кольца остальные размеры, а также динамическая грузоподъемность различны.

3.30.2 Возможные повреждения подшипников качения

Основной причиной выхода из строя подшипников, работающих при переменных нагрузках значительной величины и правильно подобранной смазке в хорошо защищенном от попадания пыли корпусе, является усталостное выкрашивание рабочих поверхностей колец и тел качения.

Износ колец и тел качения является характерным критерием работоспособности подшипников, недостаточно защищенных от попадания пыли и грязи. Поэтому применение надежных уплотняющих устройств и смазки подходящего качества является эффективной мерой по повышению долговечности работы подшипников.

Чаще всего подшипники, особенно быстроходные, выходят из строя из-за поломки сепараторов. При ударных нагрузках и плохом монтаже, вызывающем заклинивание, перекосах колец и т. д., наблюдается разрушение колец и тел качения, например, скалывание буртов у роликоподшипников.

3.30.3 Выбор подшипников по динамической грузоподъемности

При конструировании новых машин подшипники качения, как правило, не рассчитываются по действительным напряжениям, а подбираются по таблицам стандарта на основании условного расчета, состоящего в определении динамической (или статической) грузоподъемности по методике ГОСТ 18854—94. Эта методика основана на учете усталостного выкрашивания рабочих поверхностей.

На основании многочисленных опытов установлена зависимость между динамической приведенной нагрузкой Q (кгс) подшипника; его номинальной долговечностью L, выраженной в миллионах оборотов вращающегося кольца; или L_h, выраженной в часах работы; частотой вращения вращающегося кольца n (об/мин) и динамической грузоподъемностью С (кгс):

где α— показатель степени наклонного участка кривой выносливости.

Для шарикоподшипников α = 3, для роликоподшипников α = 10/3.

Уравнения справедливы при n=10 об/мин; при n=1—10 об/мин расчет ведется как при n = 10 об/мин; при n<;1 нагрузка рассматривается как статическая.

Под динамической грузоподъемностью С понимается постоянная радиальная нагрузка (для упорных и упорно-радиальных подшипников осевая нагрузка), которую подшипник может выдержать в течение 10⁶ оборотов вращающегося кольца.

Для вычисления динамической грузоподъемности, подбора конструкции, типа и размера подшипника нужно знать: а) величину и направление нагрузки (радиальная, осевая или комбинированная); б) характер нагрузки (постоянная, переменная, вибрационная, ударная); в) частоту вращения вращающегося кольца, об/мин; г) необходимую долговечность (желаемый срок службы, выраженный в часах или миллионах оборотов). Ориентировочно можно принимать L_h =5000 ч для мелких и легкозаменяемых подшипников; L_h = 10 000 ч для подшипников средних размеров и работающих в средних условиях; L_h =25 000 ч для тяжелых и дорогих подшипников, работающих в труднодоступных местах. Однако не следует принимать L_h чрезмерно большим, так как это может вызвать неоправданное увеличение габаритов и стоимости; д) окружающую среду и ее температуру, влажность и т. д.; е) требования к подшипнику, предъявляемые конструкцией узла, а именно: необходимость самоустановки вала, необходимость перемещения одной из опор с целью компенсации температурных деформаций, условия монтажа, необходимость самоустановки подшипника в опоре, способ регулировки натяга подшипника; ж) диаметр шейки вала, на которую посажен подшипник.

Долговечность подшипника определяется числом оборотов или числом часов работы при заданной постоянной частоте вращения, которые подшипник должен проработать до появления признаков усталостного разрушения металла на рабочих поверхностях колец и тел качения.

Подшипники качения могут быть нагружены радиальной и осевой нагрузками, постоянной или переменной, может вращаться наружное или внутреннее кольцо, изменяться температура. Эти факторы учитываются при определении приведенной нагрузки, под которой следует понимать такую постоянную радиальную нагрузку, которая при приложении ее к подшипнику с вращающимся внутренним кольцом обеспечивает такую же долговечность, какую подшипник имеет в реальных условиях работы. Для радиальных шарикоподшипников и радиально-упорных шарико- и роликоподшипников динамическая приведенная радиальная нагрузка определяется по формуле

Q = (Xk_KR + YA)k_бk_T,

где R — радиальная нагрузка, кгс;

А — осевая нагрузка, кгс;

k_К = коэффициент вращения, равный 1 при вращении внутреннего кольца и 1,2 при вращении наружного кольца;

k_б — коэффициент безопасности (коэффициент динамичности) (таблица 3.63);

k_T —температурный коэффициент, значения которого следующие:

Таблица 3.63 - Значения коэффициента безопасности (коэффициент динамичности)

Коэффициенты X — радиальной нагрузки и Y — осевой нагрузки приводятся в каталогах подшипников.

Для радиальных шариковых подшипников и для всех радиально-упорных подшипников X и Y зависят от отношения и коэффициента е, значения которого для радиальных подшипников, шарикоподшипников радиально-упорных однорядных приведены в каталогах подшипников в зависимости от отношения , где С_о — статическая грузоподъемность подшипника. Под статической грузоподъемностью подшипника понимается нагрузка, воспринимаемая невращающимся подшипником, под действием которой не возникает остаточных деформаций (приводится в каталогах).

Для подшипников с короткими цилиндрическими роликами и радиальных шарикоподшипников, не нагруженных осевой силой, вычисляется по формуле:

Q = R k_К k_б k_Т.

Для упорных подшипников:

Q = A•k₆ k_Т.

Осевые усилия не оказывают влияния на Q для однорядных радиальных, радиально-упорных шарикоподшипников и однорядных конических роликоподшипников до тех пор, пока отношение не превысит определенной величины е.

Приведенная нагрузка в двухрядных радиально-упорных подшипниках зависит от величины осевой силы при любом ее значении.

При > е в этих подшипниках работает лишь один ряд тел качения. Целесообразно выбирать подшипник с таким углом β, для которого величина е была бы возможно ближе к величине .

Расчетные осевые нагрузки, действующие на радиально-упорные подшипники, определяют в зависимости от схемы нагрузок и относительного расположения подшипников (рисунок 3.74).

Просмотреть ближе

Рисунок 3.74 - Две установки радиально-упорных подшипников

Если приложена только радиальная нагрузка, то при отсутствии осевого зазора и натяга возникают осевые силы как составляющие радиальных нагрузок опор. Эти силы определяются по формулам: S= 0,83 eR для конических роликоподшипников и S = eR для радиально-упорных шарикоподшипников.

Следовательно, расчетная осевая нагрузка А₁ или A_II на подшипник складывается из внешней нагрузки А (рисунок 3.74) и осевой составляющей или радиальной нагрузки и может быть определена по одной из формул.

Для радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников с углом контакта 18° величины е приведены в каталогах подшипников.

Для радиально-упорных шарикоподшипников е определяется по формулам:

при β = 12° ;

при β=15° ;

при углах контакта от 12 до 18° е можно определить по графику (рисунок 3.75).

Просмотреть ближе

Рисунок 3.75 - График для определения величины е при углах контакта от 12 до 18º

Радиальная реакция подшипника считается приложенной к валу в точке пересечения нормалей, проведенных через середины контактных площадок. Расстояние а между этой точкой и торцом подшипника (рисунок 3.74) приближенно может быть определено по формулам:

для радиально-упорных однорядных шарикоподшипников

для радиально-упорных двухрядных шарикоподшипников

для однорядных конических роликоподшипников

для двухрядных конических роликоподшипников

Величины D, d, T, В берутся из каталога подшипников.

3.30.4 Выбор подшипников, работающих при переменной нагрузке и переменной частоте вращения

Для подшипниковых узлов коробок скоростей и подач, работающих при переменной нагрузке и переменной частоте вращения, выбор подшипников производится по эквивалентной нагрузке Q_экв и условной частоте вращения.

Под эквивалентной нагрузкой понимается такая условная нагрузка, которая вызывает такой же эффект усталости, как и совокупность реально действующих нагрузок.

Приведенная нагрузка на каждом режиме работы определяется по методике, изложенной ниже.

При изменении нагрузки по линейному закону от Q_min до Q_max эквивалентная нагрузка определяется по формуле

.

При более сложном законе изменения нагрузок и частот вращения эквивалентная нагрузка

,

где Q₁ Q₂, ...,Q_n—постоянные нагрузки, действующие в течение соответственно L₁, L₂, ..., L_n миллионов оборотов;

L — общее число миллионов оборотов, в течение которого действуют нагрузки Q₁ Q₂, ...,Q_n. Дальнейший расчет выполняется так же, как и при стационарном нагружении.

3.30.5 Последовательность подбора подшипников качения

Подбор подшипников качения и проектирование подшипниковых узлов рекомендуется производить в следующем порядке: а) выбрать тип подшипников и установить их количество в каждой опоре; б) выбрать класс точности подшипника, выполнить расчетную схему вала и определить величины и направления нагрузок, действующих на опоры; в) определить приведенную нагрузку Q для каждого подшипника; г) из условий эксплуатации и экономических соображений принять желаемую долговечность L_h, r; д) вычислить требуемую величину динамической грузоподъемности подшипника; е) по каталогу подобрать в зависимости от диаметра шейки вала и величины С_тр необходимый номер подшипника, при этом должно быть соблюдено условие С_тр≤С, где С — каталожное значение динамической грузоподъемности выбранного типоразмера подшипника. Если габариты и стоимость подшипника тяжелой серии неприемлемы, то необходимо подобрать подшипник другого подходящего типа, например, вместо радиального шарикоподшипника роликоподшипник с цилиндрическими роликами. Нередки случаи, когда С значительно больше С_тр даже для легкой серии. Уменьшение С за счет уменьшения диаметра шейки вала недопустимо, так как вызовет уменьшение прочности вала. В этом случае допускается условие С_тр<<С. Если С_тр>С для данного типоразмера подшипника, a L_h по каким-либо причинам нельзя уменьшить, то можно применить установку двух подшипников в одной опоре; ж) назначить посадки наружных и внутренних колец подшипника на вал и в корпус; з) в зависимости от условий работы выбрать род смазки, конструкцию уплотнения и способ подачи смазки; и) окончательно оформить конструкцию подшипникового узла.