Подшипники качения. 
Прикладная механика: расчеты оборудования для переработки пластмасс

Подшипники качения состоят (рис. 2.10) из внутреннего 1 и наружного3 колец, между дорожками качения которых в сепараторе 4 помещены тела качения 3 (шарики или ролики). В процессе работы одно из колец в большинстве случаев неподвижно.

Большое влияние на работоспособность подшипника оказывает качество сепаратора, удерживающего и направляющего тела качения. Сепаратор значительно уменьшает потери на трение, так как является свободно плавающим и вращающимся элементом. Большинство сепараторов штампуют из стальной ленты. При повышенных окружных скоростях (более 10−15 м/с) применяют массивные сепараторы из латуни, бронзы, дюралюминия или пластмасс.

Подшипники качения стандартизованы и выпускаются промышленностью в большом диапазоне типоразмеров с наружным диаметром от 1,5 до 2600 мм и массой от 0,5 г до 3,5 т.

Рис. 2.10. Основные конструкции подшипников качения: а — шариковый однорядный радиальный; б—шариковый двухрядный радиальный; в—роликовый однорядный радиальный с цилиндрическими роликами; г — роликовый двухрядный радиальный с бочкообразными роликами; д — роликовый радиальный с игольчатыми роликами; е — роликовый радиальный с витыми роликами; ж — шариковый радиально-упорный; з — роликовый радиально-упорный конический с коническими роликами; и — шариковый упорный; к — роликовый упорный с коническими роликами Достоинства подшипников качения:

• • сравнительно малая стоимость вследствие массового производства;
• • малые потери на трение и незначительный нагрев;
• • высокая степень взаимозаменяемости, что облегчает монтаж и ремонт машины или аппарата;
• • малый расход смазки;
• • простота обслуживания;
• • малые осевые размеры (кроме игольчатых подшипников);
• • значительно меньший расход цветных металлов;
• • более высокая прочность по сравнению с подшипниками скольжения.

Недостатки подшипников качения:

• • высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие большей жесткости конструкции подшипника;
• • ограниченная долговечность из-за высоких контактных напряжений;
• • ограниченная быстроходность из-за больших инерционных нагрузок;
• • сравнительно большие радиальные размеры;
• • шум при больших скоростях;
• • высокая стоимость крупногабаритных подшипников.

Подшипники качения классифицируют по следующим основным признакам:

• • по форме тел качения — шариковые и роликовые, причем последние могут быть с цилиндрическими, игольчатыми и коническими роликами;
• • по направлению воспринимаемой нагрузки — радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные;
• • по числу рядов тел качения — однорядные и многорядные;
• • по способности самоустанавливаться — несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся (сферические);
• • но габаритным размерам — на серии.

Для каждого типа подшипника при одном и том же внутреннем диаметре имеются различные серии, отличающиеся размерами колец и тел качения. В зависимости от размера наружного диаметра подшипника серии бывают: сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние и тяжелые.

В зависимости от ширины подшипника серии подразделяются на особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие.

Для подшипников с диаметрами посадочных отверстий на вал от 10 мм и выше применяется следующий принцип маркировки.

Анализ маркировки подшипника удобнее производить справа налево.

Первая позиция справа состоит из двух знаков, несущих информацию о посадочном диаметре подшипника на вал. Посадочные диаметры в интервале от 10 до 20 мм стандартизованы через 2−3 мм, в интервале 20−110 мм — через 5 мм, в интервале 110−200 мм — через 10 мм, а в интервале 200−500 мм — через 20 мм и т. д. Для подшипников с посадочными диаметрами от 20 мм и выше значение посадочного диаметра делится на пять и полученное число проставляется на первой позиции. Например, подшипник с маркировкой 12 имеет внутренний диаметр 12−5 * 60 мм. Если посадочный диаметр меньше 50 мм, то перед значащей цифрой, полученной после деления диаметра на пять, обязательно проставляется цифра ноль. Для интервала посадочных диаметров от 10 до 20 мм, стандартом предусмотрены следующие обозначения диаметров: диаметр 10 мм — обозначение 00, диаметр 12 мм — обозначение 01, диаметр 15 мм — обозначение 02, диаметр 17 мм — обозначение 03.

Вторая справа позиция «серия диаметров» может принимать следующие значения: 0,8,9,1,7,2,3,4,5. Цифры в этом ряду расположены в направлении увеличения наружного диаметра подшипника, при одном и том же посадочном диаметре. Наиболее употребляемые серии диаметров подшипников 2, 3 и 4; традиционно называются легкой, средней и тяжелой сериями.

Третья позиция маркировки «тип подшипника». Существует 10 типов подшипников качения: 0, 1,2,3,4,5,6,7,8,9 (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Типы подшипников качения.

Тип 0 — подшипник шариковый радиальный однорядный (цифра ноль в маркировке условно не проставляется). Подшипник такого типа предназначен для восприятия радиальных сил, но допускает и небольшие осевые нагрузки. Имеет небольшую осевую игру, т. е. возможность относительного осевого смещения колец в пределах долей миллиметра; поэтому строгой осевой фиксации вала не гарантирует. Может работать при взаимном перекосе осей колец до 0, Г. Так как контакт шариков и дорожек колец точечный, то грузоподъемность таких подшипников невелика.

Тип 1 — подшипник шариковый радиальный двухрядный сферический самоустанавливающийся. Обеспечивает работоспособность при перекосе колец до 2−4 градусов, в зависимости от размеров. Может воспринимать небольшую осевую нагрузку и позволяет фиксировать вал в осевом направлении.

Тип 2 — подшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами. Предназначен для восприятия только радиальных нагрузок, значительно больших, чем подшипник типа ноль; при действии осевых сил возможно относительное осевое смещение колец. Позволяет обеспечить свободу осевого движения вала. Допускает эксплуатацию с перекосом осей колец порядка 0,05°.

Конструктивные модификации с буртиками на обоих кольцах, ограничивающими осевое смещение тел качения, позволяют организовывать опоры с осевой фиксацией.

Тип 3 — подшипник роликовый радиальный сферический выполняется с бочкообразными роликами, что позволяет воспринимать очень большие радиальные нагрузки с одновременным перекосом осей колец до 2,5^е. Может воспринимать небольшие осевые нагрузки.

Тип 4 — подшипник игольчатый. Он предназначен для восприятия только радиальных нагрузок. Имеет минимальный радиальный размер, выпускается в модификациях с сепаратором без колец, роль которых выполняют детали узла, или с одним из колец, но без сепаратора.

Тип 5 — подшипник роликовый с витыми роликами. Является аналогом подшипника типа 2, но за счет применения роликов с винтовыми канавками обладает способностью демпфировать ударные нагрузки.

Тип 6 — подшипник шариковый однорядный радиально-упорный, глубина канавок в кольцах с одной из сторон несколько больше, чем у подшипника типа 0. Это позволяет воспринимать несколько большие осевые, а также радиальные нагрузки и обеспечивать осевую фиксацию вала.

Тип 7 — роликовый, радиально-упорный подшипник с коническими роликами. Предназначен для восприятия больших радиальных и осевых нагрузок. Осевые нагрузки допускаются только в направлении, прижимающем ролик к кольцам; обратное направление нагрузки недопустимо, так как вызывает саморазборку подшипника. Подшипник типа 7 обеспечивает осевую фиксацию вала, но не допускает значительных перекосов осей колец. Для обеспечения нормальных условий эксплуатации требует создания предварительного осевого натяга, т. е. осевой силы, зажимающей ролики между кольцами.

Тип 8 — упорный однорядный шариковый подшипник (подпятник). Предназначен для восприятия только осевых сил; весьма чувствителен к перекосам осей колец и радиальным нагрузкам. Отсутствие радиальной фиксации сепаратора и тел качения создает ограничение по предельной частоте вращения.

Тип 9 — упорный роликовый подшипник с коническими роликами. Предназначен для восприятия осевых нагрузок больших, чем у типа 8.

Четвертая позиция классификации «конструктивное исполнение», обозначаемое цифрами от 00 до 99. Конструктивное исполнение обозначает наличие у подшипников основных типов дополнительных, конструктивных особенностей: защитных шайб для защиты от загрязнений, установочных буртов или проточек и т. д.

Пятая позиция классификации «серия ширин» подшипников, определяемая рядом 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Перечень серий ширин или высот указан в порядке увеличения размера ширины или высоты.

Нестандартные подшипники по внутреннему диаметру или ширине (высоте) имеют обозначение серии диаметра 6, 7 или 8. Серия ширин (высот) при этом не указывается.

Кроме рассмотренных позиций классификации существуют еще дополнительные сведения о подшипнике, такие как класс точности, группа радиального зазора, момент трения и категория подшипника.

Основными причинами потери работоспособности подшипников качения являются:

• • усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и беговых дорожек колец в виде раковин или отслаивания (шелушения) вследствие циклического контактного нагружения (обычно наблюдается после длительной работы и сопровождается стуком и вибрациями);
• • пластические деформации на дорожках качения (вмятины) вследствие действия ударных нагрузок или больших статических нагрузок без вращения;
• • задиры рабочих поверхностей качения по причине недостаточной смазки или слишком малых зазоров из-за неправильного монтажа;
• • абразивный износ вследствие плохой защиты от попадания пыли и абразивных частиц (песка и т. п.);
• • разрушение сепараторов от действия центробежных сил (этот вид разрушения является основной причиной потери работоспособности быстроходных подшипников);
• • раскалывание колец и тел вращения из-за перекосов при монтаже и при больших динамических нагрузках.

Основными критериями работоспособности подшипников качения являются долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.

При проектировании машин и аппаратов подшипники качения подбирают, но таблицам каталогов, но условным формулам. Методика подбора подшипников стандартизована.

Выбор типа подшипника зависит от его назначения, направления и величины нагрузки, угловой скорости, режима работы, стоимости подшипника и особенностей монтажа.

При выборе типа подшипника рекомендуется вначале рассмотреть возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов должен быть строго обоснован.

Для малых нагрузок и больших скоростей вращения принимают шариковые подшипники легкой серии. Подшипники более тяжелых серий обладают большей грузоподъемностью, но меньшей быстроходностью.

При ударных или переменных нагрузках с большой кратковременной пиковой нагрузкой предпочтительны двухрядные роликовые подшипники.