Подшипник

Подши́пник (от «под шип») — сборочный узел, являющийся частью опоры или упора и поддерживающий вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции^[1].

Опора с упорным подшипником называется подпятником.

Основные параметры подшипников:^[2]

• Максимальная динамическая и статическая нагрузка (радиальная и осевая).
• Максимальная скорость (оборотов в минуту для радиальных подшипников).
• Посадочные размеры.
• Класс точности подшипников.
• Требования к смазке^[3].
• Ресурс подшипника до появления признаков усталости, в оборотах.
• Шумы подшипника
• Вибрации подшипника

Нагружающие подшипник силы подразделяют на:

• радиальную, действующую в направлении, перпендикулярном оси подшипника;
• осевую, действующую в направлении, параллельном оси подшипника.

По принципу работы все подшипники можно разделить на несколько типов:

• подшипники качения;
• подшипники скольжения;

К подшипникам скольжения также относят:

• газостатические подшипники;
• газодинамические подшипники;
• гидростатические подшипники;
• гидродинамические подшипники;
• магнитные подшипники.

Основные типы, которые применяются в машиностроении, — это подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипники качения состоят из двух колец, тел качения (различной формы) и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без 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.

Также существуют насыпные подшипники, состоящие из сепаратора и вставленных в него шариков (см. рис. выше), которые можно вытаскивать.

Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большее число тел качения и большую грузоподъёмность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

В подшипниках качения возникает преимущественно трение качения (имеются только небольшие потери на трение скольжения между сепаратором и телами качения), поэтому по сравнению с подшипниками скольжения снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ. Закрытые подшипники качения (имеющие защитные крышки) практически не требуют обслуживания (замены смазки), открытые — чувствительны к попаданию инородных тел, что может привести к быстрому разрушению подшипника.

Классификация подшипников качения осуществляется на основе следующих признаков:

• По виду тел качения
  • Шариковые,
  • Роликовые (игольчатые, если ролики тонкие и длинные);
• По типу воспринимаемой нагрузки
  • Радиальные (нагрузка вдоль оси вала не допускается).
  • Радиально-упорные, упорно-радиальные. Воспринимают нагрузки как вдоль, так и поперёк оси вала. Часто нагрузка вдоль оси только одного направления.
  • Упорные (нагрузка поперёк оси вала не допускается).
    • Шариковые винтовые передачи. Обеспечивают сопряжение винт-гайка через тела качения.
• По числу рядов тел качения
  • Однорядные,
  • Двухрядные,
  • Многорядные;
  • Самоустанавливающиеся.
  • Несамоустанавливающиеся.

• По материалу тел качений:
  • Полностью стальные;
  • Гибридные: стальные кольца, тела качения неметаллические, как правило, керамические, применяются в быстровращающихся механизмах, чаще всего — в газотурбинных двигателях;

• 
  Радиальный роликовый подшипник
• 
  Упорный шариковый подшипник
• 
  Упорный роликовый подшипник
• 
  Радиально-упорный шариковый подшипник
• 
  Радиально-упорный шариковый подшипник с четырёхточечным контактом
• 
  Радиально-упорный роликовый подшипник (конический)
• 
  Самоустанавливающийся двухрядный радиальный шариковый подшипник
• 
  Самоустанавливающийся радиальный роликовый подшипник
• 
  Самоустанавливающийся радиально-упорный роликовый подшипник
• 
  Самоустанавливающийся двухрядный радиальный роликовый подшипник с бочкообразными роликами (сферический)
• 
  Самоустанавливающийся подшипник
• 
  Сепаратор с роликами игольчатого подшипника
• 
  Шариковая винтовая передача
• 
  Шарики

Подшипник представляет собой по существу планетарный механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колёс выполняют внутреннее и наружное кольца, а тела качения заменяют сателлиты.

Частота вращения сепаратора или частота вращения шариков вокруг оси подшипника:

$${\displaystyle n_{c}={\frac {n_{1}}{2}}\left(1-{\frac {D_{\omega }}{d_{m}}}\right),}$$

где ${\displaystyle n_{1}}$ — частота вращения внутреннего кольца радиального шарикоподшипника,

${\displaystyle D_{\omega }}$ — диаметр шарика,

${\displaystyle d_{m}=0,5(D+d)}$ — диаметр окружности, проходящей через оси всех тел качения (шариков или роликов).

Частота вращения шарика относительно сепаратора:

${\displaystyle n_{sp}={\frac {n_{1}}{2}}\left({\frac {d_{m}}{D_{\omega }}}-{\frac {D_{\omega }}{d_{m}}}\right).}$

Частота вращения сепаратора при вращении наружного кольца:

${\displaystyle n_{c*}={\frac {n_{3}}{2}}\left(1+{\frac {D_{\omega }}{d_{m}}}\right),}$

где ${\displaystyle n_{3}}$ — частота вращения внешнего кольца радиального шарикоподшипника.

Для радиально-упорного подшипника:

${\displaystyle n_{c}={\frac {n_{1}}{2}}\left(1-{\frac {D_{\omega }\cos \alpha }{d_{m}}}\right),}$

${\displaystyle n_{sp}={\frac {n_{1}}{2}}\left({\frac {d_{m}}{D_{\omega }}}-{\frac {D_{\omega }\cos ^{2}\alpha }{d_{m}}}\right).}$

Из приведённых выше соотношений следует, что при вращении внутреннего кольца сепаратор вращается в ту же сторону. Частота вращения сепаратора зависит от диаметра ${\displaystyle D_{\omega }}$ шариков при неизменном ${\displaystyle d_{m}}$: она возрастает при уменьшении ${\displaystyle D_{\omega }}$ и уменьшается при увеличении ${\displaystyle D_{\omega }.}$

В связи с этим разноразмерность шариков в комплекте подшипника является причиной повышенного износа и выхода из строя сепаратора и подшипника в целом.

При вращении тел качения вокруг оси подшипника на каждое из них действует нагружающая дополнительно дорожку качения наружного кольца центробежная сила:

${\displaystyle F_{c}=0,5md_{m}\omega _{c}^{2},}$

где ${\displaystyle m}$ — масса тела качения,

${\displaystyle \omega _{c}}$ — угловая скорость сепаратора.

Центробежные силы вызывают перегрузку подшипника при работе на повышенной частоте вращения, повышенное тепловыделение (перегрев подшипника) и ускоренное изнашивание сепаратора. Всё это сокращает срок службы подшипника.

В упорном подшипнике, кроме центробежных сил, на шарики действует обусловленный изменением направления оси вращения шариков в пространстве гироскопический момент ${\displaystyle M_{r}:}$

${\displaystyle M_{r}=J\omega _{c}\omega _{sp}.}$

Гироскопический момент будет действовать на шарики и во вращающемся радиально-упорном шарикоподшипнике при действии осевой нагрузки:

${\displaystyle M_{r}=J\omega _{c}\omega _{sp}\sin \alpha ,}$

где ${\displaystyle J=\rho \cdot \pi \cdot D_{\omega }^{5}/60}$ — полярный момент инерции массы шарика;

${\displaystyle \rho }$ — плотность материала шарика;

${\displaystyle \omega _{c}}$ — угловая скорость вращения шарика вокруг оси вала (угловая скорость сепаратора);

${\displaystyle \omega _{sp}}$ — угловая скорость вращения шарика вокруг своей оси.

Под действием гироскопического момента каждый шарик получает дополнительное вращение вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной векторами угловых скоростей шарика и сепаратора. Такое вращение сопровождается изнашиванием поверхностей качения, и для предотвращения вращения подшипник следует нагружать такой осевой силой, чтобы соблюдать условие:

${\displaystyle T_{f}=M_{r},}$

где ${\displaystyle T_{f}}$ — момент сил трения от осевой нагрузки на площадках контакта шариков с кольцами.

Советская и российская маркировка подшипников состоит из условного обозначения и стандартизована в соответствии ГОСТ 3189-89 и условного обозначения завода-изготовителя.

Основное условное обозначение подшипника состоит из семи цифр основного условного обозначения (при нулевых значениях этих признаков оно может сокращаться до 2 знаков) и дополнительного обозначения, которое располагается слева и справа от основного. При этом дополнительное обозначение, расположенное слева от основного, всегда отделено знаком тире (—), а дополнительное обозначение, расположенное справа, всегда начинается с какой-либо буквы. Чтение знаков основного и дополнительного обозначения производится справа налево.

Подшипник скольжения — опора или направляющая механизма, или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент — вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу. Расчёт зазора подшипника, работающего в режиме разделения поверхностей трения смазочным слоем, производится на основе гидродинамической теории смазки.

При расчёте определяются: минимальная толщина смазочного слоя (измеряемая в мкм), давления в смазочном слое, температура и расход смазочных материалов. В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает сухим, граничным, жидкостным и газодинамическим. Однако даже подшипники с жидкостным трением при пуске проходят этап с граничным трением.

Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает низкое трение, разделение подвижных частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды.

Смазка может быть:

• жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников),
• пластичной (на основе литиевого мыла и сульфонат кальция и др.),
• твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и
• газообразной (различные инертные газы, азот и др.).

Наилучшие эксплуатационные свойства показывают пористые самосмазывающиеся подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя остывает и впитывает смазку обратно в поры.

Антифрикционные материалы подшипников изготавливают из твёрдых сплавов (карбид вольфрама или карбид хрома методом порошковой металлургии либо высокоскоростным газопламенным напылением), баббитов и бронз, полимерных материалов, керамики, твёрдых пород дерева (железное дерево)^[4][5].

PV-фактор — основная характеристика (критерий) оценки работоспособности подшипника скольжения. Является произведением удельной нагрузки P (МПа) на окружную скорость V (м/с). Определяется для каждого антифрикционного материала экспериментально при испытаниях или в процессе эксплуатации. Многие данные по соблюдению оптимального PV-фактора даны в справочниках

В основу классификации положен анализ режимов работы подшипников по диаграмме Герси-Штрибека.

Подшипники скольжения разделяют:

• в зависимости от формы подшипникового отверстия:
  • одно- или многоповерхностные,
  • со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения),
  • со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа);
• по направлению восприятия нагрузки:
  • радиальные
  • осевые (упорные, подпятники),
  • радиально-упорные;
• по конструкции:
  • неразъёмные (втулочные; в основном, для I-1),
  • разъёмные (состоящие из корпуса и крышки; в основном, для всех, кроме I-1),
  • встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины);
• по количеству масляных клапанов:
  • с одним клапаном,
  • с несколькими клапанами;
• по возможности регулирования:
  • нерегулируемые,
  • регулируемые.

Ниже представлена таблица групп и классов подшипников скольжения (примеры обозначения: I-1, II-5).

• Надёжность в высокоскоростных приводах
• Способны воспринимать значительные ударные и вибрационные нагрузки
• Сравнительно малые радиальные размеры
• Допускают установку разъёмных подшипников на шейки коленчатых валов и не требуют демонтажа других деталей при ремонте
• Простая конструкция в тихоходных машинах
• Позволяют работать в воде
• Допускают регулирование зазора и обеспечивают точную установку геометрической оси вала
• Экономичны при больших диаметрах валов

• В процессе работы требуют постоянного надзора за смазкой
• Сравнительно большие осевые размеры
• Большие потери на трение при пуске и несовершенной смазке
• Большой расход смазочного материала
• Высокие требования к температуре и чистоте смазки
• Пониженный коэффициент полезного действия
• Неравномерный износ подшипника и цапфы
• Применение более дорогих материалов

• ABEC — класс точности подшипников

• Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т. / под ред. И. Н. Жестковой. — 8-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 2001. — Т. 2. — 912 с. — ББК 34.42я2. — УДК 621.001.66 (035)^(G). — ISBN 5-217-02964-1.
• Подшипники скольжения // Детали машин в примерах и задачах : [учеб. пособие] / Ничипорчик С. Н., Корженцевский М. И., Калачёв В. Ф. и др. ; под общ. ред. С. Н. Ничипорчика. — 2-е изд. — Мн. : Выш. школа, 1981. — Гл. 13. — 432 с. — ББК 34.44 Я 73. — УДК 621.81 (075.8)^(G).
• Леликов О. П. Основы расчёта и проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу «Детали машин». — М. : Машиностроение, 2002. — 440 с. — ББК 34.42. — УДК 621.81.001.66^(G). — ISBN 5-217-03077-1.
• Иосилевич Г. Б. Детали машин : учеб. для студ. машиностроит. спец. вузов. — М. : Машиностроение, 1988. — 368 с. — ББК 34.44. — УДК 62-2(075.8)^(G). — ISBN 5-217-00217-4.