От небольшой тележки в супермаркете до огромных электростанций — множество легких и промышленных устройств не смогли бы функционировать без использования подшипников в той или иной форме.
Подшипники являются важнейшими трибологическими компонентами множества видов машин и представлены в различных формах и конструкциях. Их можно определить как машинный элемент, который поддерживает или допускает только определенный тип движения (ограничение степеней свободы) в системе, находящейся под статической или динамической нагрузкой.
Примером может служить раздвижная дверь. Эту дверь невозможно поднять или снять с места — она только скользит при открытии. Возможное движение ограничено скользящим перемещением благодаря подшипникам.
Основная задача подшипников — предотвращение прямого контакта металл-металл между двумя элементами, находящимися во взаимном движении. Это предотвращает трение, нагрев, а в конечном итоге — износ и повреждение деталей. Кроме того, благодаря замене скольжения на качение значительно снижается энергопотребление.
Подшипники также передают нагрузку вращающегося элемента на корпус. Эта нагрузка может быть радиальной, осевой или их сочетанием. Кроме того, подшипник ограничивает свободу перемещения движущихся частей в заранее определённых направлениях, как обсуждалось выше.
Подшипники качения содержат элементы качения в виде шариков или цилиндров. Известно, что катить колесо легче, чем его скользить по поверхности, поскольку сила трения качения значительно ниже трения скольжения. Этот же принцип реализован и здесь. Подшипники качения используются для облегчения свободного вращательного движения деталей.
Даже когда требуется поступательное движение, его легко преобразовать из вращательного с помощью подшипников качения. Например, эскалаторы или конвейеры — несмотря на прямолинейное движение, они приводятся в действие роликами, вращаемыми моторами.
Еще один пример — возвратно-поступательный насос, который преобразует вращательную энергию мотора в поступательное движение с помощью механических тяг. Во всех этих случаях шариковые подшипники поддерживают валы как электродвигателей, так и других вращающихся элементов.
Элементы качения несут нагрузку практически без трения, так как скользящее трение заменено трением качения. Подшипники качения подразделяются на две основные группы: шариковые и роликовые подшипники.
Шариковые подшипники — один из самых распространённых видов подшипников. Они состоят из ряда шариков в качестве элементов качения, зафиксированных между двумя кольцами (обоймами). Внутреннее кольцо свободно вращается, а внешнее остается неподвижным.
Шариковые подшипники обеспечивают очень низкое трение при качении, но обладают ограниченной грузоподъемностью. Это связано с малой площадью контакта между шариками и дорожками качения. Они способны воспринимать осевые нагрузки в двух направлениях, а также радиальные.
Шариковые подшипники используются для управления колебательным и вращательным движением. Например, в электродвигателях, где вал свободно вращается, а корпус мотора — нет, используются шариковые подшипники для соединения вала с корпусом.
В зависимости от области применения, доступны различные типы шариковых подшипников.
Преимущества шариковых подшипников:
Недостатки шариковых подшипников:
Шариковые подшипники с глубокими канавками — наиболее распространённый тип шариковых подшипников. Между двумя кольцами размещён ряд шариков, которые передают нагрузку и обеспечивают вращательное движение между кольцами. Для удержания шариков используется сепаратор.
Они имеют очень низкое трение качения, оптимизированы для работы при низком уровне шума и вибраций, что делает их идеальными для высокоскоростных применений.
Они сравнительно просты в установке и требуют минимального обслуживания. При монтаже необходимо избегать повреждения дорожек качения, так как подшипники должны быть установлены с натягом на вал.
В этом типе шарикоподшипников внутреннее и внешнее кольца смещены относительно друг друга вдоль оси подшипника. Радиально-упорные шариковые подшипники предназначены для восприятия значительных осевых нагрузок в обоих направлениях, а также радиальных.
Благодаря смещению колец осевая нагрузка может быть передана через подшипник на корпус. Такой подшипник подходит для применения, где требуется жёсткое осевое ведение.
Радиально-упорные подшипники широко используются в сельскохозяйственной технике, автомобилях, редукторах, насосах и других высокоскоростных устройствах, например, в шпинделях станков с ЧПУ.
Этот тип шарикоподшипников невосприимчив к несоосности между валом и корпусом, которая может возникать из-за прогиба вала или ошибок монтажа.
Внутреннее кольцо имеет глубокие канавки, аналогичные шариковым подшипникам с глубокими канавками, за которым следуют два ряда шариков и внешнее кольцо. Внешнее кольцо имеет вогнутую форму, что позволяет внутреннему кольцу самоустанавливаться при возникновении несоосности.
Шариковые упорные подшипники — это особый тип шарикоподшипников, разработанный специально для осевых нагрузок. Они не способны выдерживать радиальные нагрузки.
Шариковые упорные подшипники обеспечивают малошумную и плавную работу, а также пригодны для высокоскоростных применений.
Выпускаются в однонаправленном или двунаправленном исполнении — выбор зависит от направления действующей нагрузки.
Определим условия, при которых необходимы шариковые подшипники:
В роликовых подшипниках в качестве элементов качения используются цилиндрические ролики вместо шариков. Элемент считается роликом, если его длина превышает диаметр (пусть и ненамного). Благодаря линейному контакту с внутренней и внешней обоймой (в отличие от точечного контакта у шариковых подшипников) они способны выдерживать большие нагрузки.
Роликовые подшипники также бывают различных типов. Подходящий вариант выбирается с учетом типа и величины нагрузки, условий эксплуатации, возможности несоосности и других факторов.
Преимущества роликовых подшипников:
Недостатки роликовых подшипников:
Цилиндрические роликовые подшипники — самые простые в семействе роликовых подшипников. Они способны выдерживать значительные радиальные нагрузки и высокие скорости. Также отличаются высокой жёсткостью, способностью передавать осевые нагрузки, низким трением и длительным сроком службы.
Грузоподъемность может быть ещё выше при отсутствии сепараторов, так как это позволяет разместить больше роликов.
Выпускаются в одно-, двух- и четырехрядном исполнении, а также в разъемном и герметичном вариантах.
Разъемные подшипники применяются в труднодоступных местах, например, на коленчатых валах двигателей. В герметичных вариантах предотвращается загрязнение подшипника и сохраняется смазка, что делает их необслуживаемыми.
Тяжелые радиальные и осевые нагрузки могут стать серьезным вызовом, особенно при возможной несоосности вала.
С этой задачей превосходно справляются сферические роликовые подшипники. Они обладают высокой грузоподъемностью и способны компенсировать несоосность между валом и корпусом. Это снижает затраты на обслуживание и увеличивает срок службы.
Дорожки качения сферических роликовых подшипников расположены под углом к оси, а ролики имеют сферическую форму, что позволяет им адаптироваться к небольшим отклонениям.
Сферические роликовые подшипники используются в системах с тяжелыми нагрузками, средними и высокими скоростями, а также возможной несоосностью. Примеры: внедорожная техника, насосы, вентиляторы, морские приводы, ветроэнергетика, редукторы.
Конический роликовый подшипник содержит элементы в виде частей конуса. Эти ролики размещены между двумя кольцами, также выполненными как части полого конуса. Если продлить оси роликов и обойм, они пересекутся в одной точке.
Конические роликовые подшипники рассчитаны на восприятие не только радиальных, но и значительных осевых нагрузок. Чем больше угол конуса, тем большую осевую нагрузку способен выдержать подшипник. Таким образом, они могут работать как упорные и радиальные подшипники одновременно.
Конические роликовые подшипники применяют попарно, чтобы осевые силы воспринимались одинаково в обоих направлениях.
Игольчатый роликовый подшипник — это особый тип роликового подшипника с цилиндрическими роликами малого диаметра, напоминающими иглы.
Обычно длина роликов в роликовых подшипниках лишь немного больше их диаметра, но в игольчатых подшипниках длина роликов превышает их диаметр минимум в четыре раза.
Благодаря малому диаметру игольчатых роликов в одном подшипнике можно разместить больше элементов, что увеличивает площадь контакта с дорожками, а значит — грузоподъемность. Небольшие размеры позволяют применять их в ограниченных пространствах, где минимален зазор между осью и корпусом.
Игольчатые подшипники широко используются в автомобильных компонентах, таких как коробки передач и коромысла клапанов, а также в компрессорах и насосах.
Упорные роликовые подшипники сконструированы для восприятия высоких осевых нагрузок и выпускаются с тремя типами роликов: цилиндрическими, коническими и сферическими. Эти подшипники отличаются высокой осевой жёсткостью и рассчитаны на тяжелые нагрузки.
Цилиндрические упорные роликовые подшипники обладают хорошей грузоподъемностью и относительно невысокой стоимостью. Их не рекомендуется использовать при наличии радиальных нагрузок. По сравнению с шариковыми упорными подшипниками они изнашиваются быстрее из-за большего трения и не подходят для высоких скоростей — из-за дифференциального скольжения роликов.
Конические упорные роликовые подшипники способны компенсировать небольшие эксцентриситеты между валом и корпусом в процессе работы. Существенной разницы между коническими упорными роликовыми подшипниками и обычными коническими по восприятию осевых нагрузок нет — всё зависит от угла наклона конусов. Они могут выдерживать большие осевые нагрузки по сравнению с шариковыми упорными подшипниками, но дороже в производстве.
Сферические упорные роликовые подшипники рассчитаны на восприятие больших осевых нагрузок в одном направлении и способны воспринимать часть радиальных нагрузок. Они самоустанавливающиеся и, соответственно, не зависят от ошибок монтажа и прогиба вала.
Роликовые подшипники — основная альтернатива шариковым. Определим, при каких условиях их применение предпочтительнее.
Подшипник скольжения — самый простой тип подшипника. Обычно он состоит только из опорной поверхности. Элементов качения нет.
Подшипник представляет собой втулку, посаженную на вал, и вставляется в отверстие корпуса, поэтому его часто называют втулочным подшипником. Подшипники скольжения недороги, компактны и легки, обладают высокой грузоподъемностью.
Используются для вращательного, скользящего, возвратно-поступательного или колебательного движения. Подшипник остается неподвижным, а цапфа скользит по его внутренней поверхности. Для уменьшения трения выбираются материалы с низким коэффициентом трения (например, различные медные сплавы).
Такой подшипник может компенсировать некоторую несоосность, многоплоскостные движения и подходит для как статических, так и динамических нагрузок. Подшипники скольжения широко применяются в сельском хозяйстве, автомобилестроении, судостроении и строительстве.
Палец поршня (гужон), соединяющий поршень с шатуном в дизельных двигателях, также соединяется через подшипник скольжения.
Сферический подшипник также относится к подшипникам скольжения, хотя состоит из двух частей — внутреннего и внешнего колец. Несмотря на внешнее сходство с шариковыми и роликовыми подшипниками, между кольцами нет элементов качения.
Подшипники на жидкой пленке используют давление газа или жидкости для передачи нагрузки и устранения трения. Такие подшипники применяются вместо металлических там, где их срок службы был бы коротким, а уровень шума и вибраций — высоким.
Их также всё чаще используют для снижения затрат. Подшипники на жидкой пленке применяются в машинах, работающих на высоких скоростях и под большими нагрузками. Несмотря на более высокую начальную стоимость, их долгий срок службы в сложных условиях с лихвой это компенсирует.
В процессе работы между деталями полностью отсутствует контакт (за исключением моментов пуска и останова), что позволяет достичь практически полного отсутствия износа.
Подшипники на жидкой пленке делятся на два типа: гидростатические и гидродинамические.
В этом типе подшипников внешним образом нагнетается жидкость между двумя элементами, находящимися во взаимном движении. Под давлением образуется клин, который разделяет движущиеся части. Толщина слоя жидкости может быть минимальной, но при отсутствии прямого контакта износ исключается.
Циркуляция жидкости обеспечивается насосом. Диаметр выходного отверстия может регулироваться для поддержания давления при различных скоростях и нагрузках на валу. Таким образом, обеспечивается высокая точность зазора.
Этот подшипник использует движение цапфы для нагнетания смазочной жидкости между валом и корпусом. Движущаяся цапфа засасывает жидкость, формируя смазочный клин между деталями.
Однако это означает, что при пуске, остановке, а также при низких нагрузках и скоростях клин может быть недостаточным для предотвращения износа. Только при расчетных скоростях система работает оптимально.
Магнитные подшипники используют принцип магнитной левитации для удержания вала в подвешенном состоянии. Так как нет физического контакта, магнитные подшипники не изнашиваются. Кроме того, нет ограничений по максимальной относительной скорости.
Магнитные подшипники способны компенсировать некоторые отклонения вала, автоматически корректируя его положение в зависимости от центра масс. Даже при смещении вала система продолжит работать стабильно.
В целом, магнитные подшипники делятся на два типа: активные и пассивные.
Активные магнитные подшипники используют электромагниты вокруг вала для удержания его положения. Если датчики фиксируют изменение положения, система регулирует ток, возвращая ротор в исходную позицию.
Пассивные магнитные подшипники используют постоянные магниты для создания магнитного поля вокруг вала. Для поддержания работы системы не требуется подача электроэнергии. Однако проектирование таких систем довольно сложно из-за ограниченности технологии на текущем этапе.
В ряде случаев оба типа магнитных подшипников используются совместно: постоянные магниты обеспечивают статическую нагрузку, а электромагниты — высокоточное позиционирование.
