- Особенности высокоскоростных подшипников
- Технологии и конструкции для высоких скоростей
- Материалы, специально предназначенные для высокоскоростных приложений
- Преимущества и ограничения высокоскоростных подшипников
- Факторы, влияющие на долговечность при высоких скоростях
- Инновационные решения в высокоскоростных подшипниках: примеры технологического применения
Сложно найти сферу деятельности человека, где не использовались бы подшипники – конструктивные узлы, обеспечивающие поддержку и вращение движущихся частей механизмов. Высокоскоростные подшипники позволяют существенно увеличить технологические возможности промышленного оборудования и двигателей машин, эксплуатационный ресурс узлов и агрегатов в устройствах бытового назначения. От чего зависит стабильность работы высокоскоростных подшипников, какие инновационные технологические решения применяют для улучшения производительности этих устройств - рассмотрим в статье.
Особенности высокоскоростных подшипников
Область применения высокоскоростных подшипников очень велика: автомобилестроение, энергетика, авиакосмическая отрасль, медицина и различные отрасли промышленности, где высокая скорость вращения узлов и механизмов имеет принципиальное значение.
На скорость вращения подшипника в первую очередь влияет его тип:
- Высокоскоростной подшипник качения состоит из наружного и внутреннего кольца, заключенных в желоб между ними тел качения, на которые опирается опорная поверхность вала (оси), и сепаратора, удерживающего тела качения в заданном положении. Тела качения выполняются в виде шариков, роликов, игл (цилиндров очень малого сечения).
- Высокоскоростной подшипник скольжения представляет из себя узел скольжения, состоящий из корпуса подшипника с вкладышем, по которому скользит опорная поверхность вала (оси). Скольжение обеспечивается за счет смазывающего материала (масла, жидкости, газа) или антифрикционного вкладыша из латуни, фторопласта, баббита, твердых пород дерева, керамики.
Справка. Баббит – сплав на основе олова с добавлением легирующих присадок (меди, сурьмы, свинца, никеля, кадмия). Баббит не отличается прочностью – антифрикционный сплав напыляют на внутреннюю поверхность корпуса, выполненного из стали.
Подшипники качения более скоростные, чем подшипники скольжения, так как промежуточные тела качения облегчают вращательное движение вала, преодолевающего трение качения, которое меньше трения скольжения за счет уменьшения площади поверхности контакта сопряженных деталей.
Технологии и конструкции для высоких скоростей
Подшипники, работающие на сверхвысоких оборотах, подвергаются большим нагрузкам, температурным перепадам и механическим вибрациям, что ограничивает предельную скорость вращения подшипников и увеличивает их износ.
С учетом особенностей эксплуатации в высокоскоростных подшипниках качения применяют различные конструктивные изменения:
- уменьшают размеры тел качения и корпуса подшипника для снижения линейных скоростей шариков (роликов) и центробежной нагрузки;
- увеличивают число тел качения, располагая их в несколько рядов для равномерного распределения нагрузок за счет большей площади контакта между телами качения и кольцами;
- заменяют металлические шарики на керамические (более гладкие и прочные) для уменьшения трения и увеличения износостойкости;
- устанавливают сепараторы из латуни, полиамида, текстолита;
- при производстве используют современные технологии, например, сборку в чистой среде или вакуумную дегазацию стали, применяемой для производства подшипников;
- используют конструкции открытого типа вместо закрытых (там, где это возможно);
- рекомендуют применять специальные смазки с пониженной вязкостью (с загустителями на основе кальция, кремния, лития).
В высокоскоростных подшипниках скольжения (гидравлических, гидродинамических, газодинамических) для увеличения скорости путем снижения трения скольжения используют сжатый газ или жидкость (масло), принимающие на себя непосредственную нагрузку от вала.
Для скоростных подшипников крайне важна точность и чистота обработки соприкасающихся поверхностей – прецизионные подшипники с классом точности 2 одни из самых высокооборотистых изделий.
Подшипники относятся к унифицированным изделиям. Маркировка высокоскоростных подшипников – это условные буквенно-цифровые обозначения, благодаря которым можно получить полную информацию об изделии:
- базовое обозначение указывает на тип подшипника и его внутренний диаметр;
- суффиксы используются для обозначения различных конструктивных особенностей: типа сепаратора, уплотнении, используемой смазке, внутреннем зазоре, внутренней конструкции;
- префиксы служат для обозначения индивидуальных компонентов подшипников или для обозначения миниатюрных подшипников.
Существует две системы маркировки подшипников – российский ГОСТ и международная ISO, основанная на маркировке, разработанной SKF. Однако, разные производители могут использовать свои способы маркировки, отличающиеся от ISO и ГОСТа в области суффиксов и префиксов.
Материалы, специально предназначенные для высокоскоростных приложений
Подшипники, предназначенные для высокоскоростных приложений, изготавливают из особых материалов, имеющих низкий коэффициент трения, таких как керамика и высокотехнологичные полимеры PTFE (фторопласты).
Впервые цельнокерамические высокоскоростные подшипники, изготовленные из нитрида кремния, стали использовать в электронных приборах, где важны были диэлектрические свойства материала. Затем подшипники из керамики стали применять в медицинском и пищевом оборудовании, в устройствах, работающих в условиях химически активной среды и существенных перепадов температуры и влажности.
Но все же керамика - довольно хрупкий материал, поэтому большее распространение получили гибридные виды высокоскоростных подшипников, в которых кольца изготовляют из стальных сплавов, а шарики - из керамики.
Высокотехнологичные полимеры используют в подшипниках для изготовления сепараторов и вкладышей для уменьшения трения скольжения и изготовления пластичных смазок.
Металлические детали высокоскоростных подшипников изготавливают из подшипниковой стали с легирующими добавками из кремния, серы, хрома, меди, никеля. Для улучшения физических свойств материала применяют метод вакуумной дегазации, в результате чего структура стали становится более однородной, способной длительно выдерживать большие нагрузки без изменения формы элементов подшипника.
Преимущества и ограничения высокоскоростных подшипников
Опоры высокоскоростного оборудования имеют номинальные и предельные скорости вращения, где предельная скорость определяет начальный момент деформации, а затем и заклинивания подшипника. Для определения скоростных возможностей подшипников используется коэффициент скорости DmN, рассчитываемый как произведение диаметра тел качения Dm в миллиметрах и частота вращения вала N в об/мин.
Подшипник, поддерживающий высокие обороты устройств и механизмов, высокопроизводителен, но интенсивность износа подшипников качения зависит от окружной скорости – вероятность выхода из строя высокоскоростных подшипников гораздо выше, чем работающих на низких и средних скоростях.
Факторы, влияющие на долговечность при высоких скоростях
При разгоне вала выше предельного значения на подшипник начинают действовать следующие негативные факторы:
- перегрев пятна контакта, приводящий к защемлению тел качения из-за температурных деформаций;
- накопление контактного напряжения, приводящее к разрушению (усталостному выкрашиванию) тел качения;
- сверхвысокие центробежные силы, приводящие к разрыву сепаратора и корпуса подшипника.
Производители конструктивными изменениями нивелируют проблему негативного воздействия высоких скоростей на подшипник, уменьшая размер и увеличивая количество тел качения, например, размещая в игольчатых подшипниках большое количество игл (роликов малого диаметра), что снижает центробежную нагрузку и уменьшает нагрев пятна в зоне контакта за счет увеличения площади контакта, увеличивают точность подшипника в прецизионных моделях.
Инновационные решения в высокоскоростных подшипниках: примеры технологического применения
Ведущие производители подшипников компании SKF (Швеция), NTN-SNR (Франция-Япония) используют разные способы, направленные на повышение энергоэффективности, снижения шума и вибрации, увеличения срока и надежности работы высокоскоростных подшипников.
В подшипниках качения серии Explorer SKF установлен латунный сепаратор с овальными окошками для уменьшения зазора в осевом направлении, улучшена дорожка качения путем добавления второй арки с большим касанием и изменен угол контакта с 40° на 25° для снижения скольжения между кольцами и шариками. Эти конструктивные изменения позволили увеличить предельную скорость на 30%, повысить надежность и время безотказной работы высокоскоростных подшипников SKF.
В подшипниках SKF серии DLR использован метод прямой смазки, когда масло подается непосредственно на место контакта шарика с дорожкой качения через радиальные смазочные отверстия в наружном кольце, благодаря чему достигается предельно высокая скорость вращения.
Одним из инновационных решений проблемы высоких скоростей оборудования стал магнитный подшипник SKF, в работе которого практически нет скоростных ограничений – он поддерживает самые высокие частоты вращения из всех типов подшипников.
Магнитный подшипник поддерживает нагрузку с помощью магнитной левитации, без физического контакта опоры и подшипника и может компенсировать некоторые неровности конструкции вала, поскольку положение вала автоматически регулируется в зависимости от его центра масс.
Компания NTN-SNR выпускает высокоскоростные подшипники двух серий:
- MachLine с углом контакта 17° или 25° относятся к высокому классу точности, созданы для работы со скоростью до 100 000 об/мин. В этой серии есть гибридные подшипники Hybrid с керамическими шариками и стальными обоймами. Они разработаны для постоянной работы в условиях ультравысоких скоростей при повышенных требованиях к нагреву и с минимальной электрокоррозией.
- TopLine являются гражданской адаптацией подшипников военного применения, разработанных для электродвигателей кораблей ВМФ. Полиамидный сепаратор, бесконтактные металлические шайбы, использование специальной смазки обеспечивают длительную бесперебойную работу при высоких скоростях и экстремальных температурах.