- Эффективность передачи мощности и снижение трения
- Уменьшение энергопотребления и повышение эффективности
- Увеличение долговечности и срока службы
- Преимущества использования подшипников качения
- Работа при высоких скоростях и переменных нагрузках
- Применение в различных отраслях и сферах
Эффективность передачи мощности и снижение трения
Из теоретической механики нам известно, что идеальное колесо при перекатывании по идеальной плоской горизонтальной поверхности не испытывает сопротивления перекатыванию. Реальные тела вращения в подшипниках качения испытывают сопротивление перекатыванию по причинам:
- Деформаций в месте контакта тел вращения с дорожкой качения, что порождает момент сопротивления вращению подшипника.
- Проскальзывания поверхностей тел качения по контактирующим конструктивным элементам также порождает момент сопротивления вращению подшипника.
- Гидродинамического сопротивления смазки при движении в ней конструктивных элементов подшипника, что тоже даёт дополнительный момент сопротивления вращению подшипника.
Перечисленные факторы значительно уступают факторам трения в подшипниках скольжения. Сопротивление вращению вала в подшипнике скольжения примерно в 8 раз больше, чем в подшипнике качения при прочих равных условиях.
Уменьшение энергопотребления и повышение эффективности
КПД подшипников качения составляет примерно 0,99, а КПД подшипников скольжения примерно 0,96. Т.е. потери мощности в подшипниках качения значительно меньше. Существенно большее КПД подшипников качения ведёт к уменьшению энергопотребления механизмов, а, следовательно, и к повышению эффективности.
Увеличение долговечности и срока службы
Значительное уменьшение потерь на трение в подшипниках качения ведёт к снижению их износа, нагрева, увеличению ресурса, что в конечном счёте обеспечивает долговечность подшипниковых узлов.
Преимущества использования подшипников качения
К упомянутым ранее преимуществам в КПД, долговечности, пониженному нагреву при эксплуатации подшипников качения следует добавить следующее:
- Низкие пусковые моменты из-за малого сопротивления перекатыванию тел качения (шарики или ролики).
- Небольшой расход смазывающих масел, вплоть до «вечной смазки» закрытых исполнений подшипников, вследствие низкой доли механических потерь от сил трения.
- Высокие нагрузочные способности из-за возможности применять высокопрочные стали для изготовления колец и тел качения.
- Небольшие габариты вдоль оси вращения.
- Невысокая стоимость подшипников качения из-за массовости их производства.
- Большая номенклатура выпускаемых подшипников качения и высокая стандартизация их типоразмеров.
- Хорошо отработанная аналитическая методика подбора подшипников на стадии проектирования изделий.
Работа при высоких скоростях и переменных нагрузках
В настоящее время всё чаще предъявляются требования к высокооборотным шпинделям обрабатывающих станков, высокооборотным центрифугам и т.д. Повышенные скорости обработки или центрифугирования позволяют не только увеличить производительность оборудования, но и достигать более точной обработки материалов, более высоких требований к чистоте поверхности, более глубокой очистки материалов центрифугирования. Такие устройства, как турбины, компрессоры, вентиляторы, насосы тоже требуют применение высокооборотных подшипников.
Основными критическими моментами для высокооборотных подшипников являются:
- высокий нагрев элементов конструкции;
- высокие центробежные нагрузки подшипников качения при работе на высокооборотных режимах, что приводит к резкому увеличению контактных напряжений в паре шарик – дорожка качения. С этой точки зрения для высокооборотных подшипников применяют только шариковые тела качения.
С целью увеличения возможности эксплуатации подшипников при высоких температурах применяют следующие меры:
- Применение только открытых подшипников.
- Замена консистентных смазок на специализированные жидкие с низкой вязкостью и не теряющие свои смазывающие свойства при высоких температурах.
- Применение систем смазок подшипниковых узлов, при которых масло является и охлаждающей жидкостью.
- Применение керамических тел качения, способных не терять свои механические свойства при высоких температурах.
- Увеличение точности изготовления шариков и колец с одновременным повышением чистоты их рабочих поверхностей.
Необходимость противостоять большим центробежным нагрузкам также требует применения следующих конструктивных мер:
- Всемерного уменьшения диаметров подшипников, что не только снижает центробежные нагрузки, но и уменьшает линейные скорости шариков по кольцам, а это понижает и тепловыделение.
- Применение шариков меньшего диаметра, что позволяет уменьшить массу шарика и одновременно увеличить их количество в сепараторе, повышая тем самым несущую способность подшипника.
- Изготовление шариков и колец из высокопрочных закалённых сталей.
- Использование керамических шариков значительно уменьшает их массу и, соответственно, контактные напряжения от центробежных сил.
- Применение полимерных сепараторов (например, полиамидных) упрощает их конструкцию, одновременно уменьшая их массу.
Пример конструкции высокоскоростного подшипника можно увидеть на Рис. 1.
Применение в различных отраслях и сферах
В современных технических устройствах подшипники качения используются чрезвычайно широко. Вот лишь краткий перечень по некоторым отраслям:
- Транспортное машиностроение.
- Сельскохозяйственное машиностроение.
- Станкостроение.
- Энергетическое машиностроение.
- Химическое машиностроение.
- Приборостроение.
- Бытовая, спортивная техника и многое, многое другое.
В связи с такой широкой распространённостью подшипников качения их изготовление выделили в отдельную отрасль, что позволило организовать массовое производство высоко стандартизованных и недорогих подшипников.
Существует очень много разных видов подшипников качения. Какие подшипники качения по различным признакам можно выделить?
Во-первых, по форме тел вращения:
- шарики – применимы во всех типах подшипников, позволяют достигать более высоких скоростей вращения из-за более низких потерь на трение;
- ролики – способны обеспечивать подшипникам более высокую нагрузочную способность по причине линейного контакта с дорожками качения, но сравнительно большие потери на трение с буртиками дорожек качения, с сепараторами по торцевым и линейным контактам и гидравлические потери при взаимодействии со смазочными маслами. Все это не позволяет применять ролики в быстроходных подшипниках.
Пример шарикового и роликового подшипников можно увидеть на Рис. 2.
Во-вторых, по видам воспринимаемых нагрузок подшипниками качения:
- радиальные – воспринимают нагрузки перпендикулярные оси вращения. Шариковые способны воспринимать незначительную часть нагрузки, направленной вдоль оси вращения;
- упорные – воспринимают нагрузки вдоль оси вращения;
- радиально–упорные – одинаково успешно воспринимают как радиальные, так и осевые нагрузки.
Пример упорных подшипников изображен на Рис. 3, а радиально-упорных - на Рис. 4.
В-третьих, по конструктивному исполнению:
- открытые подшипники – расположенные внутри колец тела вращения и сепараторы не защищены от проникновения загрязнений и других посторонних веществ. Такие подшипники предполагают дополнительную защиту и обеспечение смазки в изделиях;
- закрытые подшипники – по торцам имеют защитные шайбы, закрывающие полость расположения тел качения от свободного обмена веществами с внешней средой. Их набиваются смазкой при изготовлении, а в процессе эксплуатации не требуется её замена.
Пример закрытого подшипника находится на Рис. 5.
Отдельно нужно отметить самоустанавливающиеся подшипники, как роликовые, так и шариковые:
- с плавающим внешним (как правило) кольцом позволяют компенсировать деформации вала или корпуса механизма вдоль оси вращения, возникающие в процессе эксплуатации или по причине неточности изготовления;
- сферические, компенсирующие отклонение от соосности вала и гнёзд корпусных опор, возникающие в процессе эксплуатации или по причине неточности изготовления.
Пример сферических подшипников - на Рис. 6.
В стандартах разных стран и фирм-изготовителей разработаны условные обозначения подшипников, которые содержат в себе:
- Геометрические параметры подшипника (диаметры, ширины).
- Типы подшипников (шариковый радиальный, роликовый радиальный и т.д.).
- Обозначение конструктивного исполнения (например, «шариковые однорядные с канавкой на наружном кольце и одной защитной шайбой» - 150000 по ГОСТ 3395).
Особо необходимо отметить классы точности подшипников качения, например, 0, 6, 5, 4, 2 по ГОСТ 520 (последовательность в порядке повышения точности). Чем выше класс точности, тем строже требования к отклонению геометрических параметров элементов подшипника от номинала.