Типы подшипников и их применение

Знаете ли вы, что такое подшипник как механический компонент? Подшипники часто называют «пищей для машиностроения»: это важнейшие компоненты, широко используемые в различных типах машин.

Что такое подшипник?

Подшипник — это компонент, обеспечивающий вращение объекта. Как следует из названия, подшипник поддерживает вращающийся вал внутри машины. К машинам, использующим подшипники, относятся автомобили, самолёты и генераторы. Подшипники также используются в обычной бытовой технике, такой как холодильники, пылесосы и кондиционеры. В этих машинах подшипники поддерживают валы, оснащённые колёсами, шестернями, турбинами, роторами и другими деталями, обеспечивая плавное вращение вала.

Функция подшипника

Подшипник уменьшает трение и обеспечивает более плавное вращение. Трение неизбежно возникает между вращающимся валом и деталью, поддерживающей вращение. Подшипники устанавливаются между вращающимся валом и опорным механизмом. Уменьшая трение, подшипники обеспечивают более плавное вращение и снижение энергопотребления. Это основная функция подшипника.

Они защищают опорную часть вращения и удерживают вращающийся вал в правильном положении. Вращающийся вал и опорная часть подвергаются значительным нагрузкам. Подшипники предотвращают повреждение опорной части этими нагрузками и удерживают вращающийся вал в правильном положении. Именно благодаря этим функциям мы можем использовать машины многократно в течение длительного времени.

Различные типы подшипников

В следующих разделах объясняются типы, различия и конкретные области применения распространенных подшипников.

Радиально-упорный шарикоподшипник

Радиально-упорные шарикоподшипники могут одновременно воспринимать радиальные и осевые нагрузки. Они могут работать на относительно высоких скоростях. Чем больше угол контакта, тем выше осевая грузоподъёмность. Угол контакта — это угол между линией, соединяющей точки контакта шарика с дорожками качения в радиальной плоскости, и перпендикуляром к оси подшипника. В прецизионных и высокоскоростных подшипниках угол контакта обычно составляет 15 градусов. Под действием осевой силы угол контакта увеличивается.

Особенности

Универсально совместимые подшипники: они специально разработаны таким образом, что при установке подшипников рядом друг с другом в любой комбинации достигается заданный внутренний зазор или предварительный натяг, а также равномерное распределение нагрузки без использования прокладок или аналогичных устройств. Они используются, когда грузоподъемность одного подшипника недостаточна или когда подшипник должен выдерживать комбинированные нагрузки или осевые нагрузки в обоих направлениях.

Подшипники базовой конструкции: предназначены для однорядных подшипниковых узлов. Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники базовой конструкции используются преимущественно в конфигурациях, где в каждой опоре находится только один подшипник. Их допуски по ширине и выступу соответствуют стандартным допускам. Поэтому они не подходят для установки двух однорядных радиально-упорных шарикоподшипников, расположенных вплотную друг к другу.

Самовыравнивающийся шарикоподшипник

Самоустанавливающиеся шарикоподшипники выпускаются двух конструкций: с цилиндрическим и коническим отверстием. Сепаратор изготавливается из стальной пластины и синтетической смолы. Их отличительной особенностью является сферическая форма дорожки качения наружного кольца, что обеспечивает самоустановку. Это позволяет компенсировать погрешности, вызванные концентричностью и прогибом вала, при этом относительный наклон внутреннего и наружного колец не должен превышать 3 градусов.

Они воспринимают преимущественно радиальные нагрузки, но также могут выдерживать небольшие осевые нагрузки. Осевое смещение вала ограничено зазорами. Благодаря самоустанавливающимся свойствам они обеспечивают нормальную работу в условиях небольшого наклона внутреннего и наружного колец относительно друг друга, что делает их пригодными для узлов, где невозможно гарантировать строгую соосность отверстий корпуса.

Особенности

• Дорожка качения наружного кольца самоустанавливающегося шарикоподшипника представляет собой часть сферы, центр кривизны которой совпадает с осью подшипника. Таким образом, подшипник обладает функцией самоустановки: он может автоматически регулировать положение при прогибе вала или корпуса, не увеличивая нагрузку на подшипник. 
• Он способен выдерживать радиальные нагрузки и умеренную осевую нагрузку в обоих направлениях. Однако он не способен выдерживать моментные нагрузки. Благодаря малому углу контакта он практически не изменяется под действием осевой нагрузки, что обеспечивает низкую осевую грузоподъёмность, но высокую радиальную грузоподъёмность. Он подходит для работы с большими и ударными нагрузками.
• Двухрядные самоустанавливающиеся шарикоподшипники с закрепительными втулками и стопорными гайками могут устанавливаться в любом месте на гладком валу, что исключает необходимость использования установочных заплечиков.

Сферический роликовый подшипник

Сферические роликоподшипники имеют двухрядные ролики, общую сферическую дорожку качения на наружном кольце и две дорожки качения на внутреннем кольце, наклоненные под углом к ​​оси подшипника. Эта оригинальная конструкция обеспечивает самоустановку, что делает их менее восприимчивыми к погрешностям угла между валом и корпусом подшипника, а также к изгибу вала. Они подходят для случаев, когда угловые погрешности вызваны ошибками монтажа или прогибом вала. Помимо радиальных нагрузок этот подшипник также может выдерживать двунаправленные осевые нагрузки. Сферические роликоподшипники доступны с цилиндрическими и коническими отверстиями. Коническое отверстие имеет конусность 1:30 или 1:12. Эти подшипники с коническим отверстием легко и быстро монтируются на гладкие или ступенчатые валы с помощью закрепительных или стяжных втулок.

Области применения

• Штампованные стальные армированные сепараторы, штампованные стальные сепараторы, сепараторы из армированного стекловолокном полиамида 66, двухкомпонентные сепараторы из обработанной латуни, цельные сепараторы из обработанной латуни и штампованные стальные сепараторы для виброизоляции. Коды подшипников могут различаться для одной и той же конструкции.
• Бумагоделательные машины, редукторы, оси железнодорожных транспортных средств, посадочные места подшипников редукторов прокатных станов, валки прокатных станов, дробилки, вибрационные грохоты, печатные машины, деревообрабатывающие станки, различные промышленные редукторы, а также вертикальные самоустанавливающиеся подшипники с посадочными местами.

Упорный сферический роликовый подшипник

Упорные сферические роликоподшипники примерно аналогичны сферическим роликоподшипникам. Поверхность дорожки качения опорного кольца имеет сферическую форму, центр которой совпадает с центральной осью подшипника. Ролики имеют сферическую форму, что обеспечивает автоматическое самоцентрирование, снижая их чувствительность к соосности и прогибу вала. Эти подшипники в основном используются в нефтяных буровых установках, сталелитейном оборудовании, гидрогенераторах, вертикальных двигателях, гребных валах морских судов, башенных кранах и экструдерах.

Особенности

Не следует использовать посадку с натягом для наружного кольца и отверстия корпуса подшипника, а также посадку между внутренним кольцом и шейкой вала не следует делать слишком плотной. Необходимо, чтобы подшипник мог свободно перемещаться по оси при регулировке гайкой во время монтажа. При использовании посадки с натягом для сферических роликоподшипников легко изменить угол контакта, что приводит к неравномерному распределению нагрузки и значительному повышению температуры. Поэтому посадка с натягом для внутреннего и наружного колец в отверстие шейки вала и корпуса, как правило, является оптимальной, когда подшипник можно вставить в отверстие шейки вала и корпуса, используя только большие пальцы обеих рук.

Регулировка осевого зазора сферических роликоподшипников может осуществляться регулировочными гайками на цапфе, регулировочными шайбами, резьбой в отверстии корпуса подшипника или пружинами предварительного натяжения. Величина осевого зазора зависит от монтажного расположения, расстояния между подшипниками, материалов вала и корпуса и определяется условиями эксплуатации.

Для сферических роликоподшипников с высокой нагрузкой и высокой скоростью при регулировке зазора необходимо учитывать влияние повышения температуры на осевой зазор; необходимо оценить уменьшение зазора, вызванное повышением температуры, то есть осевой зазор следует отрегулировать, сделав его немного больше.

Для тихоходных подшипников, подверженных вибрации, следует применять установку без зазора или с предварительным натягом. Это необходимо для обеспечения надёжного контакта роликов с дорожками качения сферического роликоподшипника, равномерного распределения нагрузки и предотвращения повреждения роликов и дорожек качения вследствие вибрации и ударов.

После регулировки величина осевого зазора проверяется индикатором часового типа. Для этого индикатор часового типа закрепляют на корпусе машины или корпусе подшипника, упирают наконечник индикатора в гладкую поверхность вала и перемещают вал в осевом направлении влево и вправо; максимальное отклонение стрелки указывает величину осевого зазора.

Конический роликовый подшипник

Конические роликоподшипники являются разъемными подшипниками; как внутреннее, так и наружное кольца имеют конические дорожки качения. В зависимости от количества рядов роликов они подразделяются на однорядные, двухрядные и четырехрядные конические роликоподшипники. Однорядные конические роликоподшипники способны воспринимать радиальные и осевые нагрузки в одном направлении. При воздействии радиальной нагрузки на подшипник возникает осевая составляющая силы, поэтому для ее компенсации необходим другой подшипник, способный воспринимать обратную осевую силу.

Характеристика

Угол наклона наружного кольца и диаметр дорожки качения стандартизированы. Изменения в процессе проектирования и производства не допускаются, чтобы обеспечить универсальную взаимозаменяемость наружного кольца и внутреннего узла конических роликоподшипников во всем мире.

Конические роликоподшипники в основном используются для восприятия комбинированных радиальных и осевых нагрузок, преобладающих в радиальном направлении. Они обладают большей грузоподъёмностью, но меньшей предельной частотой вращения. Конические роликоподшипники способны воспринимать осевые нагрузки в одном направлении и ограничивать осевое смещение вала или корпуса в одном направлении. Грузоподъёмность подшипника зависит от угла наклона дорожки качения наружного кольца: чем больше угол, тем выше грузоподъёмность.

Этот тип подшипников является разборным. Зазор однорядных конических роликоподшипников регулируется пользователем при монтаже; зазор двухрядных и четырёхрядных конических роликоподшипников устанавливается на заводе в соответствии с требованиями пользователя и не требует регулировки пользователем.

Конические роликоподшипники имеют конические дорожки качения на внутреннем и наружном кольцах, между которыми расположены конические ролики. Линии проекции всех конических поверхностей сходятся в одной точке на оси подшипника. Такая конструкция делает конические роликоподшипники особенно подходящими для восприятия сложных (радиальных и осевых) нагрузок.

Осевая грузоподъёмность подшипника в значительной степени определяется углом контакта альфа: чем больше угол альфа, тем выше осевая грузоподъёмность. Величина угла определяется расчётным коэффициентом e: чем больше значение e, тем больше угол контакта и тем выше способность подшипника выдерживать осевые нагрузки.

Конические роликоподшипники, как правило, являются разборными, то есть узел конуса (состоящий из внутреннего кольца с роликами и сепаратором) может быть установлен отдельно от наружного кольца. Конические роликоподшипники широко используются в автомобилестроении, прокатном производстве, горнодобывающей промышленности, металлургии, производстве пластмасс и других отраслях.

Глубокий шаровой подшипник

Радиальные шарикоподшипники – наиболее распространённый тип подшипников качения. Они обладают низким сопротивлением трению и высокой скоростью вращения. Их можно использовать в деталях, воспринимающих радиальные или комбинированные радиально-осевые нагрузки, а также в деталях, воспринимающих осевые нагрузки, например, в двигателях малой мощности, автомобильных и тракторных редукторах, редукторах станков, а также в машинах и инструментах общего назначения.

При увеличении радиального зазора подшипника он приобретает некоторые эксплуатационные свойства радиально-упорных шарикоподшипников и может воспринимать комбинированные радиальные и осевые нагрузки.

По сравнению с другими типами подшипников того же размера эти подшипники имеют меньший коэффициент трения и более высокую предельную скорость. Однако они не обладают ударной прочностью и не подходят для восприятия больших нагрузок.

После установки на вал радиальные шарикоподшипники способны ограничивать осевое смещение вала или корпуса в обоих направлениях в пределах осевого зазора подшипника, благодаря чему их можно использовать для двунаправленного осевого позиционирования.

Кроме того, этот тип подшипника обладает определённой способностью к самоцентрированию. При наклоне от 2 до 10 футов относительно отверстия корпуса он может работать, но это окажет определённое влияние на срок службы подшипника.

В шарикоподшипниках с глубокими канавками, если нагрузка во время работы слишком мала, между шариками и дорожкой качения возникает проскальзывание, что может привести к появлению царапин. Эта тенденция особенно ярко проявляется в крупногабаритных шарикоподшипниках с тяжелыми шариками и сепаратором. Во многих случаях подшипники подвергаются коррозии. Существует множество причин коррозии подшипников. Наиболее распространенными являются следующие:

• Проникновение влаги, грязи и т.п. из-за некачественных герметизирующих устройств.
• Подшипник не использовался в течение длительного времени, истек срок его службы для защиты от ржавчины, и не обслуживался.
• Большая шероховатость поверхности металла.
• Контакт с едкими химическими веществами; подшипник не был должным образом очищен и на его поверхности были загрязнения, или к подшипнику прикасались влажными руками. После очистки подшипник не был упакован или установлен вовремя и длительное время находился на открытом воздухе, подвергаясь воздействию влаги и загрязнений.
• Температура и влажность окружающей среды, контакт с различными средами; неисправность ингибитора ржавчины или его качество, не отвечающее требованиям.

Упорный шариковый подшипник

Упорные шарикоподшипники предназначены для восприятия осевых нагрузок при высокоскоростной работе и состоят из колец в форме шайб с дорожками качения для шариков. Поскольку кольца имеют форму подушек, упорные шарикоподшипники подразделяются на подшипники с плоским основанием и самоустанавливающиеся шарикоподшипники со сферическими подшипниками. Кроме того, этот подшипник воспринимает осевые нагрузки, но не радиальные.

Особенности

• Доступны в однонаправленном и двухнаправленном исполнении.
• Чтобы компенсировать ошибки при установке, можно выбрать как однонаправленные, так и двухнаправленные типы со сферическими самовыравнивающимися подушками сиденья или со сферическими кольцами сиденья.
• Высококачественная сталь — использование сверхчистой стали, которая может продлить срок службы подшипников до 80%.
• Передовая технология смазки — технология смазки NSK позволяет продлить срок службы смазки и улучшить эксплуатационные характеристики подшипников.
• Шарики из высококачественной стали — тихие и плавные при высокоскоростном вращении.
• Ошибки при установке можно устранить, используя кольца, входящие в комплект поставки.

Упорные шарикоподшипники подходят только для деталей, несущих осевые нагрузки с одной стороны и имеющих относительно низкие скорости, таких как крюки кранов, вертикальные насосы, вертикальные центрифуги, домкраты, тихоходные редукторы и т. д. Кольцо вала, опорное кольцо и тела качения подшипника являются разъемными и могут монтироваться и демонтироваться по отдельности.

Упорные роликоподшипники предназначены для восприятия комбинированных осевых и радиальных нагрузок, преобладающих над осевыми, при этом радиальная нагрузка не должна превышать 55% осевой нагрузки. По сравнению с другими упорными роликоподшипниками, этот подшипник обладает меньшим коэффициентом трения, более высокой скоростью вращения и способностью к самоустановке. Упорные цилиндрические роликоподшипники в основном используются в тяжёлых станках, мощных судовых редукторах, нефтяных буровых установках, вертикальных двигателях и другом оборудовании.

Цилиндрический роликовый подшипник

Это радиальные роликовые подшипники, в которых тела качения представляют собой цилиндрические ролики. Внутренняя конструкция цилиндрических роликовых подшипников предполагает параллельное расположение роликов, а между роликами установлены проставки или блоки проставок для предотвращения перекоса и трения роликов друг о друга, что эффективно предотвращает увеличение крутящего момента.

Крупные и средние электродвигатели, подвижной состав, шпиндели станков, двигатели внутреннего сгорания, генераторы, газовые турбины, редукторы, прокатные станы, вибрационные грохоты, подъемно-транспортные машины.

Особенности

• Ролики и дорожка качения находятся в линейном контакте или модифицированном линейном контакте, что обеспечивает большую радиальную грузоподъемность и подходит для восприятия больших нагрузок и ударных нагрузок.
• Малый коэффициент трения, подходит для высоких скоростей, с предельной скоростью, близкой к скорости радиальных шарикоподшипников.
• Типы N и NU могут перемещаться в осевом направлении, адаптироваться к изменениям относительного положения вала и корпуса, вызванным тепловым расширением или ошибками монтажа, и могут использоваться в качестве опор со свободным концом.
• Высокие требования к обработке вала или посадочного отверстия; относительное отклонение оси наружного кольца после установки подшипника должно строго контролироваться, чтобы избежать концентрации контактных напряжений.
• Внутреннее и внешнее кольцо можно разделить, что облегчает монтаж и демонтаж.

Шариковый подшипник с четырехточечным контактом

Шарикоподшипник с четырёхточечным контактом – это разъёмный подшипник, который также можно назвать радиально-упорным шарикоподшипником, способным воспринимать двунаправленные осевые нагрузки. Дорожки качения внутреннего и наружного колец имеют форму персика. При отсутствии нагрузки или под действием исключительно радиальной нагрузки стальной шарик и кольцо имеют четырёхточечный контакт, отсюда и название.

Шарикоподшипники с четырехточечным контактом имеют разъемную конструкцию, и один подшипник может заменить радиально-упорные шарикоподшипники, объединенные по схеме «лицом к лицу» или «спина к спине».

Они могут выдерживать радиальные нагрузки и двунаправленные осевые нагрузки, а также ограничивать осевое смещение в двух направлениях, но занимают меньше осевого пространства, чем двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники современных спецификаций.

По сравнению с другими шарикоподшипниками шарикоподшипники с четырехточечным контактом имеют меньший осевой зазор и более высокую предельную скорость при одинаковом радиальном зазоре.

Шарикоподшипники с четырёхточечным контактом подходят для восприятия как чисто осевых нагрузок, так и комбинированных осевых и радиальных нагрузок, преобладающих над осевыми. Благодаря двухполовинному внутреннему кольцу (или наружному кольцу) количество шариков увеличивается, что обеспечивает большую грузоподъёмность. 

В нормальных рабочих условиях, когда этот тип подшипника воспринимает осевую нагрузку в любом направлении, может образовываться контактный угол. Стальной шарик контактирует с внутренней и наружной дорожками качения в одной точке, что позволяет избежать значительного трения скольжения в зоне контакта. Поэтому подшипник не подходит для подшипников с преобладанием радиальной силы.

Цилиндрический роликовый упорный подшипник

Упорные цилиндрические роликоподшипники часто объединяются в высокожёсткие подшипниковые узлы, способные без труда выдерживать большие нагрузки и вибрационные нагрузки. Они подходят только для узлов, несущих осевую нагрузку с одной стороны и работающих на низких скоростях, таких как крюки кранов, вертикальные насосы, вертикальные центрифуги, домкраты и тихоходные редукторы. Кольцо вала, кольцо корпуса и тела качения подшипника являются разборными и могут монтироваться и демонтироваться по отдельности.

Игольчатый упорный подшипник

Упорные игольчатые роликоподшипники выполняют функцию гашения осевых нагрузок, воспринимают осевые нагрузки, имеют низкие скорости и допускают прогиб.

Конический роликоподшипник

Упорные конические роликоподшипники могут образовывать очень компактные конфигурации осевых подшипников. Такие подшипники выдерживают большие осевые нагрузки, нечувствительны к ударным нагрузкам и обладают высокой жесткостью. Компания LYTBZ производит одинарные и двойные упорные конические роликоподшипники. Подшипники с винтовым креплением представляют собой специально разработанные одинарные упорные конические роликоподшипники, содержащие полный комплект роликов. Этот тип подшипников используется в качестве подшипников с винтовым креплением в прокатных станах. Упорные конические роликоподшипники LYTBZ имеют логарифмический профиль контакта между дорожкой качения и роликами, что обеспечивает оптимальное распределение напряжений в подшипнике и, следовательно, продлевает срок его службы.

Вставной подшипник с корпусом

Корпусной подшипник представляет собой подшипниковый узел, объединяющий подшипник качения с корпусом. Большинство корпусных подшипников имеют сферический наружный диаметр и устанавливаются вместе с корпусом подшипника, имеющим сферическое внутреннее отверстие. Они выпускаются в различных конструктивных исполнениях, обладают высокой универсальностью и взаимозаменяемостью. Кроме того, этот тип подшипников обладает определённой степенью самоустановки, прост в установке и имеет двухконтурное уплотнение, что позволяет работать в тяжёлых условиях.

Конструкция подшипников и их функции

Подшипники снижают трение за счёт качения. Когда вал начинает вращаться, множество тел качения (шариков или роликов) внутри подшипника начинают катиться. Подшипники снижают трение за счёт этого качения. По сравнению со скольжением подшипников скольжения, подшипники с качением могут эффективнее снижать трение и уменьшать потребление энергии вращения.

Хотя существует множество типов современных подшипников, их базовая конструкция примерно такая же, как та, что была задумана Леонардо да Винчи около 500 лет назад. Подшипник состоит из следующих компонентов:

• Кольца: Кольцеобразные детали
• Тела качения: детали, которые катятся между кольцами дорожек качения (к телам качения относятся шарики и ролики)
• Сепаратор: деталь, которая предотвращает соприкосновение тел качения друг с другом и поддерживает определенный интервал между ними.

Кольца

Подшипник, показанный на рисунке 2, называется «радиальным подшипником» и воспринимает силы, перпендикулярные валу. В шарикоподшипниках в качестве тел качения используются шарики, а в роликоподшипниках — ролики. В таких радиальных подшипниках используются кольца. Внутреннее кольцо, установленное на вал, называется внутренним. Внешнее кольцо, установленное в корпусе, называется наружным.

Элементы качения

К телам качения относятся шарики и ролики. Существуют различные типы тел качения, которые можно выбрать в зависимости от условий эксплуатации подшипника, таких как требуемая величина опоры и скорость вращения.

Клетка

При вращении внутреннего кольца подшипника тела качения также начинают катиться. При этом, если в подшипнике нет сепаратора, соседние тела качения будут соприкасаться. Направления качения двух тел качения на контактной поверхности противоположны, что препятствует их качению. Для предотвращения этого используется сепаратор, разделяющий соседние тела качения и обеспечивающий их плавное качение. В зависимости от условий эксплуатации подшипника, таких как величина опорного усилия и скорость вращения, доступны различные типы сепараторов.

Кольца качения, тела качения и сепараторы играют разные роли. Только согласованное взаимодействие этих функций обеспечивает плавное вращение подшипника. Однако, даже при наличии только этих компонентов, подшипник не может продолжать вращаться плавно. Далее мы рассмотрим ещё один важный элемент подшипников.

Смазка

Для обеспечения плавного вращения подшипника необходимо снизить трение качения и предотвратить износ деталей. Эту роль может играть смазочный материал. В качестве смазочных материалов для подшипников чаще всего используются полутвердые пластичные смазки и жидкие смазочные масла. Кроме того, смазочные материалы также снижают тепловыделение во вращающихся подшипниках и продлевают срок их службы. Таким образом, смазочный материал также является важным элементом, обеспечивающим стабильное и плавное вращение подшипников.