Подшипник скольжения , или, чаще всего, контактно-скользящий подшипник и подшипник скольжения (на железных дорогах иногда называемый сплошным подшипником , подшипником скольжения или подшипником скольжения [1] ) — это самый простой тип подшипника , включающий только опорную поверхность и не имеющий тел качения. Поэтому шейка (т. е. часть вала, контактирующая с подшипником) скользит по поверхности подшипника. Простейшим примером подшипника скольжения является вал, вращающийся в отверстии. Простой линейный подшипник может представлять собой пару плоских поверхностей, предназначенных для обеспечения движения; например, выдвижной ящик и направляющие, на которых он опирается [2] или направляющие на станине токарного станка .
Подшипники скольжения, как правило, являются наименее дорогим типом подшипников. Они также компактны и легки, имеют высокую грузоподъемность. [3]
Конструкция подшипника скольжения зависит от типа движения, которое должен обеспечивать подшипник. Возможны три типа движений:
Встроенные подшипники скольжения встроены в объект использования в виде отверстия, подготовленного в несущей поверхности. Промышленные цельные подшипники обычно изготавливаются из чугуна или баббита , а в подшипнике используется вал из закаленной стали . [7]
Встроенные подшипники встречаются не так часто, поскольку втулки легче установить и при необходимости можно заменить. [2] В зависимости от материала встроенный подшипник может быть дешевле, но его нельзя заменить. Если встроенный подшипник изнашивается, его можно заменить или переработать для установки втулки. Интегральные подшипники были очень распространены в оборудовании 19-го века, но стали становиться все менее распространенными по мере того, как становилось популярным производство взаимозаменяемых подшипников .
Например, обычным интегральным подшипником скольжения является шарнир , который одновременно является упорным и опорным подшипником.
Втулка , также известная как втулка , представляет собой независимый подшипник скольжения, который вставляется в корпус для обеспечения опорной поверхности для вращающихся устройств; это наиболее распространенная форма подшипника скольжения. [8] Распространенные конструкции включают цельные ( втулочные и фланцевые ), разъемные и зажимные втулки. Втулка, разъемная или сжатая втулка — это всего лишь «гильза» из материала с внутренним диаметром (ВД), внешним диаметром (НД) и длиной. Разница между тремя типами заключается в том, что втулка со сплошной втулкой является цельной по всему периметру, разъемная втулка имеет разрез по длине, а подшипник со сжатием аналогичен разъемной втулке, но с пережимом (или клинчем) поперек разреза. соединение деталей. Втулка с фланцем представляет собой втулку с фланцем на одном конце, выступающим радиально наружу от наружного диаметра. Фланец используется для надежной фиксации втулки при ее установке или для обеспечения поверхности упорного подшипника. [9]
Подшипники скольжения дюймовых размеров почти всегда имеют систему нумерации SAE . В системе нумерации используется формат -XXYY-ZZ, где XX — это идентификатор в шестнадцатых долях дюйма, YY — наружный диаметр в шестнадцатых долях дюйма, а ZZ — длина в восьмых долях дюйма. [10] Также существуют метрические размеры. [11]
Шариковая втулка обычно не запрессовывается в корпус, а закрепляется радиальным элементом. Два таких примера включают два стопорных кольца или кольцо, отлитое на наружном диаметре втулки и совпадающее с канавкой в корпусе. Обычно это более надежный способ удержать втулку, поскольку силы, действующие на втулку, могут ее выдавить.
Упорную форму втулки условно называютупорная шайба .
Двухкомпонентные подшипники скольжения, известные как полные подшипники в промышленном оборудовании [12] , обычно используются для больших диаметров, например, подшипники коленчатого вала. Две половинки называются ракушками . [13] Существуют различные системы, используемые для удержания снарядов на месте. Самый распространенный метод — это язычок на краю линии разъема , который соответствует выемке в корпусе, чтобы предотвратить осевое перемещение после установки. Для больших и толстых корпусов используется стопор-кнопка или установочный штифт. Стопор кнопки привинчен к корпусу, а установочный штифт соединяет две оболочки вместе. Другой менее распространенный метод использует установочный штифт , который фиксирует корпус к корпусу через отверстие или прорезь в корпусе. [14]
Расстояние от одного края разъема до другого немного больше, чем соответствующее расстояние в корпусе, поэтому для установки подшипника требуется небольшое усилие. Это удерживает подшипник на месте при установке двух половин корпуса. Наконец, окружность корпуса также немного больше окружности корпуса, поэтому при соединении двух половин болтами подшипник слегка сдавливается . Это создает большую радиальную силу вокруг всего подшипника, которая удерживает его от вращения . Он также образует хороший интерфейс для передачи тепла от подшипников в корпус. [13]
![Схема железнодорожной журнальной будки[4]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Journal_box.png/1280px-Journal_box.png)
Подшипники скольжения должны быть изготовлены из прочного материала с низким коэффициентом трения , с низким износом подшипника и вала, устойчивого к повышенным температурам и стойкого к коррозии . Часто подшипник состоит как минимум из двух компонентов: один мягкий, а другой твердый. В общем, чем тверже соприкасающиеся поверхности, тем ниже коэффициент трения и тем большее давление требуется для того, чтобы они начали истираться или заедать при отказе смазки . [8] [15]
Баббит обычно используется в цельных подшипниках. Его наносят на канал ствола обычно толщиной от 1 до 100 тысяч (от 0,025 до 2,540 мм ), в зависимости от диаметра. Бэббит изготовлен из мягкого материала по сравнению с материалом шейки или вращающегося вала. Баббитовые подшипники сконструированы так, чтобы не повреждать шейку при прямом контакте и собирать любые загрязнения в смазке. [12]
Биматериальные подшипники состоят из двух материалов: металлического корпуса и пластиковой несущей поверхности. Распространенные комбинации включают бронзу со стальной основой, покрытой ПТФЭ , и Фрелон с алюминиевой основой . [16] Бронзовые подшипники со стальной основой и покрытием из ПТФЭ рассчитаны на большую нагрузку, чем большинство других биметаллических подшипников, и используются для вращательных и колебательных движений. Фрелоны с алюминиевой основой обычно используются в агрессивных средах, поскольку Фрелон химически инертен . [17]
В обычной конструкции подшипника скольжения используется вал из закаленной и полированной стали и более мягкая бронзовая втулка. Втулку заменяют, если она сильно изношена.
Общие бронзовые сплавы, используемые для подшипников, включают: SAE 841 , SAE 660 ( CDA 932 ), SAE 863 и CDA 954 . [18]
Чугунный подшипник можно использовать с валом из закаленной стали, поскольку коэффициент трения относительно низкий. Чугун тускнеет, поэтому износ становится незначительным. [19]
В суровых условиях, таких как печи и сушилки , используется сплав меди и графита , широко известный под торговым названием графаллой . Графит представляет собой сухую смазку , поэтому он имеет низкое трение и не требует особого ухода . Медь повышает прочность, долговечность и обеспечивает характеристики рассеивания тепла.
Подшипники из нелегированного графита используются в особых случаях, например, в местах, погруженных в воду. [20]
В этих подшипниках, известных как драгоценные камни , используются драгоценные камни , такие как сапфир , рубин и гранат .
Подшипники скольжения из цельного пластика в настоящее время становятся все более популярными из-за работы всухую без смазки. Подшипники скольжения из твердого полимера имеют малый вес, устойчивы к коррозии и не требуют технического обслуживания. После десятилетий исследований сегодня возможен точный расчет срока службы полимерных подшипников скольжения. Проектирование подшипников скольжения из твердого полимера осложняется широким диапазоном и нелинейностью коэффициента теплового расширения . Эти материалы могут быстро нагреваться при использовании в приложениях, выходящих за пределы рекомендуемых значений pV.
Подшипники из твердого полимера ограничены процессом литья под давлением . Не все формы возможны с помощью этого процесса, а возможные формы ограничены тем, что считается хорошей практикой проектирования для литья под давлением. На пластиковые подшипники распространяются те же меры предосторожности, что и на все другие пластиковые детали: ползучесть, высокое тепловое расширение, размягчение (повышенный износ/снижение срока службы) при повышенных температурах, хрупкие разрушения при низких температурах и набухание из-за поглощения влаги. Хотя большинство пластиков/полимеров, предназначенных для подшипников, разработаны с учетом этих конструктивных предосторожностей, они все еще существуют, и их следует тщательно рассмотреть, прежде чем выбирать тип твердого полимера (пластика).
Пластиковые подшипники в настоящее время довольно распространены, в том числе используются в фотокопировальных машинах , кассовых аппаратах , сельскохозяйственном оборудовании , текстильном оборудовании, медицинских приборах , пищевых и упаковочных машинах, автомобильных сиденьях и морском оборудовании.
Обычные пластмассы включают нейлон , полиацеталь , политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ), рулон , PEEK , уретан и веспел (высокоэффективный полиимид ). [21] [22] [23]
* МДС ( дисульфид молибдена )** PEEK ( полиэфирэфиркетон )
Типы систем смазки можно разделить на три группы: [10]
Примерами второго типа подшипников являются Oilites и пластиковые подшипники из полиацеталя ; примерами третьего типа являются подшипники с металлизированным графитом и подшипники из ПТФЭ . [10]
Большинство подшипников скольжения имеют гладкую внутреннюю поверхность; Однако некоторые из них имеют канавки , например, подшипник со спиральной канавкой . Канавки помогают смазке проникать в подшипник и покрывать всю шейку. [32]
Самосмазывающиеся подшипники скольжения содержат смазку внутри несущих стенок. Существует множество форм самосмазывающихся подшипников. Первыми и наиболее распространенными являются подшипники из спеченного металла с пористыми стенками. Пористые стенки втягивают масло за счет капиллярного действия [33] и выделяют масло при приложении давления или тепла . [34] Пример подшипника из спеченного металла в действии можно увидеть в самосмазывающихся цепях , которые не требуют дополнительной смазки во время работы. Другая форма представляет собой цельную металлическую втулку с восьмерочным каналом на внутреннем диаметре, заполненным графитом. Аналогичный подшипник заменяет канавку в форме восьмерки отверстиями, заткнутыми графитом. Это смазывает подшипник внутри и снаружи. [35] Последняя форма представляет собой пластиковый подшипник, в который залита смазка. Смазка высвобождается при приработке подшипника . [36]
Существует три основных типа смазки: полнослойная , граничная и сухая . Условия полной пленки — это когда нагрузка на подшипник переносится исключительно пленкой жидкой смазки и между двумя поверхностями подшипника нет контакта. В смешанных или граничных условиях нагрузка частично передается за счет прямого контакта с поверхностью, а частично за счет образования пленки между ними. В сухом состоянии полная нагрузка передается за счет контакта между поверхностями.
Подшипники, изготовленные из материалов подшипникового класса, всегда работают в сухом состоянии. Два других класса подшипников скольжения могут работать во всех трех условиях; Состояние, в котором работает подшипник, зависит от условий эксплуатации, нагрузки, относительной поверхностной скорости, зазора внутри подшипника, качества и количества смазочного материала, а также температуры (влияющей на вязкость смазочного материала). Если подшипник скольжения не предназначен для работы в сухих или граничных условиях, он имеет высокий коэффициент трения и изнашивается. Сухие и граничные условия могут возникнуть даже в жидкостном подшипнике, работающем за пределами нормальных условий эксплуатации; например, при запуске и выключении.
Жидкостная смазка обеспечивает полнопленочную смазку или режим смазки с граничными условиями. Правильно спроектированная система подшипников снижает трение, устраняя контакт поверхности между шейкой и подшипником за счет гидродинамических эффектов .
Жидкостные подшипники могут иметь гидростатическую или гидродинамическую смазку. Подшипники с гидростатической смазкой смазываются внешним насосом , который поддерживает статическое давление. В гидродинамическом подшипнике давление в масляной пленке поддерживается за счет вращения шейки. Гидростатические подшипники переходят в гидродинамическое состояние при вращении шейки. [12] В гидростатических подшипниках обычно используется масло , в то время как в гидродинамических подшипниках может использоваться масло или смазка , однако подшипники могут быть рассчитаны на использование любой доступной жидкости, а в некоторых конструкциях насосов перекачиваемая жидкость используется в качестве смазки. [37]
Гидродинамические подшипники требуют большей осторожности при проектировании и эксплуатации, чем гидростатические подшипники. Они также более склонны к первоначальному износу, поскольку смазка не происходит до тех пор, пока не произойдет вращение вала. При низких скоростях вращения смазка может не обеспечить полного разделения между валом и втулкой. В результате гидродинамическим подшипникам могут помочь вторичные подшипники, которые поддерживают вал во время запуска и остановки, защищая обработанные с точным допуском поверхности опорного подшипника. С другой стороны, гидродинамические подшипники проще в установке и дешевле. [38]
В гидродинамическом состоянии образуется смазочный «клин», поднимающий шейку. Журнал также слегка смещается по горизонтали в направлении вращения. Положение шейки измеряется углом ориентации , который представляет собой угол, образованный между вертикалью и линией, пересекающей центр шейки и центр подшипника, и коэффициентом эксцентриситета, который представляет собой отношение расстояния от центра шейки от центра подшипника до общего радиального зазора. Угол поворота и коэффициент эксцентриситета зависят от направления и скорости вращения, а также нагрузки. В гидростатических подшипниках давление масла также влияет на коэффициент эксцентриситета. В электромагнитном оборудовании, таком как двигатели, электромагнитные силы могут противодействовать гравитационным нагрузкам, в результате чего шейка занимает необычное положение. [12]
Одним из недостатков гидродинамических опорных подшипников с жидкостной смазкой в высокоскоростных машинах является вихрь масла — самовозбуждающаяся вибрация шейки. Завихрение масла возникает, когда смазочный клин становится нестабильным: небольшие возмущения шейки приводят к возникновению сил реакции со стороны масляной пленки, которые вызывают дальнейшее движение, в результате чего и масляная пленка, и шейка «закручиваются» вокруг вкладыша подшипника. Обычно частота вращения составляет около 42% от скорости вращения цапфы. В крайних случаях завихрение масла приводит к прямому контакту шейки и подшипника, что приводит к быстрому изнашиванию подшипника. В некоторых случаях частота вихря совпадает с критической скоростью машинного вала и «фиксируется» на ней; это состояние известно как «масляный кнут». Нефтяной кнут может быть очень разрушительным. [12] [39]
Завихрение масла можно предотвратить, приложив к шейке стабилизирующую силу. В ряде конструкций подшипников используется геометрия подшипника, чтобы либо создать препятствие для завихрения жидкости, либо обеспечить стабилизирующую нагрузку для минимизации завихрения. Один из них называется лимонным отверстием или эллиптическим отверстием . В этой конструкции между двумя половинками корпуса подшипника устанавливаются прокладки , а затем отверстие обрабатывается по размеру. После удаления прокладок отверстие имеет форму лимона, что уменьшает зазор в одном направлении отверстия и увеличивает предварительную нагрузку в этом направлении. Недостатком данной конструкции является меньшая несущая способность по сравнению с типовыми опорными подшипниками. Он также по-прежнему подвержен завихрению масла на высоких скоростях, однако его стоимость относительно невысока. [12]
Другой конструкцией является напорная заслонка или заглушенная канавка [40] , которая имеет неглубокий рельефный вырез в центре подшипника над верхней половиной подшипника. Канавка резко останавливается, чтобы создать направленную вниз силу для стабилизации шейки. Эта конструкция имеет высокую грузоподъемность и исправляет большинство ситуаций завихрения масла. Недостатком является то, что он работает только в одном направлении. Смещение половин подшипника дает тот же эффект, что и напорная дамба. Единственная разница заключается в том, что грузоподъемность увеличивается по мере увеличения смещения. [12]
Более радикальная конструкция — это конструкция с наклоняемыми подушками , в которой используются несколько подушек, предназначенных для перемещения при изменении нагрузки. Обычно он используется в очень крупных системах, но также находит широкое применение в современных турбомашинах, поскольку практически полностью исключает завихрение масла.
Другие компоненты, которые обычно используются с подшипниками скольжения, включают:
![Колесная пара от вагона Great Western Railway (GWR) с простым или шеечного подшипника на конце[4]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2e/GWR_Spoked_wagon_wheels.jpg/1280px-GWR_Spoked_wagon_wheels.jpg)
