Подшипник — это элемент машины , который ограничивает относительное движение только желаемым движением и уменьшает трение между движущимися частями . Конструкция подшипника может, например, обеспечивать свободное линейное перемещение подвижной части или свободное вращение вокруг неподвижной оси ; или он может предотвратить движение, управляя векторами нормальных сил , действующих на движущиеся части. Большинство подшипников облегчают желаемое движение, сводя к минимуму трение. Подшипники классифицируются в широком смысле согласно типу работы, допустимым движениям или направлениям нагрузок (сил), приложенных к деталям.
Термин «носить» происходит от глагола «нести»; подшипник представляет собой элемент машины, который позволяет одной части нести (т. е. поддерживать) другую. Простейшие подшипники представляют собой несущие поверхности , вырезанные или сформированные в детали, с различной степенью контроля над формой, размером, шероховатостью и расположением поверхности. Остальные подшипники представляют собой отдельные устройства, установленные в машине или детали машины. Самые сложные подшипники для самых требовательных применений представляют собой очень точные компоненты; их производство требует одних из самых высоких стандартов современной технологии.
Вращающиеся подшипники удерживают вращающиеся компоненты, такие как валы или оси, в механических системах и передают осевые и радиальные нагрузки от источника нагрузки на поддерживающую его конструкцию. Самая простая форма подшипника — подшипник скольжения — состоит из вала, вращающегося в отверстии. Смазка используется для уменьшения трения. Смазочные материалы бывают разных форм, включая жидкости, твердые вещества и газы. Выбор смазочного материала зависит от конкретного применения и таких факторов, как температура, нагрузка и скорость. В шарикоподшипнике и роликоподшипнике для уменьшения трения скольжения между дорожками качения или шейками подшипникового узла расположены тела качения, такие как ролики или шарики с круглым поперечным сечением. Существует широкий выбор конструкций подшипников, позволяющих правильно удовлетворить требования применения для достижения максимальной эффективности, надежности, долговечности и производительности.
Иногда предполагается, что изобретение подшипника качения в виде деревянных роликов, поддерживающих или поддерживающих перемещаемый объект, предшествует изобретению колеса, вращающегося на подшипнике скольжения ; это лежит в основе предположений о том, что такие культуры, как древние египтяне, использовали роликовые подшипники в виде стволов деревьев под санями. Нет никаких доказательств такой последовательности технологического развития. [1] [2] [3] : 31 Собственные рисунки египтян в гробнице Джехутихотепа показывают процесс перемещения массивных каменных блоков на санях с использованием полозьев с жидкой смазкой, которые представляют собой подшипники скольжения. [4] [3] : 36 [5] : 710 Существуют также египетские рисунки подшипников скольжения, используемых с ручными дрелями . [6]
Колесные транспортные средства с подшипниками скольжения появились примерно между 5000 и 3000 годами до нашей эры . [3] : 15, 30, 37
Найденный пример раннего подшипника качения — деревянный шарикоподшипник, поддерживающий вращающийся стол, из останков римских кораблей Неми на озере Неми , Италия . Обломки были датированы 40 г. до н.э. [7] [8]
Леонардо да Винчи включил рисунки шарикоподшипников в свой проект вертолета около 1500 года; это первое зарегистрированное использование подшипников в аэрокосмической конструкции. Однако Агостино Рамелли первым опубликовал эскизы роликовых и упорных подшипников. [9] Проблема с шариковыми и роликовыми подшипниками заключается в том, что шарики или ролики трутся друг о друга, вызывая дополнительное трение. Это можно уменьшить, поместив каждый отдельный шарик или ролик в сепаратор. Захваченный или сепараторный шарикоподшипник был первоначально описан Галилеем в 17 веке. [10]
Первый практичный роликовый подшипник с сепаратором был изобретен в середине 1740-х годов часовщиком Джоном Харрисоном для своего морского хронометриста H3. В этих часах подшипник с сепаратором использовался только для очень ограниченного колебательного движения, но позже Харрисон применил аналогичную конструкцию подшипника с настоящим вращательным движением в современных часах-регуляторах. [11] [12]
Первый патент на шарикоподшипники был выдан Филиппу Воану , британскому изобретателю и мастеру металлообработки в Кармартене в 1794 году. Это была первая современная конструкция шарикоподшипника, в которой шарик перемещался по канавке в узле оси. [10] [13]
Подшипники сыграли ключевую роль в зарождающейся промышленной революции , позволив новому промышленному оборудованию работать эффективно. Например, они использовались для фиксации колес и осей в сборе, чтобы значительно снизить трение по сравнению с предыдущими конструкциями без подшипников.
Первый патент на радиальный шарикоподшипник был выдан Жюлю Сюрирэ , парижскому велосипедному механику, 3 августа 1869 года. Затем подшипники были установлены на велосипеде-победителе Джеймса Мура на первой в мире велосипедной гонке Париж-Руан. , в ноябре 1869 года. [14]
В 1883 году Фридрих Фишер , основатель FAG , разработал подход к фрезерованию и шлифовке шариков одинакового размера и точной округлости с помощью подходящей производственной машины, что положило начало созданию независимой подшипниковой промышленности. Его родной город Швайнфурт позже стал ведущим мировым центром производства шарикоподшипников.
Современная самовыравнивающаяся конструкция шарикоподшипника приписывается Свену Вингквисту , производителю шарикоподшипников SKF, в 1907 году, когда он получил шведский патент № 25406 на эту конструкцию.
Генри Тимкен , провидец XIX века и новатор в производстве карет, запатентовал конический роликовый подшипник в 1898 году. В следующем году он основал компанию для производства своего изобретения. За столетие компания выросла и начала производить подшипники всех типов, включая подшипники из специальной стали, а также ряд сопутствующих товаров и услуг.
Эрих Франке изобрел и запатентовал подшипник с проволочным кольцом в 1934 году. Его внимание было сосредоточено на конструкции подшипника с как можно меньшим поперечным сечением, которая могла бы быть интегрирована в конструкцию корпуса. После Второй мировой войны он вместе с Герхардом Гейдрихом основал компанию Franke & Heydrich KG (сегодня Franke GmbH), чтобы продвигать разработку и производство подшипников с проволочными кольцами.
Обширные исследования Ричарда Стрибека [15] [16] шарикоподшипниковых сталей определили металлургию широко используемого 100Cr6 (AISI 52100), [17] показывающего коэффициент трения как функцию давления.
Разработанный в 1968 году и позже запатентованный в 1972 году, соучредитель Bishop-Wisecarver Бад Вайскарвер создал направляющие колеса с клиновидными подшипниками - тип подшипника линейного перемещения, состоящий как из внешнего, так и внутреннего угла наклона 90 градусов. [18] [ нужен лучший источник ]
В начале 1980-х годов основатель компании Pacific Bearing Роберт Шредер изобрел первый подшипник скольжения из двух материалов, который был взаимозаменяем с линейными шарикоподшипниками. Этот подшипник имел металлический корпус (алюминий, сталь или нержавеющую сталь) и слой материала на основе тефлона, соединенный тонким клеевым слоем. [19]
Сегодняшние шариковые и роликовые подшипники используются во многих устройствах, включая вращающиеся компоненты. Примеры включают сверхвысокоскоростные подшипники в стоматологических бормашинах, аэрокосмические подшипники в марсоходах, подшипники коробок передач и колес в автомобилях, подшипники изгиба в системах оптического выравнивания и воздушные подшипники , используемые в координатно-измерительных машинах .
Обычными движениями, допускаемыми подшипниками, являются:
Первые подшипники скольжения и качения были деревянными , за ними последовали бронзовые . За свою историю подшипники изготавливались из многих материалов, включая керамику , сапфир , стекло , сталь , бронзу и другие металлы. Сегодня также используются пластиковые подшипники, изготовленные из нейлона , полиоксиметилена , политетрафторэтилена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена .
Часовщики производят «украшенные драгоценными камнями» часы, используя сапфировые подшипники скольжения, чтобы уменьшить трение и тем самым обеспечить более точный хронометраж.
Даже простые материалы могут обладать впечатляющей долговечностью. Деревянные подшипники, например, и сегодня можно увидеть в старых часах или водяных мельницах, где вода обеспечивает охлаждение и смазку.
Безусловно, наиболее распространенным подшипником является подшипник скольжения , подшипник, в котором поверхности трутся, часто со смазкой , такой как масло или графит. Подшипник скольжения может быть или не быть дискретным устройством. Это может быть не что иное, как опорная поверхность отверстия с проходящим через него валом или плоская поверхность, на которую опирается другой (в этих случаях не дискретное устройство); или это может быть слой несущего металла , приплавленный к подложке (полудискретный) или в виде отделяемой втулки (дискретный). При подходящей смазке подшипники скольжения часто обеспечивают приемлемую точность, срок службы и трение при минимальных затратах. Поэтому они очень широко используются.
Однако существует множество применений, в которых более подходящий подшипник может повысить эффективность, точность, интервалы обслуживания, надежность, скорость работы, размер, вес и затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования.
Таким образом, многие типы подшипников имеют различную форму, материалы, смазку, принцип работы и так далее.
Существует как минимум 6 распространенных типов подшипников, [21] каждый из которых работает по разным принципам:
В следующей таблице приведены основные характеристики каждого из этих типов подшипников.
Снижение трения в подшипниках часто важно для повышения эффективности, уменьшения износа и облегчения длительного использования на высоких скоростях, а также для предотвращения перегрева и преждевременного выхода подшипника из строя. По сути, подшипник может уменьшить трение благодаря своей форме, материалу или за счет введения и удержания жидкости между поверхностями или за счет разделения поверхностей электромагнитным полем.
Их комбинации могут использоваться даже в одном подшипнике. Например, сепаратор изготовлен из пластика и разделяет ролики/шарики, которые уменьшают трение за счет своей формы и отделки.
Конструкция подшипника варьируется в зависимости от размера и направления сил, необходимых для поддержки. Силы могут быть преимущественно радиальными , осевыми ( подпятники ) или изгибающими моментами, перпендикулярными главной оси.
Различные типы подшипников имеют разные пределы рабочей скорости. Скорость обычно указывается как максимальная относительная скорость поверхности, часто указываемая в футах/с или м/с. Рабочие характеристики ротационных подшипников обычно характеризуются DN изделия , где D — средний диаметр (часто в мм) подшипника, а N — скорость вращения в оборотах в минуту.
Как правило, существует значительное перекрытие диапазонов скоростей между типами подшипников. Подшипники скольжения обычно работают только на более низких скоростях, подшипники качения работают быстрее, за ними следуют жидкостные подшипники и, наконец, магнитные подшипники, которые в конечном итоге ограничиваются центростремительной силой, преодолевающей прочность материала.
В некоторых приложениях нагрузки на подшипники прикладываются с разных направлений и допускают только ограниченный люфт или «наклон» при изменении приложенной нагрузки. Одним из источников движения являются зазоры или «люфт» в подшипнике. Например, вал диаметром 10 мм в отверстии диаметром 12 мм имеет зазор 2 мм.
Допустимый люфт сильно варьируется в зависимости от использования. Например, колесо тачки выдерживает радиальные и осевые нагрузки. Осевые нагрузки могут составлять сотни ньютонов силы влево или вправо, и обычно допустимо раскачивание колеса на целых 10 мм под изменяющейся нагрузкой. Напротив, токарный станок может позиционировать режущий инструмент с точностью до ±0,002 мм с помощью шарикового ходового винта, удерживаемого вращающимися подшипниками. Подшипники выдерживают осевые нагрузки в тысячи ньютонов в любом направлении и должны удерживать шариковый ходовой винт с точностью ±0,002 мм в этом диапазоне нагрузок.
Жесткость — это величина, на которую изменяется зазор при изменении нагрузки на подшипник, в отличие от трения подшипника.
Второй источник движения — эластичность самого подшипника. Например, шарики в шарикоподшипнике подобны жесткой резине и под нагрузкой деформируются от круглой формы до слегка приплюснутой. Гонка также эластична, и в местах давления мяча на нее образуется небольшая вмятина.
Жесткость подшипника – это то, как расстояние между частями, разделенными подшипником, меняется в зависимости от приложенной нагрузки. В подшипниках качения это происходит из-за деформации шарика и дорожки качения. В случае с жидкостными подшипниками это связано с тем, как давление жидкости меняется в зависимости от зазора (при правильной нагрузке жидкостные подшипники обычно более жесткие, чем подшипники качения).
В некоторых подшипниках для смазки используется густая смазка , которая заталкивается в зазоры между поверхностями подшипника, также известные как набивки . Смазка удерживается пластиковой, кожаной или резиновой прокладкой (также называемой сальником ), которая закрывает внутренние и внешние края кольца подшипника, предотвращая вытекание смазки. Подшипники также могут быть набиты другими материалами. Исторически в колесах железнодорожных вагонов использовались подшипники скольжения, набитые отходами или рыхлыми обрезками хлопка или шерстяного волокна, пропитанными маслом, а затем использовались твердые ватные подушечки. [22]
Подшипники можно смазывать с помощью кольцевой масленки — металлического кольца, которое свободно вращается на центральном вращающемся валу подшипника. Кольцо свисает в камеру, содержащую смазочное масло. Когда подшипник вращается, вязкое сцепление втягивает масло вверх по кольцу на вал, где масло мигрирует в подшипник, смазывая его. Излишки масла сбрасываются и снова собираются в бассейне. [23]
Простейшей формой смазки является смазка разбрызгиванием . Некоторые машины содержат лужу со смазкой внизу, шестерни частично погружены в жидкость, или шатуны, которые могут опускаться в лужу во время работы устройства. Вращающиеся колеса выбрасывают масло в воздух вокруг себя, в то время как шатуны ударяются о поверхность масла, беспорядочно разбрызгивая его на внутренние поверхности двигателя. Некоторые небольшие двигатели внутреннего сгорания содержат специальные пластиковые поворотные колеса , которые хаотично разбрасывают масло внутри механизма. [24]
В высокоскоростных и мощных машинах потеря смазки может привести к быстрому нагреву подшипников и их повреждению из-за трения. Кроме того, в грязной среде масло может загрязниться пылью или мусором, что увеличивает трение. В этих приложениях к подшипнику и всем другим контактным поверхностям можно непрерывно подавать свежую смазку, а избыток можно собирать для фильтрации, охлаждения и, возможно, повторного использования. Смазка под давлением обычно используется в больших и сложных двигателях внутреннего сгорания в тех частях двигателя, куда не могут попасть прямые брызги масла, например, в узлы верхних клапанов. [25] Высокоскоростным турбокомпрессорам также обычно требуется масляная система под давлением для охлаждения подшипников и предотвращения их возгорания из-за тепла от турбины.
Композитные подшипники имеют самосмазывающуюся гильзу из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с ламинированной металлической основой. Вкладыш из ПТФЭ обеспечивает постоянное контролируемое трение, а также долговечность, а металлическая основа обеспечивает прочность композитного подшипника и его способность выдерживать высокие нагрузки и напряжения на протяжении всего срока службы. Его конструкция также делает его легким — в десять раз легче традиционного подшипника качения. [26]
Существует множество методов монтажа подшипников, обычно связанных с посадкой с натягом . [27] При запрессовке или термопрессовой посадке подшипника в отверстие или на вал важно, чтобы отверстие корпуса и наружный диаметр вала находились в очень узких пределах, что может включать одну или несколько операций растачивания, несколько операций торцовки и сверление. операции нарезания резьбы, нарезания резьбы и нарезания резьбы. [28] Альтернативно, посадка с натягом может быть достигнута путем добавления допускового кольца .
На срок службы подшипника влияет множество факторов, не контролируемых производителями подшипников. Например, монтаж подшипников, температура, воздействие внешней среды, чистота смазки и электрические токи, проходящие через подшипники . Высокочастотные инверторы с ШИМ могут индуцировать в подшипниках электрические токи , которые можно подавить с помощью ферритовых дросселей . Температура и рельеф микроповерхности будут определять величину трения при соприкосновении с твердыми частями. Определенные элементы и поля уменьшают трение при увеличении скорости. Прочность и подвижность помогают определить нагрузку, которую может выдержать тип подшипника. Факторы выравнивания могут играть разрушительную роль в износе, но их можно преодолеть с помощью компьютерной сигнализации и нетрущихся типов подшипников, таких как магнитная левитация или давление аэродрома. [ нужны разъяснения ]
Жидкостные и магнитные подшипники могут иметь практически неограниченный срок службы. На практике жидкостные подшипники выдерживают высокие нагрузки на гидроэлектростанциях, которые находятся в практически непрерывной эксплуатации примерно с 1900 года и не имеют признаков износа. [ нужна цитата ]
Срок службы подшипников качения определяется нагрузкой, температурой, техническим обслуживанием, смазкой, дефектами материала, загрязнением, обращением, установкой и другими факторами. Все эти факторы могут оказать существенное влияние на срок службы подшипников. Например, срок службы подшипников в одном случае был значительно продлен за счет изменения способа хранения подшипников перед установкой и использованием, поскольку вибрации во время хранения приводили к выходу из строя смазки, даже когда единственной нагрузкой на подшипник был его собственный вес; [29] возникающие в результате повреждения часто представляют собой ложное бринеллирование . [30] Срок службы подшипников является статистическим: несколько образцов данного подшипника часто имеют колоколообразную кривую срока службы, причем несколько образцов демонстрируют значительно лучший или худший срок службы. Срок службы подшипников варьируется, поскольку микроскопическая структура и загрязнение сильно различаются, даже если макроскопически они кажутся идентичными.
Подшипникам часто указывают срок службы «L10» (США) или «B10» (в других странах) — продолжительность, в течение которой можно ожидать, что десять процентов подшипников в этом приложении выйдут из строя из-за классического усталостного разрушения (а не какого-либо другого вид неисправности, такой как нехватка смазки, неправильный монтаж и т. д.), или, альтернативно, продолжительность, в течение которой девяносто процентов будут продолжать работать. Срок службы подшипника L10/B10 является теоретическим и может не отражать срок службы подшипника. Подшипники также оцениваются по значению C 0 (статическая нагрузка). Это базовая номинальная нагрузка, а не фактическое значение нагрузки.
Для подшипников скольжения некоторые материалы обеспечивают гораздо более длительный срок службы, чем другие. Некоторые из часов Джона Харрисона все еще работают спустя сотни лет из-за древесины lignum vitae , использованной в их конструкции, тогда как его металлические часы редко ходят из-за потенциального износа.
Подшипники изгиба основаны на упругих свойствах материала. Подшипники изгиба многократно сгибают кусок материала. Некоторые материалы разрушаются после многократного изгиба даже при низких нагрузках, но тщательный выбор материала и конструкция подшипника могут сделать срок службы подшипника на изгиб неопределенным.
Хотя длительный срок службы подшипников зачастую желателен, иногда в этом нет необходимости. Харрис 2001 описывает подшипник для кислородного насоса ракетного двигателя, который прослужил несколько часов, что намного превышает необходимые несколько десятков минут. [29]
В зависимости от индивидуальных характеристик (материал основы и соединения ПТФЭ) композитные подшипники могут работать до 30 лет без технического обслуживания.
Для подшипников, которые используются в колебательных устройствах, используются индивидуальные подходы для расчета L10/B10. [31]
Многие подшипники требуют периодического обслуживания для предотвращения преждевременного выхода из строя, но другие требуют незначительного обслуживания. К последним относятся различные виды полимерных, жидкостных и магнитных подшипников, а также подшипники качения, которые описываются терминами, включающими герметичный подшипник и герметичный на весь срок службы . Они содержат уплотнения , предотвращающие попадание грязи и смазки. Они успешно работают во многих областях применения, обеспечивая работу без технического обслуживания. Некоторые приложения не могут использовать их эффективно.
Негерметичные подшипники часто имеют пресс-масленку для периодической смазки с помощью смазочного шприца или масляную чашку для периодического заполнения маслом. До 1970-х годов подшипники с уплотнениями не встречались на большинстве машин, а смазка и смазка были более распространенным занятием, чем сегодня. Например, автомобильное шасси раньше требовало «смазывания» почти так же часто, как замена моторного масла, но сегодняшние автомобильные шасси в основном герметизированы на весь срок службы. С конца 1700-х до середины 1900-х годов промышленность полагалась на многих рабочих, называемых масленками , которые часто смазывали машины масленками .
Сегодня заводские машины обычно имеют системы смазки , в которых центральный насос периодически подает масло или смазку из резервуара через смазочные линии к различным точкам смазки на несущих поверхностях машины , шейках подшипников, опорных блоках и так далее. Время и количество таких циклов смазки контролируются компьютеризированным управлением машины, например, ПЛК или ЧПУ , а также функциями ручного управления, когда это иногда необходимо. Этот автоматизированный процесс используется для смазки всех современных станков с ЧПУ и многих других заводских машин. Подобные системы смазки используются и на неавтоматизированных машинах, и в этом случае имеется ручной насос , который оператор машины должен прокачивать один раз в день (для машин, находящихся в постоянном использовании) или один раз в неделю. Их называют одноразовыми системами по их главному преимуществу: одно нажатие на одну ручку для смазки всей машины вместо дюжины насосов алемитного пистолета или масленки в дюжине разных положений вокруг машины.
Система смазки внутри двигателя современного автомобиля или грузовика по своей концепции аналогична упомянутым выше системам смазки, за исключением того, что масло подается непрерывно. Большая часть этого масла течет через каналы, просверленные или отлитые в блоке цилиндров и головках цилиндров , вытекая через порты непосредственно на подшипники и разбрызгиваясь в других местах, образуя масляную ванну. Масляный насос просто постоянно качает, а излишки перекачиваемого масла постоянно сбрасываются через предохранительный клапан обратно в поддон.
Многие подшипники в промышленных условиях с большим циклом работы нуждаются в периодической смазке и очистке, а многие требуют периодической регулировки, например регулировки предварительной нагрузки, чтобы минимизировать последствия износа.
Срок службы подшипников зачастую намного увеличивается, если подшипник содержится в чистоте и хорошо смазан. Однако многие приложения затрудняют хорошее обслуживание. Одним из примеров является то, что подшипники конвейера камнедробилки постоянно подвергаются воздействию твердых абразивных частиц. Очистка бесполезна, поскольку очистка стоит дорого, однако подшипник снова загрязняется, как только конвейер возобновляет работу. Таким образом, хорошая программа технического обслуживания может предусматривать частую смазку подшипников, но не включать разборку для очистки. Частая смазка по своей природе обеспечивает ограниченное очищающее действие, заменяя старое (наполненное песком) масло или смазку свежей загрузкой, которая сама собирает песок перед тем, как его вытеснят в следующем цикле. Другим примером являются подшипники ветряных турбин, что затрудняет техническое обслуживание, поскольку в районах с сильным ветром гондола располагается высоко в воздухе. Кроме того, турбина не всегда работает и в разных погодных условиях работает по-разному, что затрудняет правильную смазку. [32]
Производители :
...
Египтяне использовали деревянные сани для перевозки камня, но до сих пор не совсем понятно, как они преодолели проблему трения.
[...Они] положили тяжелые предметы на сани, которые рабочие тащили по песку.
[...] «Исследования
... показали, что египтяне, вероятно, намочили песок пустыни перед санями».
[...] Еще одним доказательством вывода о том, что египтяне использовали воду, является настенная живопись в гробнице Джехутихотепа. Всплеск оранжевого и серого цвета, кажется, изображает человека, стоящего впереди массивных саней и выливающего воду на песок прямо перед движущимися санями.
через UTexas.edu.Воган до сих пор считается их изобретателем, хотя ... некоторые римские корабли Неми, построенные примерно в 40 г. н.э., включили их в свою конструкцию, а Леонардо да Винчи ... приписывают первое изобретение принципа, лежащего в основе шарикоподшипников, хотя он не использовал их для своих изобретений. Другой итальянец, Галилей, описал использование мяча в клетке.
