Подшипник — это элемент машины , который ограничивает относительное движение только желаемым движением и уменьшает трение между движущимися частями . Конструкция подшипника может, например, обеспечивать свободное линейное движение движущейся части или свободное вращение вокруг фиксированной оси ; или он может предотвращать движение, контролируя векторы нормальных сил, которые воздействуют на движущиеся части. Большинство подшипников облегчают желаемое движение, минимизируя трение. Подшипники классифицируются в целом в соответствии с типом работы, допустимыми движениями или направлениями нагрузок (сил), приложенных к деталям.
Термин «подшипник» происходит от глагола «нести»; подшипник — это элемент машины, который позволяет одной части нести (т. е. поддерживать) другую. Простейшие подшипники — это несущие поверхности , вырезанные или сформированные в деталь, с различной степенью контроля над формой, размером, шероховатостью и расположением поверхности. Другие подшипники — это отдельные устройства, установленные в машине или ее части. Самые сложные подшипники для самых требовательных применений — это очень точные компоненты; их производство требует соблюдения самых высоких стандартов современной технологии.
Подшипники вращения удерживают вращающиеся компоненты, такие как валы или оси в механических системах, и передают осевые и радиальные нагрузки от источника нагрузки к поддерживающей его конструкции. Простейшая 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 смазки зависит от конкретного применения и таких факторов, как температура, нагрузка и скорость. В шарикоподшипниках и роликовых подшипниках для уменьшения трения скольжения элементы качения, такие как ролики или шарики с круглым поперечным сечением, располагаются между дорожками качения или шейками подшипникового узла. Существует большое разнообразие конструкций подшипников, позволяющих правильно удовлетворять требованиям применения для максимальной эффективности, надежности, долговечности и производительности.
Иногда предполагается, что изобретение подшипника качения в виде деревянных роликов, поддерживающих или несущих перемещаемый объект, предшествовало изобретению колеса , вращающегося на подшипнике скольжения ; это лежит в основе предположения, 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 смазываемых жидкостью полозьев, которые могли бы представлять собой подшипники скольжения. [4] [3] : 36 [5] : 710 Существуют также египетские рисунки подшипников скольжения, используемых с ручными дрелями . [6]
Колесные транспортные средства, использующие подшипники скольжения, появились примерно между 5000 и 3000 годами до н.э. [ 3] : 15, 30, 37
Восстановленный пример раннего подшипника качения — деревянный шарикоподшипник , поддерживающий вращающийся стол из остатков римских кораблей Неми в озере Неми , Италия . Обломки были датированы 40 годом до н. э. [7] [8]
Леонардо да Винчи включил чертежи 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, заключив каждый отдельный шарик или ролик в сепаратор. Захваченный или сепараторный шарикоподшипник был первоначально описан Галилеем в 17 веке. [10]
Первый практический подшипник с сепаратором был изобретен в середине 1740-х годов часовщиком Джоном Харрисоном для его морских часов H3. В этих часах сепаратор использовался только для очень ограниченного колебательного движения, но позже Харрисон применил похожую конструкцию подшипника с настоящим вращательным движением в современных часах-регуляторе. [11] [12]
Первый патент на шарикоподшипники был выдан Филиппу Вогану , британскому изобретателю и мастеру по производству чугуна в Кармартене, в 1794 году. Его конструкция была первой современной шарикоподшипником, в котором шарик перемещался по канавке в осевом узле. [10] [13]
Подшипники сыграли ключевую роль в зарождающейся промышленной революции , позволив новому промышленному оборудованию работать эффективно. Например, они использовались для удержания колесных и осевых узлов, чтобы значительно снизить трение по сравнению с предыдущими конструкциями без подшипников.
Первый патент на радиальный шарикоподшипник был выдан Жюлю Сюррею , парижскому велосипедному механику, 3 августа 1869 года. Затем подшипники были установлены на велосипеде-победителе, на котором ездил Джеймс Мур в первой в мире велогонке Париж-Руан в ноябре 1869 года. [14]
В 1883 году Фридрих Фишер , основатель FAG , разработал подход к фрезерованию и шлифованию шаров одинакового размера и точной круглости с помощью подходящей производственной машины, что заложило основу для создания независимой подшипниковой промышленности. Его родной город Швайнфурт впоследствии стал ведущим мировым центром по производству шарикоподшипников.
Современная самоустанавливающаяся конструкция шарикоподшипника была изобретена Свеном Вингквистом из компании SKF , которая производила шарикоподшипники. В 1907 году он получил шведский патент № 25406 на эту конструкцию.
Генри Тимкен , визионер и новатор 19 века в производстве вагонов, запатентовал конический роликовый подшипник в 1898 году. В следующем году он основал компанию для производства своего новшества. За столетие компания выросла до производства подшипников всех типов, включая подшипники из специальной стали и ряд сопутствующих продуктов и услуг.
Эрих Франке изобрел и запатентовал подшипник с проволочной дорожкой качения в 1934 году. Он сосредоточился на конструкции подшипника с как можно меньшим поперечным сечением, который можно было бы интегрировать в конструкцию корпуса. После Второй мировой войны он основал вместе с Герхардом Гейдрихом компанию Franke & Heydrich KG (сегодня Franke GmbH) для продвижения разработки и производства подшипников с проволочной дорожкой качения.
Обширные исследования Ричарда Стрибека [15] [16] шарикоподшипниковых сталей позволили определить металлургию широко используемой стали 100Cr6 (AISI 52100) [17] , показав коэффициент трения как функцию давления.
Разработанные в 1968 году и позднее запатентованные в 1972 году, соучредитель Bishop-Wisecarver Бад Вайскарвер создал направляющие колеса с V-образными канавками, тип линейного подшипника, состоящий как из внешнего, так и внутреннего V-образного угла в 90 градусов. [18] [ нужен лучший источник ]
В начале 1980-х годов основатель Pacific Bearing Роберт Шредер изобрел первый двухкомпонентный подшипник скольжения, который был взаимозаменяем с линейными шарикоподшипниками. Этот подшипник имел металлическую оболочку (алюминий, сталь или нержавеющая сталь) и слой материала на основе тефлона, соединенный тонким клеевым слоем. [19]
Сегодня шариковые и роликовые подшипники используются во многих приложениях, которые включают вращающийся компонент. Примерами служат сверхскоростные подшипники в стоматологических бормашинах, аэрокосмические подшипники в марсоходе, коробки передач и колесные подшипники в автомобилях, изгибные подшипники в оптических системах выравнивания и воздушные подшипники , используемые в координатно-измерительных машинах .
Обычные движения, допускаемые подшипниками:
Первые подшипники скольжения и качения были сделаны из дерева , за которым вскоре последовала бронза . За свою историю подшипники изготавливались из многих материалов, включая керамику , сапфир , стекло , сталь , бронзу и другие металлы. Пластиковые подшипники, изготовленные из нейлона , полиоксиметилена , политетрафторэтилена и UHMWPE , среди прочих материалов, также используются сегодня.
Часовщики изготавливают «драгоценные» часы, используя сапфировые подшипники скольжения для уменьшения трения, что позволяет добиться более точного измерения времени.
Даже базовые материалы могут обладать впечатляющей прочностью. Деревянные подшипники, например, все еще можно увидеть сегодня в старых часах или в водяных мельницах, где вода обеспечивает охлаждение и смазку.
Безусловно, наиболее распространенным подшипником является подшипник скольжения , подшипник, который использует поверхности в трущемся контакте, часто со смазкой, такой как масло или графит. Подшипник скольжения может быть или не быть дискретным устройством. Он может быть не более чем опорной поверхностью отверстия с проходящим через него валом или плоской поверхностью, которая несет другое (в этих случаях не дискретное устройство); или это может быть слой подшипникового металла , либо сплавленный с подложкой (полудискретный), либо в форме разъемной втулки (дискретный). При подходящей смазке подшипники скольжения часто обеспечивают приемлемую точность, срок службы и трение при минимальной стоимости. Поэтому они очень широко используются.
Однако существует множество областей применения, где 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 различаются по форме, материалам, смазке, принципу работы и т. д.
Существует по крайней мере 6 распространенных типов подшипников, [21] каждый из которых работает по своему принципу:
В следующей таблице приведены основные характеристики каждого из этих типов подшипников.
Уменьшение трения в подшипниках часто важно для 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 за счет своей формы, своего материала или путем введения и удержания жидкости между поверхностями или путем разделения поверхностей электромагнитным полем.
Комбинации этих вариантов могут использоваться даже в одном подшипнике. Примером может служить сепаратор, изготовленный из пластика, который разделяет ролики/шарики, что снижает трение за счет своей формы и отделки.
Конструкция подшипника различается в зависимости от величины и направления сил, необходимых для поддержки. Силы могут быть преимущественно радиальными , осевыми ( упорные подшипники ) или изгибающими моментами, перпендикулярными главной оси.
Различные типы подшипников имеют различные пределы рабочей скорости. Скорость обычно указывается как максимальная относительная скорость поверхности, часто указывается в футах/с или м/с. Вращающиеся подшипники обычно описывают производительность в терминах продукта DN , где D — средний диаметр (часто в мм) подшипника, а N — скорость вращения в оборотах в минуту.
Как правило, диапазоны скоростей между типами подшипников значительно перекрываются. 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 ограничены центростремительной силой, преодолевающей прочность материала.
Некоторые приложения применяют нагрузки подшипников с разных направлений и допускают только ограниченный люфт или «перекос» 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 люфт 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, чтобы колесо колебалось на целых 10 мм под переменной нагрузкой. Напротив, токарный станок может позиционировать режущий инструмент с точностью ±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 во всем этом диапазоне нагрузок.
Жесткость — это величина, на которую изменяется зазор при изменении нагрузки на подшипник, в отличие от трения подшипника.
Вторым источником движения является упругость самого подшипника. Например, шарики в шарикоподшипнике похожи на жесткую резину и под нагрузкой деформируются из круглой в слегка сплющенную форму. Дорожка качения также упругая и образует небольшую вмятину там, где на нее нажимает шарик.
Жесткость подшипника — это то, как расстояние между частями, разделенными подшипником, изменяется в зависимости от приложенной нагрузки. В подшипниках качения это происходит из-за деформации шарика и дорожки качения. В подшипниках жидкости это происходит из-за того, как давление жидкости изменяется в зависимости от зазора (при правильной нагрузке подшипники жидкости обычно жестче подшипников качения).
Некоторые подшипники используют густую смазку для смазки, которая вдавливается в зазоры между поверхностями подшипника, также известную как набивка . Смазка удерживается на месте пластиковой, кожаной или резиновой прокладкой (также называемой сальником ) , которая покрывает внутренние и внешние края дорожки подшипника, чтобы смазка не вытекала. Подшипники также могут быть набиты другими материалами. Исторически, колеса на железнодорожных вагонах использовали подшипники скольжения, набитые отходами или свободными обрезками хлопка или шерстяного волокна, пропитанными маслом, затем позже использовались твердые прокладки из хлопка. [22]
Подшипники можно смазывать с помощью кольцевой масленки , металлического кольца, которое свободно скользит по центральному вращающемуся валу подшипника. Кольцо свисает в камеру, содержащую смазочное масло. Когда подшипник вращается, вязкое сцепление втягивает масло вверх по кольцу и на вал, где масло перемещается в подшипник, чтобы смазать его. Избыточное масло отбрасывается и снова собирается в бассейне. [23]
Элементарной формой смазки является смазка разбрызгиванием . Некоторые машины содержат бассейн со смазкой на дне, с шестернями, частично погруженными в жидкость, или шатуны кривошипа, которые могут опускаться в бассейн, когда устройство работает. Вращающиеся колеса выбрасывают масло в воздух вокруг себя, в то время как шатуны хлопают по поверхности масла, беспорядочно разбрызгивая его на внутренних поверхностях двигателя. Некоторые небольшие двигатели внутреннего сгорания специально содержат специальные пластиковые колеса-отражатели , которые беспорядочно разбрасывают масло по внутренней части механизма. [24]
Для высокоскоростных и высокомощных машин потеря смазки может привести к быстрому нагреву подшипника и повреждению из-за трения. Кроме того, в грязной среде масло может загрязняться пылью или мусором, увеличивая трение. В этих применениях свежий запас смазки может непрерывно подаваться на подшипник и все другие контактные поверхности, а избыток может собираться для фильтрации, охлаждения и, возможно, повторного использования. Смазывание под давлением обычно используется в больших и сложных двигателях внутреннего сгорания в тех частях двигателя, куда напрямую разбрызгиваемое масло не может попасть, например, в верхние клапанные узлы. [25] Высокоскоростные турбокомпрессоры также обычно требуют системы подачи масла под давлением для охлаждения подшипников и предотвращения их сгорания из-за тепла от турбины.
Композитные подшипники разработаны с самосмазывающимся политетрафторэтиленовым (ПТФЭ) вкладышем с ламинированной металлической основой. ПТФЭ вкладыш обеспечивает постоянное, контролируемое трение, а также долговечность, в то время как металлическая основа обеспечивает прочность композитного подшипника и его способность выдерживать высокие нагрузки и напряжения в течение всего срока службы. Его конструкция также делает его легким — в десять раз легче традиционного подшипника качения. [26]
Существует много методов монтажа подшипников, обычно включающих посадку с натягом . [27] При запрессовке или горячей посадке подшипника в отверстие или на вал важно поддерживать отверстие корпуса и наружный диаметр вала в очень узких пределах, что может включать одну или несколько операций расточки, несколько операций торцевания, а также операции сверления, нарезания резьбы и резьбы. [28] В качестве альтернативы посадка с натягом также может быть достигнута путем добавления кольца допуска .
Срок службы подшипника зависит от многих факторов, не контролируемых производителями подшипников. Например, монтаж подшипника, температура, воздействие внешней среды, чистота смазки и электрические токи через подшипники . Высокочастотные инверторы PWM могут индуцировать электрические токи в подшипнике, 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, увеличивая скорость. Прочность и подвижность помогают определить нагрузку, которую может выдерживать тип подшипника. Факторы выравнивания могут играть разрушительную роль в износе, но преодолеваются с помощью компьютерной сигнализации и не трущихся типов подшипников, таких как магнитная левитация или давление воздушного поля. [ необходимо разъяснение ]
Жидкостные и магнитные подшипники могут иметь практически неограниченный срок службы. На практике, жидкостные подшипники выдерживают высокие нагрузки на гидроэлектростанциях, которые находятся в почти непрерывной эксплуатации с 1900 года и не показывают никаких признаков износа. [ необходима цитата ]
Срок службы подшипников качения определяется нагрузкой, температурой, обслуживанием, смазкой, дефектами материала, загрязнением, обращением, установкой и другими факторами. Все эти факторы могут оказывать значительное влияние на срок службы подшипников. Например, срок службы подшипников в одном приложении был значительно продлен за счет изменения способа хранения подшипников перед установкой и использованием, поскольку вибрации во время хранения вызывали отказ смазки, даже когда единственной нагрузкой на подшипник был его собственный вес; [29] полученное повреждение часто представляет собой ложное бринеллирование . [30] Срок службы подшипников является статистическим: несколько образцов данного подшипника часто будут демонстрировать колоколообразную кривую срока службы, при этом несколько образцов показывают значительно лучший или худший срок службы. Срок службы подшипников варьируется, поскольку микроскопическая структура и загрязнение сильно различаются даже там, где макроскопически они кажутся идентичными.
Подшипники часто указываются с указанием срока службы "L10" (США) или "B10" (в других странах), продолжительности, в течение которой десять процентов подшипников в этом применении, как ожидается, выйдут из строя из-за классического усталостного отказа (а не любого другого вида отказа, такого как недостаток смазки, неправильный монтаж и т. д.), или, в качестве альтернативы, продолжительности, в течение которой девяносто процентов все еще будут работать. Срок службы подшипника L10/B10 является теоретическим и может не отражать срок службы подшипника. Подшипники также оцениваются с использованием значения C 0 (статическая нагрузка). Это базовая номинальная нагрузка в качестве справочного значения, а не фактическое значение нагрузки.
Для подшипников скольжения некоторые материалы обеспечивают гораздо более длительный срок службы, чем другие. Некоторые часы Джона Харрисона продолжают работать сотни лет из-за древесины лигнум витае , используемой в их конструкции, в то время как его металлические часы редко ходят из-за потенциального износа.
Подшипники изгиба полагаются на упругие свойства материала. Подшипники изгиба многократно сгибают кусок материала. Некоторые материалы выходят из строя после многократного изгиба, даже при низких нагрузках, но тщательный выбор материала и конструкция подшипника могут сделать срок службы подшипника изгиба неограниченным.
Хотя длительный срок службы подшипника часто желателен, иногда он не является необходимым. Harris 2001 описывает подшипник для кислородного насоса ракетного двигателя, который прослужил несколько часов, что намного превышает несколько десятков минут, необходимых для этого. [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, применяются индивидуальные подходы к расчету 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, включая герметичный подшипник и герметичный на весь срок службы . Они содержат уплотнения , чтобы не допустить попадания грязи и попадания смазки внутрь. Они успешно работают во многих приложениях, обеспечивая работу без обслуживания. Некоторые приложения не могут использовать их эффективно.
Негерметичные подшипники часто имеют масленку для периодической смазки с помощью смазочного шприца или масляную чашку для периодической заправки маслом. До 1970-х годов герметичные подшипники не встречались на большинстве машин, а смазывание и нанесение консистентной смазки были более распространенной деятельностью, чем сегодня. Например, автомобильные шасси раньше требовали «смазочных работ» 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 смазчиками, для частой смазки машин с помощью масленок .
Сегодня заводские машины обычно имеют системы смазки , в которых центральный насос периодически подает масло или смазку из резервуара через смазочные линии в различные точки смазки на опорных поверхностях машины , шейках подшипников, опорных подшипниках и т. д. Время и количество таких циклов смазки контролируются компьютеризированным управлением машины, таким как ПЛК или ЧПУ , а также функциями ручного управления, когда это иногда необходимо. Этот автоматизированный процесс - то, как смазываются все современные станки с ЧПУ и многие другие заводские машины. Подобные системы смазки используются также на неавтоматизированных машинах, в этом случае есть ручной насос , который оператор машины должен качать один раз в день (для машин, находящихся в постоянном использовании) или один раз в неделю. Они называются одноразовыми системами из-за их главного коммерческого аргумента: одно нажатие на одну ручку, чтобы смазать всю машину, вместо дюжины насосов пистолета-распылителя или масленки в дюжине различных положений вокруг машины.
Система смазки внутри современного автомобильного или грузового двигателя по своей концепции похожа на системы смазки, упомянутые выше, за исключением того, что масло качается непрерывно. Большая часть этого масла протекает через каналы, просверленные или отлитые в блоке двигателя и головках цилиндров , вытекая через порты прямо на подшипники и разбрызгивая в других местах, чтобы обеспечить масляную ванну. Масляный насос просто качает непрерывно, и любое избыточное перекачиваемое масло непрерывно вытекает через предохранительный клапан обратно в поддон.
Многие подшипники, эксплуатируемые в промышленных условиях с высокой цикличностью, нуждаются в периодической смазке и очистке, а многим требуется периодическая регулировка, например, регулировка предварительной нагрузки, чтобы свести к минимуму последствия износа.
Срок службы подшипника часто намного дольше, когда подшипник содержится в чистоте и хорошо смазан. Однако многие приложения затрудняют хорошее обслуживание. Одним из примеров являются подшипники в конвейере камнедробилки, которые постоянно подвергаются воздействию твердых абразивных частиц. Чистка бесполезна, поскольку чистка стоит дорого, но подшипник снова загрязняется, как только конвейер возобновляет работу. Таким образом, хорошая программа обслуживания может часто смазывать подшипники, но не включать разборку для очистки. Частая смазка по своей природе обеспечивает ограниченный вид очищающего действия, вытесняя старое (заполненное песком) масло или смазку свежим зарядом, который сам собирает песок, прежде чем будет вытеснен следующим циклом. Другим примером являются подшипники в ветряных турбинах, что затрудняет обслуживание, поскольку гондола расположена высоко в воздухе в районах с сильным ветром. Кроме того, турбина не всегда работает и подвергается разному рабочему поведению в разных погодных условиях, что делает надлежащую смазку сложной задачей. [32]
Производители :
...
Египтяне использовали деревянные сани для перевозки камня, но до сих пор не было полностью понятно, как они преодолели проблему трения.
[... Они] помещали тяжелые предметы на сани, которые рабочие тащили по песку.
[...] «Исследования
... показали, что египтяне, вероятно, смачивали песок пустыни перед санями».
[...] Еще одним доказательством того, что египтяне использовали воду, является настенная роспись в гробнице Джехутихотепа. На ней изображен всплеск оранжевого и серого цветов, на котором, по-видимому, изображен человек, стоящий впереди массивных саней и выливающий воду на песок прямо перед движущимися санями.
через UTexas.edu.Воган по-прежнему считается их изобретателем, хотя ... некоторые римские корабли Неми, датируемые примерно 40 г. н. э., включали их в свою конструкцию, а Леонардо да Винчи ... приписывают первое изобретение принципа шарикоподшипников, хотя он не использовал их для своих изобретений. Другой итальянец, Галилей, описал использование шарика в сепараторе.
