В машиностроении подшипник качения , также известный как подшипник качения , [1] представляет собой подшипник , который несет нагрузку путем размещения элементов качения (таких как шарики или ролики) между двумя концентрическими кольцами с канавками , называемыми дорожками качения . Относительное движение дорожек качения заставляет элементы качения катиться с очень малым сопротивлением качению и с небольшим скольжением .
Одним из самых ранних и самых известных подшипников качения являются наборы бревен, уложенных на землю с большим каменным блоком сверху. Когда камень тянут, бревна катятся по земле с небольшим трением скольжения . Когда каждое бревно выходит сзади, оно перемещается вперед, где блок затем катится на него. Можно имитировать такой подшипник, положив несколько ручек или карандашей на стол и поместив на них какой-либо предмет. Подробнее об историческом развитии подшипников см. в разделе « Подшипники ».
Вращающийся подшипник качения использует вал в гораздо большем отверстии, а сферы или цилиндры, называемые «роликами», плотно заполняют пространство между валом и отверстием. Когда вал вращается, каждый ролик действует как бревна в приведенном выше примере. Однако, поскольку подшипник круглый, ролики никогда не выпадают из-под нагрузки.
Подшипники качения имеют преимущество хорошего компромисса между стоимостью, размером, весом, грузоподъемностью, долговечностью, точностью, трением и т. д. Другие конструкции подшипников часто лучше по одному конкретному атрибуту, но хуже по большинству других атрибутов, хотя жидкостные подшипники иногда могут одновременно превосходить по грузоподъемности, долговечности, точности, трению, скорости вращения и иногда по стоимости. Только подшипники скольжения используются так же широко, как подшипники качения. Обычные механические компоненты, где они широко используются, — это автомобильные, промышленные, морские и аэрокосмические приложения. Они являются продуктами, крайне необходимыми для современных технологий. Подшипник качения был разработан на прочном фундаменте, который строился на протяжении тысяч лет. Эта концепция возникла в своей примитивной форме во времена Римской империи . [2] После длительного периода бездействия в Средние века она была возрождена в эпоху Возрождения Леонардо да Винчи и постоянно развивалась в семнадцатом и восемнадцатом веках.
Описание дизайна
Подшипники, особенно подшипники качения, имеют одинаковую конструкцию и состоят из внешней и внутренней дорожки, центрального отверстия, фиксатора, предотвращающего столкновение тел качения друг с другом или заедание движения подшипника, а также самих тел качения. [1]
Внутренние компоненты качения могут отличаться по конструкции в зависимости от предполагаемого назначения применения подшипника. Основными пятью типами подшипников являются шариковые, цилиндрические, конические, бочкообразные и игольчатые. [2]
Мяч - простейший, следующий основным принципам с минимальным намерением дизайна. Важно отметить, что способность к большему количеству захватов, вероятно, обусловлена свободой дизайна дорожки.
Цилиндрический - Для одноосного движения для прямолинейного движения. Форма позволяет большей площади поверхности контактировать, что позволяет перемещать больший вес с меньшей силой на большее расстояние.
Конусный — в первую очередь ориентирован на способность воспринимать осевую и радиальную нагрузку, что достигается за счет использования конической структуры, позволяющей элементам вращаться по диагонали.
Баррель — обеспечивает поддержку высоких радиальных нагрузок на носки, вызывающих несоосность, и использует свою форму и размер для компенсации. [7]
Игольчатые подшипники — различающиеся по размеру, диаметру и материалам, эти типы подшипников лучше всего подходят для снижения веса, а также для применения в меньших поперечных сечениях, как правило, с более высокой грузоподъемностью, чем шариковые подшипники и применения с жестким валом. [8]
Особенно распространенным типом подшипника качения является шариковый подшипник . Подшипник имеет внутреннюю и внешнюю дорожки качения , между которыми катятся шарики . Каждая дорожка качения имеет канавку, обычно сформированную так, чтобы шарик сидел немного свободно. Таким образом, в принципе, шарик контактирует с каждой дорожкой качения на очень узкой площади. Однако нагрузка на бесконечно малую точку вызовет бесконечно большое контактное давление. На практике шарик слегка деформируется (сплющивается) там, где он контактирует с каждой дорожкой качения, так же как шина сплющивается там, где она контактирует с дорогой. Дорожка качения также слегка прогибается там, где каждый шарик давит на нее. Таким образом, контакт между шариком и дорожкой качения имеет конечный размер и оказывает конечное давление. Деформированный шарик и дорожка качения не катятся полностью гладко, потому что разные части шарика движутся с разной скоростью при его качении. Таким образом, при каждом контакте шарика/дорожки качения возникают противодействующие силы и скользящие движения. В целом, это вызывает сопротивление подшипника.
Роликовые подшипники являются самым ранним известным типом подшипников качения, датируемым как минимум 40 г. до н. э. Обычные роликовые подшипники используют цилиндры немного большей длины, чем диаметр. Роликовые подшипники обычно имеют более высокую радиальную грузоподъемность, чем шариковые подшипники, но меньшую грузоподъемность и большее трение при осевых нагрузках. Если внутренние и внешние кольца не выровнены, грузоподъемность подшипника часто быстро падает по сравнению с шариковым подшипником или сферическим роликовым подшипником.
Как и во всех радиальных подшипниках, внешняя нагрузка непрерывно перераспределяется между роликами. Часто менее половины от общего числа роликов несут значительную часть нагрузки. Анимация справа показывает, как статическая радиальная нагрузка поддерживается роликами подшипника при вращении внутреннего кольца.
Сферические роликовые подшипники имеют наружную дорожку качения с внутренней сферической формой. Ролики толще в середине и тоньше на концах. Таким образом, сферические роликовые подшипники могут компенсировать как статическую, так и динамическую несоосность. Однако сферические ролики сложно изготавливать, и поэтому они дороги, а подшипники имеют более высокое трение, чем идеальный цилиндрический или конический роликовый подшипник, поскольку между телами качения и дорожками качения будет определенное скольжение.
Подшипники зубчатых передач похожи на планетарную передачу . Они состоят из ряда более мелких «сателлитных» шестерен, которые вращаются вокруг центра подшипника по дорожке на внешней стороне внутренних и сателлитных шестерен и на внутренней стороне внешней шестерни. Недостатком этого подшипника является сложность производства.
Конические роликовые подшипники используют конические ролики, которые вращаются по коническим дорожкам качения. Большинство роликовых подшипников воспринимают только радиальные или осевые нагрузки, но конические роликовые подшипники выдерживают как радиальные, так и осевые нагрузки и, как правило, могут выдерживать более высокие нагрузки, чем шариковые подшипники, благодаря большей площади контакта. Конические роликовые подшипники используются, например, в качестве подшипников ступицы большинства колесных наземных транспортных средств. Недостатком этого подшипника является то, что из-за сложностей производства конические роликовые подшипники обычно дороже шариковых подшипников; и, кроме того, при больших нагрузках конический ролик похож на клин, и нагрузки на подшипник имеют тенденцию пытаться вытолкнуть ролик; сила от воротника, которая удерживает ролик в подшипнике, увеличивает трение подшипника по сравнению с шариковыми подшипниками.
Игольчатый роликовый подшипник — это особый тип роликового подшипника, в котором используются длинные, тонкие цилиндрические ролики, напоминающие иглы. Часто концы роликов сужаются к точкам, и они используются для удержания роликов в плену, или они могут быть полусферическими и не плененными, а удерживаться самим валом или аналогичным устройством. Поскольку ролики тонкие, наружный диаметр подшипника лишь немного больше отверстия в середине. Однако ролики малого диаметра должны резко изгибаться в месте контакта с дорожками качения, и поэтому подшипник устает относительно быстро.
Подшипники CARB представляют собой тороидальные роликовые подшипники, похожие на сферические роликовые подшипники , но могут компенсировать как угловое смещение, так и осевое смещение. [9] По сравнению со сферическим роликовым подшипником их радиус кривизны больше, чем радиус сферы, что делает их промежуточной формой между сферическими и цилиндрическими роликами. Их ограничение заключается в том, что, как и цилиндрический ролик, они не фиксируются в осевом направлении. Подшипники CARB обычно используются в паре с фиксирующим подшипником, таким как сферический роликовый подшипник . [9] Этот нефиксирующий подшипник может быть преимуществом, поскольку он может использоваться для того, чтобы вал и корпус могли подвергаться тепловому расширению независимо друг от друга.
Тороидальные роликовые подшипники были представлены в 1995 году компанией SKF как «подшипники CARB». [8] Изобретателем подшипника был инженер Магнус Келлстрём. [10]
Конфигурация дорожек качения определяет типы движений и нагрузок, которые подшипник может лучше всего выдерживать. Данная конфигурация может обслуживать несколько из следующих типов нагрузки.
Упорные подшипники используются для поддержки осевых нагрузок, таких как вертикальные валы. Обычные конструкции — это упорные шариковые подшипники , сферические роликовые упорные подшипники , конические роликовые упорные подшипники или цилиндрические роликовые упорные подшипники. Также подшипники без элементов качения, такие как гидростатические или магнитные подшипники, находят применение там, где требуются особенно большие нагрузки или низкое трение.
Подшипники качения часто используются для осей из-за их низкого трения качения. Для легких грузов, таких как велосипеды, часто используются шариковые подшипники. Для тяжелых грузов и там, где нагрузки могут значительно меняться при поворотах, таких как автомобили и грузовики, используются конические роликовые подшипники.
Подшипники качения с линейным движением обычно предназначены либо для валов, либо для плоских поверхностей. Подшипники с плоской поверхностью часто состоят из роликов и устанавливаются в сепаратор, который затем помещается между двумя плоскими поверхностями; распространенным примером является крепеж для выдвижных ящиков. Подшипники качения с роликовым элементом для вала используют шарики подшипника в канавке, предназначенной для их рециркуляции от одного конца к другому при движении подшипника; как таковые, они называются линейными шарикоподшипниками [11] или рециркуляционными подшипниками .
Подшипники качения часто хорошо работают в неидеальных условиях, но иногда незначительные проблемы приводят к быстрому и загадочному выходу подшипников из строя. Например, при неподвижной (невращающейся) нагрузке небольшие вибрации могут постепенно выдавливать смазку между дорожками качения и роликами или шариками ( ложное бринеллирование ). Без смазки подшипник выходит из строя, даже если он не вращается и, таким образом, по-видимому, не используется. По этим причинам большая часть проектирования подшипников заключается в анализе отказов. Анализ на основе вибрации может использоваться для идентификации неисправностей подшипников. [12]
Существует три обычных ограничения срока службы или грузоподъемности подшипника: истирание, усталость и сваривание под давлением.
Хотя существует множество других очевидных причин выхода подшипников из строя, большинство из них можно свести к этим трём. Например, подшипник, работающий без смазки, выходит из строя не потому, что он «без смазки», а потому, что недостаток смазки приводит к усталости и свариванию, а образующиеся в результате частицы износа могут вызывать абразивный износ. Аналогичные события происходят при ложном бринеллировании. В высокоскоростных приложениях поток масла также снижает температуру металла подшипника за счёт конвекции. Масло становится теплоотводом для потерь на трение, создаваемых подшипником.
ISO классифицировала отказы подшипников в документе под номером ISO 15243.
Срок службы подшипника качения выражается как число оборотов или количество часов работы на заданной скорости, которые подшипник способен выдержать до появления первых признаков усталости металла (также известных как выкрашивание ) на дорожке качения внутреннего или наружного кольца или на элементе качения. Расчет срока службы подшипников возможен с помощью так называемых моделей срока службы. Более конкретно, модели срока службы используются для определения размера подшипника, поскольку этого должно быть достаточно, чтобы гарантировать, что подшипник достаточно прочен, чтобы обеспечить требуемый срок службы при определенных условиях эксплуатации.
Однако в контролируемых лабораторных условиях, казалось бы, идентичные подшипники, работающие в идентичных условиях, могут иметь разные индивидуальные сроки службы. Таким образом, срок службы подшипника не может быть рассчитан на основе конкретных подшипников, но вместо этого он связан со статистическими терминами, относящимися к популяциям подшипников. Вся информация относительно номинальных нагрузок затем основана на сроке службы, которого 90% достаточно большой группы, по-видимому, идентичных подшипников, как ожидается, достигнут или превысят. Это дает более четкое определение концепции срока службы подшипника, что необходимо для расчета правильного размера подшипника. Таким образом, модели срока службы могут помочь более реалистично прогнозировать производительность подшипника.
Прогнозирование срока службы подшипников описано в стандарте ISO 281 [13] и стандартах ANSI /Американской ассоциации производителей подшипников 9 и 11. [14]
Традиционная модель прогнозирования срока службы подшипников качения использует базовое уравнение срока службы: [15]
Где:
Базовый срок службы или срок службы, которого 90% подшипников, как ожидается, достигнут или превысят. [13] Медианный или средний срок службы, иногда называемый средним временем между отказами (MTBF), примерно в пять раз превышает расчетный базовый номинальный срок службы. [15] Несколько факторов, « пятифакторная модель ASME » [16], могут использоваться для дальнейшей корректировки срока службы в зависимости от желаемой надежности, смазки, загрязнения и т. д.
Главным следствием этой модели является то, что срок службы подшипника конечен и уменьшается на кубическую степень отношения между расчетной нагрузкой и приложенной нагрузкой. Эта модель была разработана в 1924, 1947 и 1952 годах Арвидом Палмгреном и Густавом Лундбергом в их статье « Динамическая емкость подшипников качения» . [16] [17] Модель датируется 1924 годом, значения константы взяты из послевоенных работ. Более высокие значения можно рассматривать как более длительный срок службы правильно используемого подшипника ниже его расчетной нагрузки, или также как увеличенную скорость, на которую сокращается срок службы при перегрузке.
Эта модель была признана неточной для современных подшипников. В частности, из-за улучшения качества подшипниковых сталей механизмы развития отказов в модели 1924 года уже не столь значимы. К 1990-м годам было обнаружено, что реальные подшипники имеют срок службы в 14 раз больше, чем прогнозировалось. [16] Было выдвинуто объяснение, основанное на усталостной долговечности ; если бы подшипник был нагружен так, чтобы никогда не превышать усталостную прочность , то механизм Лундберга-Пальмгрена для отказа от усталости просто никогда бы не произошел. [16] Это основывалось на однородных сталях, выплавленных в вакууме, таких как AISI 52100, которые избегали внутренних включений, которые ранее действовали как концентраторы напряжений в элементах качения, а также на более гладких отделках дорожек подшипников, которые избегали ударных нагрузок. [14] Теперь константа имела значения 4 для шариковых и 5 для роликовых подшипников. При условии соблюдения пределов нагрузки в расчеты срока службы подшипников вошла идея «предела усталости». Если подшипник не нагружался сверх этого предела, его теоретический срок службы ограничивался бы только внешними факторами, такими как загрязнение или отказ смазки.
Новая модель срока службы подшипников была предложена FAG и разработана SKF как модель Иоаннидеса-Харриса. [17] [18] ISO 281:2000 впервые включил эту модель, а ISO 281:2007 основан на ней.
Концепция предела усталости и, следовательно, стандарт ISO 281:2007 остаются спорными, по крайней мере в США. [14] [16]
В 2015 году была представлена обобщенная модель срока службы подшипников SKF (GBLM). [19] В отличие от предыдущих моделей срока службы, GBLM явно разделяет поверхностные и подповерхностные режимы отказа, что делает модель гибкой для учета нескольких различных режимов отказа. Современные подшипники и приложения показывают меньше отказов, но отказы, которые происходят, больше связаны с поверхностными напряжениями. Разделяя поверхность от подповерхности, можно легче определить смягчающие механизмы. GBLM использует передовые модели трибологии [20] для введения функции режима отказа поверхностного разрушения, полученной из оценки усталости поверхности. Для подповерхностной усталости GBLM использует классическую модель контакта качения Герца. При всем этом GBLM включает эффекты смазки, загрязнения и свойств поверхности дорожки качения, которые вместе влияют на распределение напряжений в контакте качения.
В 2019 году была перезапущена обобщенная модель срока службы подшипников. Обновленная модель также предлагает расчеты срока службы для гибридных подшипников, т. е. подшипников со стальными кольцами и керамическими (нитрид кремния) телами качения. [21] [22] Даже если релиз GBLM 2019 года был в первую очередь разработан для реалистичного определения срока службы гибридных подшипников, эту концепцию можно использовать и для других продуктов и видов отказов.
Все части подшипника подвержены многим конструктивным ограничениям. Например, внутренние и внешние дорожки качения часто имеют сложную форму, что затрудняет их изготовление. Шарики и ролики, хотя и более простые по форме, имеют небольшие размеры; поскольку они резко изгибаются там, где они движутся по дорожкам качения, подшипники склонны к усталости. Нагрузки внутри подшипникового узла также зависят от скорости работы: подшипники качения могут вращаться со скоростью более 100 000 об/мин, и основной нагрузкой в таком подшипнике может быть импульс, а не приложенная нагрузка. Меньшие элементы качения легче и, следовательно, имеют меньший импульс, но меньшие элементы также изгибаются более резко там, где они соприкасаются с дорожкой качения, заставляя их быстрее выходить из строя из-за усталости. Максимальные скорости подшипников качения часто указываются в «nD m », что является произведением среднего диаметра (в мм) и максимальной скорости вращения. Для радиально-упорных подшипников nD m s более 2,1 миллиона были признаны надежными в высокопроизводительных ракетных приложениях. [23]
Также есть много проблем с материалами: более твердый материал может быть более устойчивым к истиранию, но с большей вероятностью подвержен усталостному разрушению, поэтому материал меняется в зависимости от области применения, и хотя сталь является наиболее распространенной для подшипников качения, пластик, стекло и керамика также широко используются. Небольшой дефект (неравномерность) в материале часто является причиной выхода подшипника из строя; одним из самых больших улучшений в сроке службы обычных подшипников во второй половине 20-го века стало использование более однородных материалов, а не лучших материалов или смазок (хотя и то, и другое также было значительным). Свойства смазочных материалов меняются в зависимости от температуры и нагрузки, поэтому лучшая смазка меняется в зависимости от области применения.
Хотя подшипники имеют тенденцию изнашиваться в процессе использования, конструкторы могут найти компромисс между размером подшипника и стоимостью и сроком службы. Подшипник может прослужить бесконечно долго — дольше, чем остальная часть машины, — если его держать в прохладном месте, чистым, смазанным, эксплуатировать в пределах номинальной нагрузки и если материалы подшипника в достаточной степени свободны от микроскопических дефектов. Таким образом, охлаждение, смазка и герметизация являются важными частями конструкции подшипника.
Необходимый срок службы подшипника также варьируется в зависимости от области применения. Например, Тедрик А. Харрис в своем анализе подшипников качения [24] сообщает о подшипнике кислородного насоса в американском космическом челноке , который не мог быть должным образом изолирован от перекачиваемого жидкого кислорода . Все смазочные материалы реагировали с кислородом, что приводило к пожарам и другим отказам. Решением было смазывать подшипник кислородом. Хотя жидкий кислород является плохой смазкой, этого было достаточно, поскольку срок службы насоса составлял всего несколько часов.
Условия эксплуатации и потребности в обслуживании также являются важными факторами проектирования. Некоторые подшипниковые узлы требуют регулярного добавления смазочных материалов, в то время как другие герметизированы на заводе , не требуя дальнейшего обслуживания в течение срока службы механического узла. Хотя уплотнения привлекательны, они увеличивают трение, и в постоянно герметизированном подшипнике смазка может загрязняться твердыми частицами, такими как стальная стружка из дорожки качения или подшипника, песок или гравий, которые проникают сквозь уплотнение. Загрязнение в смазке является абразивным и значительно сокращает срок службы подшипникового узла. Еще одной основной причиной выхода из строя подшипника является наличие воды в смазочном масле. В последние годы были введены онлайн-мониторы воды в масле для мониторинга воздействия как частиц, так и наличия воды в масле и их совместного эффекта.
Метрические подшипники качения имеют буквенно-цифровые обозначения, определенные ISO 15, для определения всех физических параметров. Основное обозначение представляет собой семизначное число с дополнительными буквенно-цифровыми цифрами до или после для определения дополнительных параметров. Здесь цифры будут определены как: 7654321. Любые нули слева от последней определенной цифры не печатаются; например, обозначение 0007208 печатается как 7208. [25]
Цифры один и два вместе используются для определения внутреннего диаметра (ВД) или диаметра отверстия подшипника. Для диаметров от 20 до 495 мм включительно обозначение умножается на пять, чтобы получить ВД; например, обозначение 08 соответствует ВД 40 мм. Для внутренних диаметров менее 20 используются следующие обозначения: 00 = ВД 10 мм, 01 = ВД 12 мм, 02 = ВД 15 мм и 03 = ВД 17 мм. Третья цифра определяет «серию диаметра», которая определяет наружный диаметр (НД). Серия диаметра, определяемая в порядке возрастания, следующая: 0, 8, 9, 1, 7, 2, 3, 4, 5, 6. Четвертая цифра определяет тип подшипника: [25]
Пятая и шестая цифры определяют структурные модификации подшипника. Например, на радиальных упорных подшипниках цифры определяют угол контакта или наличие уплотнений на любом типе подшипника. Седьмая цифра определяет «серию ширины» или толщину подшипника. Серия ширины, определяемая от самой легкой к самой тяжелой, следующая: 7, 8, 9, 0, 1 (сверхлегкая серия), 2 (легкая серия), 3 (средняя серия), 4 (тяжелая серия). Третья и седьмая цифры определяют «размерную серию» подшипника. [25] [26]
Существует четыре необязательных префиксных символа, здесь определяемых как A321-XXXXXXX (где X являются основным обозначением), которые отделяются от основного обозначения тире. Первый символ, A, представляет собой класс подшипника, который определяется в порядке возрастания: C, B, A. Класс определяет дополнительные требования к вибрации, отклонениям формы, допускам поверхности качения и другим параметрам, которые не определяются символом обозначения. Второй символ представляет собой момент трения (трение), который определяется в порядке возрастания числом 1–9. Третий символ представляет собой радиальный зазор, который обычно определяется числом от 0 до 9 (включительно) в порядке возрастания, однако для радиально-упорных подшипников он определяется числом от 1 до 3 включительно. Четвертый символ представляет собой классы точности, которые обычно определяются в порядке возрастания: 0 (нормальный), 6X, 6, 5, 4, T и 2. Классы 0 и 6 являются наиболее распространенными; Рейтинги 5 и 4 используются в высокоскоростных приложениях; рейтинг 2 используется в гироскопах . Для конических подшипников значения в порядке возрастания: 0, N и X, где 0 — это 0, N — «нормальный», а X — это 6X. [25]
Существует пять дополнительных символов, которые могут быть определены после основного обозначения: A, E, P, C и T; они прикрепляются непосредственно к концу основного обозначения. В отличие от префикса, не все обозначения должны быть определены. «A» указывает на повышенную динамическую грузоподъемность. «E» указывает на использование пластикового сепаратора. «P» указывает на использование жаропрочной стали. «C» указывает на тип используемой смазки (C1–C28). «T» указывает на степень закалки компонентов подшипника ( T1–T5). [25]
Хотя производители следуют стандарту ISO 15 для обозначения номеров деталей на некоторых своих продуктах, они часто внедряют собственные системы номеров деталей, которые не соответствуют стандарту ISO 15. [27]
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )