В машиностроении подшипник качения , также известный как подшипник качения , [1] представляет собой подшипник , который несет нагрузку за счет размещения тел качения (таких как шарики или ролики) между двумя концентрическими кольцами с канавками , называемыми дорожками качения . Относительное движение дорожек заставляет тела качения катиться с очень небольшим сопротивлением качению и с небольшим скольжением .
Одними 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 затем на него катится блок. Имитировать такую осанку можно, положив на стол несколько ручек или карандашей и положив на них какой-нибудь предмет. См. раздел « Подшипники », чтобы узнать больше об историческом развитии подшипников.
Во вращающемся подшипнике с телом качения вал находится в гораздо большем отверстии, а сферы или цилиндры, называемые «роликами», плотно заполняют пространство между валом и отверстием. Когда вал вращается, каждый ролик действует как бревно в приведенном выше примере. Однако, поскольку подшипник круглый, ролики никогда не выпадают из-под нагрузки.
Преимущество подшипников качения заключается в хорошем компромиссе между стоимостью, размером, весом, грузоподъемностью, долговечностью, точностью, трением и так далее. Другие конструкции подшипников зачастую лучше по одному конкретному атрибуту, но хуже по большинству других показателей, хотя жидкостные подшипники иногда могут одновременно превосходить их по несущей способности, долговечности, точности, трению, скорости вращения, а иногда и по стоимости. Только подшипники скольжения используются так широко, как подшипники качения. Обычными механическими компонентами, в которых они широко используются, являются автомобильная, промышленная, морская и аэрокосмическая промышленность. Это продукты, крайне необходимые для современной технологии. Подшипник качения был разработан на прочной основе, которая строилась на протяжении тысячелетий. Эта концепция возникла в своей примитивной форме во времена Римской империи ; [2] после длительного периода бездействия в средние века, он был возрожден в эпоху Возрождения Леонардо да Винчи и устойчиво развивался в семнадцатом и восемнадцатом веках.
В подшипниках качения используются пять типов тел качения: шарики, цилиндрические ролики, сферические ролики, конические ролики и игольчатые ролики.
Большинство подшипников качения имеют сепараторы. Сепараторы уменьшают трение, износ и заедание, предотвращая трение элементов друг о друга. Роликоподшипники с сепаратором были изобретены Джоном Харрисоном в середине 18 века в рамках его работы над хронометрами. [3]
Подшипники качения могут иметь диаметр от 10 мм до нескольких метров и иметь грузоподъемность от нескольких десятков граммов до многих тысяч тонн.
Особенно распространенным видом подшипников качения является шарикоподшипник . Подшипник имеет внутренние и наружные кольца , между которыми катятся шарики . На каждой дорожке имеется канавка, обычно такой формы, чтобы шар прилегал слегка свободно. Таким образом, в принципе, мяч контактирует с каждой гонкой на очень узкой площади. Однако нагрузка на бесконечно малую точку вызовет бесконечно высокое контактное давление. На практике мяч слегка деформируется (сплющивается) в местах соприкосновения с каждой дорожкой, подобно тому, как шина сплющивается в месте соприкосновения с дорогой. Гонка также немного уступает там, где каждый мяч прижимается к ней. Таким образом, контакт между шаром и дорожкой имеет конечный размер и имеет конечное давление. Деформированный шар и кольцо катятся не совсем плавно, потому что разные части мяча при катании движутся с разной скоростью. Таким образом, при каждом контакте мяча с дорожкой действуют противодействующие силы и скользящие движения. В целом, это вызывает сопротивление подшипника.
Роликоподшипники — самый ранний известный тип подшипников качения, датируемый как минимум 40 годом до нашей эры. В обычных роликовых подшипниках используются цилиндры, длина которых немного превышает диаметр. Роликоподшипники обычно имеют более высокую радиальную грузоподъемность, чем шарикоподшипники, но меньшую грузоподъемность и более высокое трение при осевых нагрузках. Если внутреннее и внешнее кольца несоосны, несущая способность часто быстро падает по сравнению с шарикоподшипником или сферическим роликоподшипником.
Как и во всех радиальных подшипниках, внешняя нагрузка постоянно перераспределяется между роликами. Зачастую значительную часть нагрузки несет менее половины общего числа роликов. Анимация справа показывает, как статическая радиальная нагрузка воспринимается роликами подшипника при вращении внутреннего кольца.
Сферические роликоподшипники имеют внешнее кольцо внутренней сферической формы. Валики толще посередине и тоньше на концах. Таким образом, сферические роликоподшипники могут компенсировать как статическое, так и динамическое смещение. Однако сферические ролики сложны в производстве и, следовательно, дороги, а подшипники имеют более высокое трение, чем идеальные цилиндрические или конические роликоподшипники, поскольку между телами качения и дорожками качения будет определенная степень скольжения.
Зубчатый подшипник представляет собой роликовый подшипник, соединенный с планетарной передачей. Каждый его элемент представляет собой концентрическое чередование роликов и шестерен с равенством диаметра(ов) ролика(ов) делительному диаметру(ам) шестерни(ей). Ширина сопряженных роликов и шестерен в парах одинакова. Зацепление имеет форму «елочки» или со скошенными торцами для обеспечения эффективного осевого контакта качения. Недостатком этого подшипника является сложность изготовления. Зубчатые подшипники могут быть использованы, например, в качестве эффективной поворотной подвески, кинематически упрощенного планетарного механизма в измерительных приборах и часах.
В конических роликоподшипниках используются конические ролики, которые вращаются по коническим дорожкам качения. Большинство роликоподшипников воспринимают только радиальные или осевые нагрузки, но конические роликоподшипники выдерживают как радиальные, так и осевые нагрузки и, как правило, могут выдерживать более высокие нагрузки, чем шарикоподшипники, из-за большей площади контакта. Конические роликоподшипники используются, например, в качестве ступичных подшипников большинства колесных наземных транспортных средств. Недостатком этого подшипника является то, что из-за сложности производства конические роликоподшипники обычно дороже шариковых; Кроме того, при больших нагрузках конический ролик похож на клин, и нагрузки на подшипники стремятся вытолкнуть ролик; сила воротника, удерживающая ролик в подшипнике, увеличивает трение подшипника по сравнению с шарикоподшипниками.
В игольчатых роликоподшипниках используются очень длинные и тонкие цилиндры. Часто концы роликов сужаются к точкам, и они используются для удержания роликов, или они могут быть полусферическими, а не удерживаться, а удерживаться самим валом или аналогичным устройством. Поскольку ролики тонкие, внешний диаметр подшипника лишь немного больше отверстия посередине. Однако ролики малого диаметра должны резко изгибаться в местах контакта с дорожками качения, и поэтому подшипник относительно быстро утомляется .
Подшипники CARB представляют собой тороидальные роликоподшипники и аналогичны сферическим роликоподшипникам , но могут компенсировать как угловое смещение, так и осевое смещение. [4] По сравнению со сферическими роликоподшипниками их радиус кривизны больше, чем мог бы быть сферический радиус, что делает их промежуточной формой между сферическими и цилиндрическими роликами. Их ограничением является то, что они, как и цилиндрический ролик, не располагаются в осевом направлении. Подшипники CARB обычно используются в паре с фиксирующим подшипником, например сферическим роликоподшипником . [4] Этот неподвижный подшипник может быть преимуществом, поскольку его можно использовать для независимого термического расширения вала и корпуса.
Тороидальные роликоподшипники были представлены компанией SKF в 1995 году как «подшипники CARB». [5] Изобретателем подшипника был инженер Магнус Келлстрем. [6]
Конфигурация дорожек определяет типы движений и нагрузки, которые подшипник может лучше всего выдерживать. Данная конфигурация может обслуживать несколько следующих типов загрузки.
Упорные подшипники используются для поддержки осевых нагрузок, таких как вертикальные валы. Распространенными конструкциями являются упорные шарикоподшипники , упорные сферические роликоподшипники , упорные конические роликоподшипники или упорные цилиндрические роликоподшипники. Также подшипники качения, такие как гидростатические или магнитные подшипники, находят применение там, где необходимы особенно большие нагрузки или низкое трение.
Подшипники качения часто используются для осей из-за низкого трения качения. Для легких грузов, например велосипедов, часто используются шарикоподшипники. Для тяжелых нагрузок и там, где нагрузки могут сильно меняться во время прохождения поворотов, например, в легковых и грузовых автомобилях, используются конические подшипники качения.
Роликоподшипники линейного перемещения обычно предназначены для работы на валах или на плоских поверхностях. Подшипники с плоской поверхностью часто состоят из роликов и устанавливаются в сепараторе, который затем помещается между двумя плоскими поверхностями; Типичным примером является оборудование для поддержки выдвижных ящиков. В роликоподшипниках для вала используются шарики подшипника в канавке, предназначенной для рециркуляции их от одного конца к другому при движении подшипника; как таковые, они называются линейными шарикоподшипниками [7] или подшипниками рециркуляции .
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 и роликами или шариками ( ложное бринеллирование ). Без смазки подшипник выйдет из строя, хотя он не вращается и, по всей видимости, не используется. По этим причинам большая часть проектирования подшипников связана с анализом отказов. Анализ на основе вибрации можно использовать для выявления неисправностей подшипников. [8]
Существует три обычных ограничения срока службы или несущей способности подшипника: истирание, усталость и сварка под давлением.
Хотя существует множество других очевидных причин выхода из строя подшипников, большинство из них можно свести к этим трем. Например, подшипник, в котором отсутствует смазка, выходит из строя не потому, что он «без смазки», а потому, что недостаток смазки приводит к усталости и сварке, а образующиеся в результате износа могут вызвать истирание. Аналогичные события происходят при повреждении ложным бринеллированием. В высокоскоростных приложениях поток масла также снижает температуру металла подшипника за счет конвекции. Масло становится теплоотводом потерь на трение, создаваемых подшипником.
ISO классифицировала неисправности подшипников в документе под номером ISO 15243.
Срок службы подшипника качения выражается количеством оборотов или количеством часов работы при заданной скорости, которую подшипник способен выдержать до того, как на дорожке внутреннего кольца появятся первые признаки усталости металла (также известные как растрескивание ). или наружном кольце, или на телеге качения. Рассчитать ресурс подшипников можно с помощью так называемых моделей ресурса. В частности, модели срока службы используются для определения размера подшипника, поскольку этого должно быть достаточно, чтобы обеспечить достаточную прочность подшипника для обеспечения требуемого срока службы в определенных определенных условиях эксплуатации.
Однако в контролируемых лабораторных условиях внешне идентичные подшипники, работающие в одинаковых условиях, могут иметь разный индивидуальный срок службы. Таким образом, срок службы подшипников не может быть рассчитан на основе конкретных подшипников, а вместо этого связан со статистическими терминами, относящимися к совокупности подшипников. Вся информация, касающаяся номинальной нагрузки, тогда основана на сроке службы, которого можно ожидать или превысит 90% достаточно большой группы внешне идентичных подшипников. Это дает более четкое определение понятия срока службы подшипника, что необходимо для расчета правильного размера подшипника. Таким образом, модели эксплуатации могут помочь более реалистично прогнозировать работу подшипника.
Прогноз срока службы подшипников описан в стандарте ISO 281 [9] и стандартах 9 и 11 ANSI /Американской ассоциации производителей подшипников. [10]
Традиционная модель прогнозирования срока службы подшипников качения использует основное уравнение срока службы: [11]
Где:
Базовый срок службы или срок службы, которого, как ожидается, достигнет или превысит 90% подшипников. [9] Средний или средний срок службы, иногда называемый средним временем наработки на отказ (MTBF), примерно в пять раз превышает расчетный базовый номинальный срок службы. [11] Несколько факторов, « пятифакторная модель ASME », [12] могут использоваться для дальнейшей корректировки срока службы в зависимости от желаемой надежности, смазки, загрязнения и т. д.
Основным следствием этой модели является то, что срок службы подшипников конечен и уменьшается в кубической степени отношения между расчетной нагрузкой и приложенной нагрузкой. Эта модель была разработана в 1924, 1947 и 1952 годах Арвидом Пальмгреном и Густавом Лундбергом в их статье « Динамическая емкость подшипников качения ». [12] [13] Модель датируется 1924 годом, значения константы из послевоенных работ. Более высокие значения можно рассматривать как как более длительный срок службы правильно используемого подшипника при нагрузке ниже его расчетной, так и как увеличение скорости сокращения срока службы при перегрузке.
Эта модель была признана неточной для современных подшипников. В частности, благодаря улучшению качества подшипниковых сталей, механизмы развития отказов в модели 1924 года уже не столь значительны. К 1990-м годам было обнаружено, что срок службы настоящих подшипников в 14 раз превышает прогнозируемый. [12] Было предложено объяснение, основанное на усталостной долговечности ; если бы подшипник был нагружен так, чтобы предел усталостной прочности никогда не превышал , то механизм усталостного разрушения Лундберга-Пальмгрена просто никогда не возник бы. [12] Это основывалось на использовании гомогенных сталей, выплавленных в вакууме, таких как AISI 52100, которые избегали внутренних включений, которые ранее действовали как концентраторы напряжений внутри тел качения, а также на более гладкой поверхности дорожек подшипника, что позволяло избежать ударных нагрузок. [10] Константа теперь имела значения 4 для шариковых и 5 для роликовых подшипников. При условии соблюдения предельных нагрузок идея «предела усталости» учитывалась при расчете срока службы подшипников. Если бы подшипник не был нагружен сверх этого предела, его теоретический срок службы был бы ограничен только внешними факторами, такими как загрязнение или отказ смазки.
Новая модель срока службы подшипников была предложена компанией FAG и разработана SKF как модель Иоаннидеса-Харриса. [13] [14] ISO 281:2000 впервые включил эту модель, а ISO 281:2007 основан на ней.
Концепция предела выносливости и, следовательно, ISO 281:2007 остается спорной, по крайней мере, в США. [10] [12]
В 2015 году была представлена обобщенная модель ресурса подшипников SKF (GBLM). [15] В отличие от предыдущих моделей эксплуатации, GBLM явно разделяет поверхностные и подземные виды отказов, что делает модель гибкой для учета нескольких различных режимов отказов. Современные подшипники и приложения демонстрируют меньшее количество отказов, но возникающие отказы в большей степени связаны с поверхностными напряжениями. Отделив поверхность от недр, можно легче определить механизмы смягчения последствий. GBLM использует передовые трибологические модели [16] для введения функции режима разрушения поверхности, полученной на основе оценки поверхностной усталости. Для подповерхностной усталости GBLM использует классическую модель контакта качения Герца. При этом GBLM учитывает эффекты смазки, загрязнения и свойств поверхности качения, которые в совокупности влияют на распределение напряжений в контакте качения.
В 2019 году была перезапущена Обобщенная модель ресурса подшипников. Обновленная модель предлагает расчеты срока службы также для гибридных подшипников, т.е. подшипников со стальными кольцами и керамическими (нитридом кремния) телами качения. [17] [18] Даже если выпуск GBLM 2019 года был в первую очередь разработан для реалистичного определения срока службы гибридных подшипников, эту концепцию можно также использовать для других продуктов и видов отказов.
Все части подшипника подвержены множеству конструктивных ограничений. Например, внутренние и внешние кольца часто имеют сложную форму, что затрудняет их изготовление. Шарики и ролики хоть и проще по форме, но небольшие; так как они резко прогибаются при движении по качениям, подшипники склонны к усталости. На нагрузки внутри подшипникового узла также влияет скорость 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. Тела качения меньшего размера легче и, следовательно, имеют меньший импульс, но элементы меньшего размера также изгибаются более резко в местах контакта с дорожкой качения, что приводит к их более быстрому выходу из строя из-за усталости. Максимальные скорости подшипников качения часто указываются в nD м , которые представляют собой произведение среднего диаметра (в мм) и максимального числа оборотов в минуту. Для радиально-упорных подшипников nD m s более 2,1 миллиона оказались надежными в высокопроизводительных ракетных применениях. [19]
Существует также много проблем с материалами: более твердый материал может быть более устойчивым к истиранию, но с большей вероятностью подвергнется усталостному разрушению, поэтому материал варьируется в зависимости от применения, и хотя сталь чаще всего используется для подшипников качения, пластмасс, стекла и керамики. все они находятся в общем пользовании. Небольшой дефект (неровность) материала часто является причиной выхода из строя подшипника; Одним из самых больших улучшений в сроке службы обычных подшипников во второй половине 20-го века было использование более однородных материалов, а не более качественных материалов или смазок (хотя и то, и другое также было значительным). Свойства смазки меняются в зависимости от температуры и нагрузки, поэтому выбор лучшей смазки зависит от области применения.
Хотя подшипники имеют тенденцию изнашиваться в процессе эксплуатации, проектировщики могут найти компромисс между размером и стоимостью подшипника и сроком службы. Подшипник может прослужить бесконечно долго — дольше, чем остальная часть машины, — если он хранится в прохладном, чистом, смазанном состоянии, работает с номинальной нагрузкой и если материалы подшипников в достаточной степени свободны от микроскопических дефектов. Таким образом, охлаждение, смазка и уплотнение являются важными частями конструкции подшипника.
Требуемый срок службы подшипников также зависит от области применения. Например, Тедрик А. Харрис в своей работе «Анализ подшипников качения» [20] сообщает о подшипнике кислородного насоса американского космического корабля «Шаттл» , который не удалось должным образом изолировать от перекачиваемого жидкого кислорода . Все смазочные материалы вступили в реакцию с кислородом, что привело к пожарам и другим авариям. Решением стала смазка подшипника кислородом. Хотя жидкий кислород и является плохой смазкой, его было вполне 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 и не требуют дальнейшего обслуживания в течение всего срока службы механического узла. Хотя уплотнения привлекательны, они увеличивают трение, а в подшипниках с постоянной герметизацией смазка может загрязняться твердыми частицами, такими как стальная стружка из дорожки качения или подшипника, песок или крупка, попадающая через уплотнение. Загрязнения в смазке являются абразивными и значительно сокращают срок службы подшипникового узла. Другой основной причиной выхода из строя подшипников является наличие воды в смазочном масле. В последние годы были внедрены онлайн-мониторы воды в масле для мониторинга воздействия как частиц, так и присутствия воды в масле, а также их совместного воздействия.
Метрические подшипники качения имеют буквенно-цифровые обозначения, определенные стандартом 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. [21]
Первая и вторая цифры вместе используются для определения внутреннего диаметра (ID) или диаметра отверстия подшипника. Для диаметров от 20 до 495 мм включительно обозначение умножается на пять для получения идентификационного номера; например, обозначение 08 соответствует внутреннему диаметру 40 мм. Для внутренних диаметров менее 20 используются следующие обозначения: 00 = внутренний диаметр 10 мм, 01 = внутренний диаметр 12 мм, 02 = внутренний диаметр 15 мм и 03 = внутренний диаметр 17 мм. Третья цифра определяет «серию диаметров», которая определяет внешний диаметр (НД). Серия диаметров, определённая в порядке возрастания: 0, 8, 9, 1, 7, 2, 3, 4, 5, 6. Четвертая цифра определяет тип подшипника: [ 21]
Пятая и шестая цифры обозначают конструктивные изменения подшипника. Например, на радиально-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. [21] [22]
Существует четыре дополнительных символа префикса, определяемых здесь как A321-XXXXXXX (где X являются основным обозначением), которые отделяются от основного обозначения тире. Первый символ А — класс подшипника, который определяется в порядке возрастания: С, В, А. Класс определяет дополнительные требования к вибрации, отклонениям формы, допускам поверхностей качения и другим параметрам, не определяемым нормами. символ обозначения. Второй знак — момент трения (трения), который определяется в порядке возрастания цифрами от 1 до 9. Третий символ — это 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 — это рейтинги точности, которые обычно располагаются в порядке возрастания: 0 (нормальный), 6X, 6, 5, 4, T и 2. Рейтинги 0 и 6 являются наиболее распространенными; номиналы 5 и 4 используются в высокоскоростных приложениях; а рейтинг 2 используется в гироскопах . Для конических подшипников значения представлены в порядке возрастания: 0, N и X, где 0 — это 0, N — «нормальный», а X — 6X. [21]
После основного обозначения можно определить пять дополнительных символов: A, E, P, C и T; они прикрепляются непосредственно к концу основного обозначения. В отличие от префикса, не все обозначения должны быть определены. «А» указывает на повышенную динамическую нагрузку. «Е» указывает на использование пластиковой клетки. «П» указывает на то, что используется жаропрочная сталь. «C» обозначает тип используемой смазки (C1–C28). «Т» указывает на степень закалки компонентов подшипника ( Т1–Т5). [21]
Хотя производители следуют стандарту ISO 15 для обозначения номеров деталей на некоторых своих продуктах, они обычно применяют собственные системы номеров деталей, которые не соответствуют ISO 15. [23]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Новое антифрикционное устройство, разработанное Харрисоном для H-3, сохранилось до наших дней —... шарикоподшипники с сепаратором.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )