Виды подшипников качения (ПШК): характеристики, применение, маркировка, размеры, достоинства и недостатки

Подшипники качения используются в качестве опор механического оборудования наиболее чаще, чем подшипники других типов.

Основа длительной эксплуатации подшипников качения заключается в правильном выборе типа подшипника для конкретных режимов и условий работы подшипниковых узлов оборудования. При этом необходимо учитывать множество факторов. Обоснованность выбора определяется знаниями типов существующих подшипников, их назначением, достоинствами и недостатками, кинематическими и силовыми характеристиками. Насколько точно эти факторы удается учесть, а тем более предвидеть на этапе проектирования подшипниковых узлов механического оборудования, настолько долговечными будут как подшипники, так и оборудование в целом. Однако, правомерна и обратная задача, связанная с неправильным выбором или неопределенностью режимов и условий эксплуатации подшипников качения.

Далее обобщены сведения о назначении и устройстве подшипников, достоинствах и недостатках подшипников качения и скольжения, классификации подшипников. Приведена сравнительная оценка эксплуатационных свойств подшипников качения. Рассмотрены основы расчета кинематических и силовых характеристик подшипников качения, а также их долговечности.

Что такое подшипники качения и для чего они нужны

Изделия представляют собой две кольца, являющиеся внешней и внутренней обоймой, или опорной частью, компонентов качения, сепаратора, который их разделяет, удерживает на одинаковом расстоянии и направляет.

По верхней поверхности малой и внутренней части большой обоймы проточены специальные канавки или дорожки. У упорных ПШК желобки выполнены на торцах. Для снижения габаритов, увеличения точности и степени жесткости, в ряде узлов механизмов применяются специально разработанные совмещенные опоры. В этом случае желобки для шариков или роликов протачиваются на валу или на поверхности корпуса, в который планируется установка.

Есть типы, которые функционируют без сепаратора. У них увеличенное количество деталей, повышенная грузоподъемность, но значительно ниже предельные параметры частоты вращения из-за увеличенного момента сопротивления, возникающего в трущихся, неразделенных шариках.

Основное отличие подшипников качения от скольжения заключается в пониженном расходовании энергии на трение и уменьшении эксплуатационного износа. В закрытых изделиях практически не требуется замена смазки и другие виды обслуживания, даже при интенсивной эксплуатации. Открытые детали достаточно чувствительны к попаданию мусора и посторонних предметов, это приводит к нарушению работоспособности и преждевременному выходу из строя или полному разрушению.

При работе возникают различные силовые воздействия: радиальные, направленные перпендикулярно, и осевые — действующие параллельно.

Применение подшипников скольжения

Подшипники скольжения различаются от подшипников качения, но сферы их применения схожи. Такие подшипники активно применяются для изготовления различного оборудования, железнодорожной техники, в автомобилестроении, авиационной промышленности. Особенно популярны радиальные подшипники скольжения.

К сферам и областям применения подшипников скольжения также можно отнести технику для сельского хозяйства и строительную технику. Такие подшипники активно применяют в случаях, где существует вероятность высоких ударных нагрузок и неблагоприятных природных условий.

Безусловно, на современном этапе развития любой промышленности невозможно обойтись без применения подшипников. Эта сфера активно развивается во многих странах мира, в том числе и в Украине.

Классификация подшипников качения, маркировка, преимущества и недостатки, схемы

Группирование на классы производится по ряду отличительных особенностей и технических характеристик:

• форма и количество тел;
• направление рабочих усилий и постоянной нагрузки, габариты;
• возможность самоустанавливаемости
• типу сепаратора, который бывает змейковым, самым распространенным, клепаным и цельным.

Большое значение имеет класс точности подшипника качения, являющийся важным критерием отбора при производстве механизмов и агрегатов с жесткими требованиями нормативов, условий эксплуатации.

По форме тел

1. Шариковые обладают значительной скоростью вращения, за счет меньшего контакта с плоскостью потери на трение ниже, чем у роликовых. У изделий упрощенный монтаж, небольшой уровень шума и бюджетная стоимость.
2. Роликовые детали имеют увеличенную грузоподъемность и износостойкость, изготавливаются с укороченными и длинными телами в виде цилиндров, бочонков, игольчатые, конусообразные, комбинированные и пр. Практически не боятся перегрузок, но требуют большой осторожности при установке, при перетягивании возможна деформация сепаратора.

Отличить детали можно по существующей маркировке на схеме, в основном индексе, состоящем из 7 цифр, пятый обозначает конфигурацию тел. Например: 3 — конические роликовые, 6 — однорядные шариковые, N — цилиндрические с роликами и т.д.

Число рядов

По этому показателю ПШК подразделяются на:

1. однорядные хорошо работают при осевых двухсторонних и радиальных силовых воздействиях, выдерживают перекосы. Возможность использования с увеличенным углом наклона при отсутствии бортового кольца значительно повышает функциональность. При этом грузоподъемность ограничена и пониженная возможность воспринимать моментальную нагрузку. Отличительным обозначением маркировки является: шариковые: 6 — радиальные, 7 — радиальноупорные, роликовые: 2 — сферические, 3 — конические, 8 — упорные и т.д.
2. двухрядные позволяют небольшой перекос только в случае проточенной канавки в обойме, но обладают увеличенной грузоподъемностью, выносливостью и возможностью работы при значительных деформациях вала, хорошо выдерживают разнонаправленное усилие. Обладают гораздо большим ресурсом, но и повышенной стоимостью. Обозначения: 0 — радиальноупорные, 4 -радиальные шариковые.

Способ компенсации перекашивания вала

1. самоустанавливающиеся, к которым относятся сферические детали, применяемые при угловом и не совсем точном осевом расположении вала механизма и корпусного монтажного отверстия. У элементов повышенные скоростные показатели, нет необходимости в регулярном обслуживании, пониженный уровень трения и шума, слабочувствительны к угловым перекосам. Эти детали 2-рядные шариковые с общей канавкой на внешней обойме.
2. требующие тщательного выверенного монтажа, а также соблюдения допусков при посадке. Изделия в основном 1-рядные, достаточно бюджетные, применяются в узлах и механизмах с небольшой нагрузкой. Маркируются соответственно рядности.

Способность восприятия нагрузки в предпочтительном направлении

Отличительные особенности и характеристики элементов в основном различаются способностью выдерживать разные типы давления во всех направлениях, а также моментальные воздействия. Более детальные особенности даны ниже в разделе о назначении. Маркировка обозначена цифрой в скобках.

1. радиальные (6), для возможности осуществления значительных усилий;
2. упорные (8), для комбинированной нагрузки, учитывая отклонение осей роликов;
3. упорнорадиальные (0), способны воспринимать в основном осевые усилия.

Размеры при одинаковом внутреннем диаметре

По этому параметру ПШК распределяются на серии, в индексе маркировки ее обозначает цифра 3, в скобках:

• сверхлегкие (8 и 9), особолегкие (1,7), применяются в небольших механизмах, где не требуется выдерживать значительную нагрузку;
• легкие (2) и широкие облегченные (5), требуется увеличенная грузоподъемность и способность противостоять осевым и радиальным усилиям;
• средние (3) и среднеширокие (6), для сложных устройств, работающих в постоянно нагруженном состоянии;
• тяжелые (4) и особотяжелые, для силовых агрегатов и механизмов больших размеров, требующих спокойно воспринимать разнонаправленное повышенное воздействие.

Ширина при сопоставимом размере внешней обоймы

По этому показателю изделия классифицируются в зависимости от степени грузоподъемности и способности выдерживать осевой прессинг. Более расширенная конструкция выносливее воспринимает вибрацию и биение вала:

• узкие (7);
• нормальные (1);
• широкие (2);
• особоширокие (3-6).

Другие виды

Рассмотрим еще несколько типов узловых опор, отличающихся некоторыми функциональными особенностями.

Конические подшипники

Это разновидность роликовых, но тело здесь изготавливается в виде конуса и устанавливается на дорожку под углом. Прекрасно справляются как с радиальными, так и с осевыми нагрузками.

Самоустанавливающиеся двухрядные

Отличаются от других низким трением, что делает возможным их эксплуатацию на самых высоких скоростях. Устанавливаются на коническую или цилиндрическую шейку вала.

Игольчатый тип

Здесь в качестве тела качения выступает тонкий и длинный ролик. Элементы выглядят более компактными, но при этом обеспечивают большую производительность и надежность, экономичны в использовании.

Упорные шарикоподшипники

Основное назначение – восприятие осевых нагрузок. Относится к группе шариковых опор, поэтому внешне полностью соответствует именно им.

Сферические

Обеспечивают слабое трение. В конструкцию входит одновременно два ряда роликов, расположенных симметрично.

Термостойкие

Предназначены для работы в жарких условиях. Отличаются надежностью и простотой эксплуатации.

Плавающая узловая опора

Позволяет валу перемещаться линейно. Воспринимает на себя только радиальную нагрузку. Легко регулируется и прост в эксплуатации.

Скоростные устройства

Обеспечивает нормальное качение на высоких оборотах. Отличаются отлчным качеством и износостойкостью.

Шпиндельный

Имеет хорошую грузоподъемность. Часто используется в вентиляторах, мощных насосах и станках, поскольку хорошо работает на значительных оборотах.

Высокоточные

Имеют высокие эксплуатационные характеристики, благодаря которым часто используются в авиастроении, космонавтике и военной промышленности.

Закрытые

Оснащается уплотнителями, закрывающими открытое пространство. Это позволяет увеличить износостойкость в сложных условиях.

Фланцевые подшипники

Встроенный фланец повышает надежность крепления, чтобы деталь выдерживала большие нагрузки.

Опорные

Воспринимают тяжесть вдоль оси вращения. Сфера применения сильно ограничена, поэтому встречается реже, чем другие варианты.

Устройства линейного перемещения

Обладают высокими рабочими качествами при минимальном трении.

Монтаж подшипников качения

Конструктивные особенности ПШ, валов и корпусных деталей, которые выступают опорной частью сборного узла, должны обеспечивать удобство при монтаже каждого компонента, соблюдение предписанных допусков и технологических зазоров для заданной работоспособности механизма и всего агрегата в целом.

Монтаж производится без необходимости подгонки и дополнительной механической обработки. Если же потребность в корректировке возникает, есть вероятность нарушения должного функционирования в будущем при большой нагрузке.

Когда предусмотрен посадочный натяг, ПШ монтируется на вал и в корпусную деталь предварительно, а полное соединение всего узла выполняется при помощи посадочных поясов с предусмотренными зазорами. Сборка значительно усложняется, когда необходима посадка с натягом одновременно на валу и в корпусном элементе.

Для фиксации часто применяются кольцевые стопоры. Все усилия для установки следует производить при помощи приспособлений или гидравлических прессовых механизмов, оборудованных оправками и устройствами для недопущения перекоса.

Если оправки для монтажа отсутствуют, а необходима установка ПШК с натягом, можно использовать молоток, желательно с медным набалдашником, и обязательно демпфирующую прокладку или направляющую трубу. Удары наносятся равномерно, нельзя допускать осевого перекашивания обойм, может произойти повреждение посадочного места, которое чревато сокращением срока эксплуатации и разрушению детали.

Смазка для подшипников качения, как выбирать перед сборкой

В зависимости от условий эксплуатации и конструкции сборного механизма могут применяться различные составы, от масел до консистентных составов.

Основные требования к смазке:

• физическая и химическая стабильность;
• отсутствие механических и прочих посторонних примесей;
• предохранение от коррозии и окисления поверхностей;
• хорошие пластичные характеристики, способность погашать и нивелировать воздействие центробежных сил;
• сохранение начальной консистенции и степени вязкости на протяжении всего периода эксплуатации.

Все основные рекомендации для каждой серии прописаны подробно в ГОСТ и технологических инструкциях, которые следует тщательно изучить перед началом монтажа.

Подшипники с встроенными уплотнениями

Промышленность выпускает несколько типов радиальных шариковых подшипников с встроенными уплотнениями.

Односторонние (рис. 758, а, б) и двусторонние (виды в—е) защитные шайбы предохраняют подшипники от проникновения грязи; во внутренних установках они служат для защиты подшипников от избыточной смазки.

Для уплотнения подшипников в концевых установках применяют шайбы, опрессованные эластомерами (виды ж, з), или фетровые сальники (виды и, к).

Подшипники одноразовой смазки, во внутреннюю полость которых при выпуске с завода закладывают мерное количество пластичного смазочного материала, уплотняют шайбами (виды ж, з) или двусторонними фетровыми сальниками (виды л—м).

Назначение и выбор шариковых подшипников качения

1. Радиальные однорядные хорошо воспринимают 2-х сторонние осевые нагрузки, хорошо функционируют при перекашивании;
2. С 2-мя рядами, радиально-сферические имеют канавку для размещения и движения шариков на поверхности наружной обоймы, которая позволяет перекашивание колец до 4 градусов. Это обстоятельство дает возможность больших деформаций вала и неполного соответствия соосности опорных отверстий в корпусных деталях. П/ш хорошо выдерживает осевые усилия, возникающие с обеих сторон. При скорости вращения, превышающих 10 м/с, необходимо применение достаточно габаритного и мощного сепаратора для недопущения деформирования механического узла;
3. Однорядные радиальноупорные элементы хорошо воспринимают односторонние нагрузки и усилия. Конструктивной особенностью является срезанное кольцо наружного борта с одной стороны, давая возможность установки большего количества шариков сопоставимых параметров и повышения несущей способности до 30%. Увеличение усилий позволяет использование деталей по повышенным углом наклона, что расширяет функциональность;
4. 2-х рядные радиальноупорные способны функционировать при увеличенных всех силовых воздействиях, которые оказываются в различных направлениях. К степени жесткости опор вала, в этом случае, предъявляются повышенные требования;
5. С 4-х точечной опорой востребованы при больших 2-х сторонних усилиях и высоких нагрузках. Грузоподъемность по радиальной оси увеличена на 50% по сравнению с однорядным элементом;
6. Одинарный упорный может работать только при осевом воздействии, двойной при знакопеременных на скоростях вращения в диапазоне от 5 до 10 м/сек.

Особенности и типы роликоподшипников

Хотя роликовые ПШ работают при более низких оборотах вала, чем шариковые, грузоподъемность у них выше на 50-70%.

Основные серии:

1. Радиальные с укороченными цилиндрическими телами способны воспринимать повышенные воздействия, допускают смешение обойм по оси, востребованы в случаях, когда требуется обеспечить работоспособность вала при осевых смещениях;
2. 2-х рядные сферические допускают смещение до 3 градусов, хорошо воспринимают радиальные усилия и 2-х сторонние осевые;
3. Радиальноупорные с коническими телами характеризуются удобством при сборке и монтаже, способны противостоять одностороннему напору при угле контакта от минус 8 до 16 градусов. У элементов увеличенная степень чувствительности к отклонению от заданной оси, перекашиванию корпуса;
4. Игольчатый функционирует только при радиальных усилиях, может монтироваться без одной из обойм, если не позволяют габаритные размеры. Посадочное места вала и корпусной детали следует подвергнуть термической обработке, закаливанию до достижения повышенной твердости, затем шлифовке и полировке до заданных нормативами отклонений. Работают при скорости вращения не более 5 м/сек;
5. Элемент с витыми телами хорошо воспринимает в работе ударные воздействия. Чтобы не допустить осевого смещения верхней и нижней обоймы, ролики чередуются с противоположной навивкой.

Материалы для изготовления подшипников качения

Для производства основных компонентов применяются хромистые стальные сплавы с высоким содержанием углерода ШХ15СГ, ШХ15 и пр., и легированные цементируемые стали. Для эксплуатации в условиях повышенных температурных режимов и в агрессивных условиях используют коррозионно-устойчивые и теплостойкие стальные сплавы.

Для сепараторов необходима углеродистая сталь, их производят методом штамповки. Если функционирование происходит при повышенной скорости вращения вала, сепарационные элементы делают из бронзы, латуни и пр.

Перечень ссылок

1. Сведения о подшипниках: Что такое подшипники и их основные разновидности // NTN-SNR. — https://www.snr.com.ru/e/about_bearings/ about_bearing.htm.
2. Подшипник // Энциклопедия Кругосвет. — https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/PODSHIPNIK.html.
3. Скойбеда А.Т., Кузьмин А.В., Макейчик Н.Н. Детали машин и основы конструирования: Учеб. / Под общ. ред. А.Т. Скойбеды. — Минск: Вышэйшая школа, 2000. — 584 с.
4. Подшипник // Википедия. — https://ru.wikipedia.org/wiki/Подшипник.