Содержание
Подшипники являются одними из наиболее важных, ответственных и полезных устройств в промышленных машинах и механизмах, в бытовых устройствах с электрическим и механическим приводами. Они значительно экономят затрачиваемую в процессе работы энергию и расход топлива. Первоочередная задача подшипника любого типа – минимизация сил трения, имеющихся между опорой и вращающимся валом.
Рассмотрим далее виды подшипников качения и скольжения, их назначение, особенности и разновидности. Какая есть разница и отличия между подшипником качения и скольжения?
Из истории появления подшипников
Первые примитивные подшипники люди научились делать еще в древние времена. Прообразом подшипников качения роликовой конструкции был механизм перемещения тарана для разрушения крепостных стен, который создал изобретатель Диадес в древней Греции. В дальнейшем еще более усовершенствовал подобные конструкции для ускорения и облегчения перемещения грузов великий изобретатель Леонардо да Винчи. А самые первые металлические подшипники качения появились в Англии в 1780 году. Они уже были металлическими и включали изготовленные из чугуна шарики.
Современные подшипники обеспечивают надежную опору для валов машин и механизмов, способную минимизировать трение при вращении, компенсировать возникающие ударные нагрузки и вибрации, передавая их на корпус, станину машин.
В России разработкой, совершенствованием и выпуском подшипников занимаются несколько государственных подшипниковых заводов (ГПЗ), а также частные производители. Эти предприятия фокусируются на изготовлении шариковых, роликовых и других специальных конструкций подшипников для машиностроения, энергетики, автомобилестроения, силового и турбинного оборудования.
Разновидности конструкции
Современные подшипники классифицируются по целому ряду параметров, включая:
- принцип работы;
- используемый тип тел качения (шарики или ролики);
- основной вектор воспринимаемой нагрузки.
По наиболее распространенной, базовой классификации все модели делятся на подшипники качения и скольжения. На их основе создано множество подтипов, ориентированных на использование в разных условиях, в различном стационарном оборудовании и в мобильных механизмах.
- Подшипники качения могут быть как шариковыми, так и роликовыми;
- Подшипники скольжения используют для снижения усилий трения специальные вкладыши в форме втулки, используемой вместо шариков или роликов. Они могут иметь: гидродинамические, гидростатические, газодинамические и газостатические варианты систем смазки.
Подшипники качения
Подшипники качения снижают трение между вращающимися и неподвижными частями машин за счет использования тел качения. Их еще называют шарикоподшипниками и роликоподшипниками. Ключевыми признаками для их классификации являются: тип тела качения (шариковое или роликовое), направление основной нагрузки (осевое, радиальное), конструкция и класс точности.
Основные стандарты для них описаны в ГОСТ 3395-89 (типы и конструктивные исполнения).
Шариковые подшипники
Шариковый подшипник состоит из внутреннего и наружного кольца с дорожками для качения шариков. Между кольцами размещается сепаратор, который распределяет шарики на равном расстоянии друг от друга.
- Радиальные шариковые подшипники наилучшим образом выдерживают перпендикулярные валу вращения нагрузки; такие подшипники бывают обычными однорядными или двухрядными, предназначенными для работы на более высоких скоростях;
- Упорные шариковые подшипники предназначены для осевых нагрузок;
- Радиально-упорные подшипники – это компромиссная комбинированная модификация.
Роликовые подшипники
Основное конструктивное отличие роликовых подшипников от шариковых заключается в том, что ролики имеют значительно большую плоскость соприкосновения с опорной поверхностью качения. Поэтому они способны выдерживать значительно большие нагрузки, но при несколько повышенном трении. Другим отличием является наличие уплотнения сбоку, на внешних кольцах. Таким образом внутри подшипника удерживается смазка и устраняется возможность смещения ролика в осевом направлении.
Ролики могут быть цилиндрической, конической, игольчатой и сферической (в виде бочонка) формы.
Конические роликовые подшипники лучше справляются с комбинированными нагрузками за счет конической окружности.
Сферические и игольчатые варианты подшипников лучше компенсируют перекосы и экономят пространство в механизмах.
Табл. 1. Роликовые подшипники
|
Форма ролика
|
Основная особенность
|
Применение
|
|
Цилиндрический
|
Высокая радиальная нагрузочная способность, разборная конструкция
|
Промышленные редукторы, станки
|
|
Конический
|
Компенсирует комбинированные (радиальные и осевые) нагрузки
|
Автомобильные ступицы, дифференциалы
|
|
Игольчатый
|
Тонкие ролики (отношение диаметра к длине – 1:4) обеспечивают компактность
|
Узлы с ограниченным пространством
|
|
Сферический
|
Способность к самоустановке, компенсирует несоосности вала
|
Тяжелое машиностроение, прокатные станы
|
Подшипники скольжения
Подшипники скольжения отличаются от подшипников качения по принципу действия. Они не используют тел качения, минимизирующих эффект трения. В данном случае эффект трения минимизируется за счет скольжения поверхности вала во вкладыше в форме втулки, изготавливаемой из специальных материалов. Дополнительный антифрикционный эффект может создавать прослойка из смазки между вкладышем и валом.
Подшипники скольжения выдерживают повышенные нагрузки и лучше переносят удары и вибрации благодаря большой площади опорного контакта, но работают они при повышенном трении, особенно большим в момент пуска. Подшипники скольжения широко применяются в разном тяжелом оборудовании, включая турбины, насосы, где важны компактность и устойчивость к высоким нагрузкам.
По типу создания смазывающего слоя подшипники скольжения бывают: гидродинамическими, гидростатическими, газодинамическими и газостатическими. Подшипники скольжения могут быть разборными, что позволяет обновлять быстро изнашиваемые детали.
Табл. 2. Подшипники скольжения, типы смазки
|
Тип смазки
|
Среда смазки
|
Источник давления в слое смазки
|
|
Гидродинамический
|
Масло
|
За счет вращения вала
|
|
Газодинамический
|
Газ
|
За счет вращения вала
|
|
Гидростатический
|
Масло
|
Внешний масляный насос
|
|
Газостатический
|
Газ
|
Внешняя подача газа под давлением
|
Вкладыши для подшипников скольжения изготавливают из металлов, сплавов, полимеров и композитов с антифрикционными свойствами. Они могут быть также многослойными. Например, внешний слой из стали, промежуточный из бронзы, а поверх нее наносится тонкий антифрикционный слой из баббита.
Тип вкладыша подбирают с учетом испытуемых подшипником нагрузок, скорости вращения, условий смазки и эксплуатации, чтобы обеспечить низкое трение, хорошую износостойкость и необходимый теплоотвод.
Сравнительный анализ и применение
Подшипники качения и скольжения решают одинаковые задачи, поддерживают эффективность вращения вала. Сравнительные возможности их использования оценивают по ряду ключевых параметров: трение, нагрузка, скорость, допустимые условия эксплуатации.
Табл. 3. Подшипники скольжения и качения, отличия между ними
|
Параметр
|
Подшипники качения (роликовые/шариковые)
|
Подшипники скольжения (втулки, вкладыши)
|
|
Тип трения
|
Качение на опоре
|
Скольжения вала по поверхности втулки
|
|
Коэффициент трения
|
0,001–0,005
|
0,05–0,15
|
|
КПД
|
0,98–0,995 (высокий)
|
0,85–0,95 (ниже)
|
|
Допустимая скорость вращения
|
Высокая и средняя
|
В основном низкая и средняя
|
|
Рабочая нагрузка
|
Умеренные динамические и статические
|
Высокая, статическая и ударная, но при низких скоростях
|
|
Износ и срок службы
|
Медленный износ при нормальных условиях
|
Износ быстрее при высоких скоростях и плохой смазке
|
|
Точность установки и радиальный зазор
|
Малый зазор, высокая точность центровки
|
Зазор больше, точность ниже
|
Выбор варианта применения:
- Подшипники качения применяют в электродвигателях, редукторах, станках, приводах с высокими оборотами. Это компактный узел с минимальными потерями мощности.
- Подшипники скольжения лучше подходят при повышенных статических нагрузках, тяжёлых условиях эксплуатации, в ударных режимах. Они лучше работают на низких оборотах валов (мощные дробилки, валы гидротурбин), где важна простая и ремонтопригодная конструкция втулок.
Заключение
Подшипники – это обширный класс механических устройств, разрабатываемых и применяемых для минимизации трения при вращении валов. Различные условия и задачи использования этой конструкции привели к созданию множества разновидностей с огромным ассортиментом самых разных моделей. Создание новых материалов и технологий их обработки позволяет создавать все более совершенные варианты подшипников.
При всем этом разнообразии в конструкции и моделях, основополагающим остается принцип деления на классы: подшипников качения и скольжения.
