Эксплуатация подшипников качения

ВВЕДЕНИЕ

Среди узлов механического оборудования подшипники качения следует выделить особо. Назначение данного узла — обеспечение вращения различных валов и осей относительно неподвижных корпусных деталей оборудования с минимальным коэффициентом трения. Относительно простая конструкция подшипника качения предъявляет целый ряд требований к качеству изготовления деталей подшипника и его монтажу, обеспечивающих длительную безотказную работу, как подшипника, так и оборудования в целом. Срок службы подшипников должен быть сопоставим с общим сроком службы механического оборудования. Однако ряд факторов, среди которых качество и точность изготовления деталей подшипников, правильность выбора подшипников под конкретные режимы и условия работы, соблюдение технологи сборки, монтажа и обслуживания подшипников, могут приводить к ситуациям, когда необходимо производить регулярные замены подшипников до выработки ими своего расчетного срока службы. Что в принципе недопустимо. Для предупреждения таких ситуаций и предназначен научно-технический материал, представленный в данной книге.

Перед сборкой подшипниковых узлов оборудования следует оценить качество изготовления или восстановления подшипников. Используемые для этого методы виброметрии позволяют получить комплексную оценку и являются основными в операциях по входному контролю подшипников качения. Следующая проблема связана с правильной сборкой подшипниковых узлов. Как правило, качественной сборке предшествует технически грамотно проведенные работы по разборке подшипниковых узлов без повреждений посадочных мест под подшипники. На первом месте в данном случае выступают не только технологии, но и применяемые инструменты и приспособления.

Основа длительной работы подшипникового узла заключается в качественном смазывании, включая правильный выбор смазочного материала и режима смазывания, а также контроль качества применяемой смазки. Качественное техническое обслуживание подшипниковых узлов требует знания их фактического технического состояния. Определить состояние подшипниковых узлов без разборки помогают методы технического диагностирования. Данные методы позволяют определить отклонения в сложных физических и химических процессах происходящих в подшипниках качения.

Наглядную картину процессов износа можно увидеть разобрав подшипник качения. Приведенная классификация повреждений подшипников качения предназначена для определения, при внешнем осмотре деталей подшипников, причин повреждений и необходимых дополнительных ремонтных воздействий по восстановлению их работоспособного состояния.

В книге рассмотрен ряд основных вопросов, связанных с эксплуатацией подшипников качения, что явилось обобщением опыта работы на промышленных предприятиях. Авторы не претендуют на полноту рассмотрения всех вопросов, связанных с эксплуатацией подшипников. Основная цель книги — обобщение известных неизменных правил, дополнение практикой решения задач генезиса — определения причин повреждений механического оборудования и стремление заинтересовать механиков изучением вопросов повышения безотказности работы подшипников качения и соответственно механического оборудования.

Авторы будут признательны всем, кто выскажет свои замечания и пожелания по улучшению и расширению представленных материалов по электронной почте 0713019870@mail.ru или телефону +380 (66) 029—44-30.

Раздел 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

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.

1.1 Назначение и устройство подшипников

Подши́пник — узел механизма или машины, являющийся частью опоры, которая поддерживает вал, обеспечивая вращение или линейное перемещение с минимальным сопротивлением, воспринимающий и передающий нагрузку от вала на корпусные детали механизма или машины [1,2]. Опора с упорным подшипником называется подпятником.

Подшипники характеризуются следующими основными параметрами:

— максимальные динамическая и статическая нагрузки;

— максимальная скорость вращения для радиальных подшипников;

— посадочные размеры;

— класс точности;

— группа зазоров.

Нагружающие подшипник силы подразделяют на следующие виды:

— радиальная сила, действующая в направлении перпендикулярном к оси вращения подшипника;

— осевая сила, действующая в направлении параллельном к оси вращения подшипника.

По конструкции, обуславливающей различный принцип работы, все подшипники можно разделить на несколько типов:

— подшипники качения;

— подшипники скольжения;

— газостатические подшипники;

— газодинамические подшипники;

— гидростатические подшипники;

— гидродинамические подшипники;

— магнитные подшипники.

Основные типы подшипников, которые применяются в машиностроении, — это подшипники качения и скольжения.

Достоинства подшипников скольжения: малые радиальные размеры; возможность работы при ударных нагрузках и применения при больших нагрузках и высоких скоростях вращения. Недостатки: не могут работать без смазки, не допускают перекосов валов, сложны в установке (требуют пришабривания).

Подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения имеют следующие преимущества [3]:

— значительно меньшие потери на трение, а, следовательно, более высокий коэффициент полезного действия (до 0,995) и меньший нагрев;

— в 10…20 раз меньше момент трения при пуске машин;

— экономия дефицитных цветных материалов, которые чаще всего используются при изготовлении подшипников скольжения;

— меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

— простота обслуживания и замены;

— меньший расход смазочного материала;

— невысокая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников.

К недостаткам подшипников качения можно отнести [3]:

— ограниченную возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

— непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

— значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

— шум во время работы, обусловленный погрешностями форм и размеров деталей;

— сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

— повышенную чувствительность к неточности установки в подшипниковый узел;

— высокая стоимость при мелкосерийном производстве уникальных по размерам подшипников.

Конструкция подшипников качения состоит из двух колец, тел качения (шариков или роликов) и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без сепаратора), отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение (рис. 1.1). По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности внешнего кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполнены желоба — дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

В некоторых узлах механизмов и машин в целях уменьшения габаритов, а также повышения точности и жёсткости применяют совмещённые опоры: дорожки качения в этом случае выполняют непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали.

Существуют подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большое число тел качения и большую грузоподъёмность. Однако предельные скорости вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Закрытые подшипники качения (имеющие защитные крышки) практически не требуют обслуживания (замены смазки), открытые — чувствительны к попаданию инородных тел, что может привести к быстрому разрушению подшипника и выходу механического оборудования из строя.

1.2 Классификация подшипников качения

Классификация подшипников качения осуществляется на основе следующих признаков:

— по виду тел качения: шариковые и роликовые. Последние, в свою очередь, подразделяются на следующие группы: с короткими и длинными цилиндрическими роликами; с витыми; с игольчатыми; с коническими и со сферическими роликами;

— по типу воспринимаемой нагрузки: радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные, упорные и линейные;

— по числу рядов тел качения: однорядные, двухрядные, многорядные;

— по способности компенсировать перекосы валов [4]: самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся.

На рис. 1.2 приведены основные виды подшипников качения [2]:

а) радиально-упорный шариковый подшипник;

б) радиально-упорный шариковый подшипник с четырёхточечным контактом;

в) самоустанавливающийся двухрядный радиальный шариковый подшипник;

д) радиальный шариковый подшипник для корпусных узлов;

е) радиальный роликовый подшипник

ж) радиально-упорный (конический) роликовый подшипник;

з) самоустанавливающийся радиальный роликовый подшипник;

и) упорный роликовый подшипник;

к) самоустанавливающийся двухрядный радиальный роликовый подшипник с бочкообразными роликами (сферический);

л) упорный шариковый подшипник;

м) радиально-упорный роликовый подшипник;

н) ролики и сепаратор упорного игольчатого подшипника.

В табл. 1.1 приведено сравнение подшипников качения по эксплуатационным характеристикам [3].

1.3 Кинематические и силовые характеристики подшипнИков качения

Подшипник качения представляет собой по существу планетарный механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колес выполняют внешнее и внутреннее кольца, а тела качения заменяют сателлиты [2].

В соответствии с теоремой Виллиса:

Учитывая, что

частоту вращения сепаратора можно определить по следующей формуле:

Если неподвижно внутреннее кольцо подшипника (nв=0), то за один оборот сепаратора наиболее нагруженная точка А на внутреннем кольце (рис. 1.4) получает число циклов нагружения, равное числу тел качения z. За один оборот внешнего кольца сепаратор делает 0,5 (1+fg) оборота и число циклов нагружения точки А составляет

Следовательно, в течение L миллионов оборотов внешнего кольца число циклов повторных нагружений точки А составляет

При неподвижном внешнем кольце (nн=0) частота вращения сепаратора будет равна

Сепаратор вращается в ту же сторону, что и внутреннее кольцо, и за один оборот внутреннего кольца сепаратор поворачивается на 0,5 (1+fg) оборота. При этом точка А получает