Объект исследования и оборудование

Комплект подшипников качения различного назначения и типоразмеров, штангенциркуль, измерительная линейка, справочник по подшипникам качения.

2.5 Теоретическая часть

Опорные узлы предназначены для поддержания постоянного положения вращающихся деталей и передачи сил на корпус. По виду трения различают подшипники качения, скольжения, электромагнитные, а также их комбинации. При выборе того или иного типа опоры инженер должен исходить из многих факторов, среди которых основные: условия работы опоры, действующие нагрузки, скорости вращения и др. Каждому типу опор присущи свои достоинства и недостатки (таблица 2.1).

Таблица 2.1.

Достоинства и недостатки опор качения и скольжения

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ
Достоинства	Недостатки
· Малые моменты сил трения и теплообразование; малая зависимость моментов сил трения от скорости; значительно меньшие (в 5-10 раз) пусковые моменты. · Значительно меньшие требования по уходу, меньший расход смазочных материалов. · Большая несущая способность на единицу ширины подшипника. · Значительно меньший расход цветных металлов, меньшие требования к материалу и термической обработке валов. · Стандартные узлы. Взаимозаменяемость. · Относительно низкая стоимость при серийном производстве.	· Повышенные диаметральные размеры. · Высокая стоимость уникальных подшипников при мелкосерийном производстве. · Малое демпфирование колебаний; · Повышенный шум. · Ограниченность по параметру предельной быстроходности [мм×об/мин] вследствие недопустимых значений контактных напряжений из-за центробежных нагрузок со стороны тел качения на наружное кольцо подшипника.
ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ
Достоинства	Недостатки
· Возможность разъемной конструкции. · Значительная демпфирующая способность смазочного слоя. · Малые диаметральные размеры. · Практически неограниченная предельная быстроходность.	· Подверженность износу на режимах пуска - останова машины. · Неустойчивость движения вала, связанная с автоколебаниями из-за нелинейности гидродинамических реакций. · Нестандартные элементы, требующие дополнительных расчетов и доводки в каждом конкретном случае.

Варианты установки валов на подшипники качения показаны на рис. 2.1. Установка радиальных подшипников «враспор» (рис. 2.1а), применяется при сравнительно коротких валах (до 400 мм) для восприятия радиальных и небольших осевых нагрузок. Установка радиально-упорных подшипников «враспор» (рис. 2.1б) используется при небольшом (до 350 мм) расстоянии между опорами; для червячных – при межосевом расстоянии до 180 мм. Вал конической шестерни (рис. 2.1в) применяется для быстроходных малонагруженных передач, где применяются радиально-упорные шарикоподшипники, для тихоходных тяжелонагруженных – конические роликоподшипники. Самоустанавливающийся (плавающий) вал (рис 2.1г) применяется для шевронных и для раздвоенных косозубых передач. Вал на сдвоенных радиально-упорных подшипниках и плавающем радиальном подшипнике (рис. 2.1д) устанавливается при любом расстоянии между опорами валов с цилиндрическими, коническими и червячными передачами. На рис. 2.1е показана одна из схем установки вертикального вала.

Существуют варианты совмещения подшипников качения и скольжения, что позволяет использовать достоинства и исключить недостатки присущие каждому типу опор на различных режимах работы (рис.2.2). Повышенная надежность в этом случае достигается за счет разделения и дублирования функций подшипников качения и скольжения.

При комбинированной опоре с разделением нагрузок [КОРН] (рис. 2.2а): на основном режиме работы подшипник качения работает в более легком режиме за счет разгруженности со стороны подшипника скольжения, что ведет к повышению ресурса подшипника качения и всего опорного узла, т.к. подшипник скольжения имеет гарантированный радиальный зазор, который исключает основной его недостаток – износ на режимах пуска и останова.

Комбинированные опоры имеют разделение скоростей, которые в свою очередь делятся по пространственному положению подшипника скольжения: внешнее [КОРС-внешн] (рис. 2.2б) и внутреннее [КОРС-внутр] (рис. 2.2в).

а)	б)
в)	г)
д)	е)

Рис.2.1. Схемы установки подшипников качения

Принцип работы КОРС заключается в следующем: в моменты пуска и останова ротор вращается в подшипнике качения, а на основном режиме – в подшипнике скольжения, тем самым для последнего практически исключаются основные факторы повреждения. Для повышения надежности в запатентованных конструкциях в качестве переключающих устройств используются различные элементы (подпружиненные колодки, неравножесткие кольца, упругие лепестки и др.).

а) КОРН	б) КОРС-внешн.	в) КОРС-внутр.

Рис. 2.2. Базовые виды комбинаций подшипников качения и скольжения

Подшипники качения - это опоры вращающихся или качающихся деталей, содержащие элементы качения (шарики или ролики) и работающие на основе трения качения. Основными деталями стандартных подшипников качения являются (рис. 3): внутреннее кольцо 1, наружное кольцо 2, тела качения 3 и сепаратор 4, разделяющий и направляющий тела качения.	Рис. 2.3. Схема шарикоподшипника
	– посадочный диаметр под вал; – посадочный диаметр в корпус; – средний диаметр; – ширина подшипника; – диаметр тела качения

Рис. 2.4. Геометрические характеристики подшипника качения

Кольца и тела качения (ГОСТ 520-71) изготавливают из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ5 и ШХI5CГ, а также из цементируемых легированных сталей 18ХГТ и 20Х2НЧА. Твердость колец и роликов - НRС 60...65, шариков - HRС 62...66. Сепараторы изготавливают из мягкой углеродистой стали методом штамповки. Для высокоскоростных подшипников применяют массивные сепараторы из бронзы, анодированного алюминия, металлокерамики и полиамидов. В специальных случаях изготавливают пластмассовые сепараторы с металлическим каркасом. Стандартизованы типы подшипников качения (ГОСТы 8328-75, 8338-75, 8545-75, 831-75, 333-79, 6874-75, 6870-81), размеры тел качения (ГОСТ 3722-81), посадки подшипников (ГОСТ 3325-55), нормальные габаритные размеры (ГОСТ 3478-79), система условных обозначений (ГОСТ 3189-75).

Отечественная промышленность выпускает свыше 1000 типов подшипников с нерудным диаметром от 1 мм до 2,6 м, массой от 0,5 г до 3,500 кг, рабочей частотой вращения до 60000 об/мин, а в некоторых случаях до 150000 об/мин.

2.5.1 Классификация подшипников качения

1. По форме тел качения делят подшипники на шариковые (рис. 2.5) и роликовые (рис. 2.6). Роликовые, в свою очередь, различают по форме роликов на подшипники: с короткими цилиндрическими роликами (рис. 2.6 а-в); с длинными цилиндрическими (рис. 2.6г); с коническими (рис. 2.6е); с бочкообразными (рис. 2.6д); с игольчатыми (рис. 2.7а).

2. По направлении действия воспринимаемых нагрузок подшипники дифференцируют на следующие: радиальные, способные как воспринимать радиальную нагрузку, но в то же время передавать некоторую осевую нагрузку, (рис. 2.5 а,б), (рис. 2.6 а-г); упорные, предназначенные для восприятия только осевых нагрузок (рис. 2.7 б,в); радиально-упорные, предназначенные для восприятия комбинированной радиальной и осевой нагрузок (рис. 2.5 в,г), (рис. 2.6 д,е).

3. По признаку самоустанавливаемости подшипники делят на несамоустанавливающиеся - все шарико- и роликоподшипники, кроме сферических, а также на самоустанавливающиеся сферические (рис. 2.5б; 2.6д).

4. По габаритным размерам подшипники дифференцируют на размерные серии:

· по наружному диаметру - 7 серий: сверхлегкие (2 серии), особолегкие

(2 серии), легкая, средняя и тяжелая;

· по ширине – 4 серии: узкая, нормальная, широкая, особо широкая.

5. По количеству рядов тел качения подшипники делят на одно- двух- и четырехрядные.

Рис. 2.5. Шариковые подшипники

Рис. 2.6. Роликовые подшипники

а)

б) в)

Рис.2.7. Игольчатые и упорные подшипники

Характеристики наиболее распространенных типов подшипников:

1. Шариковый радиальный однорядный подшипник (рис. 2.5а) в основном предназначен для восприятия радиальных нагрузок, но может воспринимать и передавать и двухсторонние осевые нагрузки. Удовлетворительно работает при перекосе колец, на угол до 1/4°, а по сравнению с другими быстроходнее и дешевле. Наиболее массовый тип подшипника.

2. Шарикоподшипник радиальный двухрядный сферический имеет возможность самоустановки (рис. 2.5б) предназначен для восприятия радиальных нагрузок в условиях значительного перекоса (2-3°) колец подшипника, возникающего вследствие несоосности отверстий под подшипники (в разных корпусах) и больших упругих деформаций валов. Подшипник допускает двухстороннюю фиксацию вала и может воспринимать осевые нагрузки.

3. Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник (рис. 2.5в) предназначен для восприятия совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок. Применяется при средних и высоких частотах вращения. Радиальная грузоподъемность на 30-40% выше, чем радиальных однорядных подшипников. Подшипник выполняется со стандартными углами контакта шариков с кольцами β = 12°, β =26°, β = 36^о. Для передачи двухсторонних осевых нагрузок на опору устанавливают по два подшипника.

4. Шарикоподшипник с четырехточечным контактом (рис. 2.5д) предназначен для восприятия радиальных и двухсторонних осевых нагрузок. Радиальная грузоподъемность благодаря четырехточечному контакту и повышенному числу шариков в 1,5 раза выше грузоподъемности радиальных шариковых однорядных подшипников. Для обеспечения сборки одно из колец выполняется разрезным. Углы контакта β = 15...35⁰, при больших осевых нагрузках β = 35… 45°.

5. Роликовый радиальный однорядный подшипник с короткими цилиндрическими роликами (рис. 2.6 а-г) предназначен для восприятия радиальных нагрузок. Грузоподъемность его в 1,7 раза выше грузоподъемности радиального шарикового однорядного подшипника. Подшипник можно легко разобрать в осевом направлении. Допускается некоторое осевое смещение колец, поэтому его рекомендуют устанавливать при больших температурных деформациях валов или в случае осевой самоустановки вала (рис. 2.6а). При необходимости осевой фиксации валов одном направлении применяют подшипники с одним бортом (рис. 2.6б), для двухсторонней фиксации вала используют конструкцию с буртом и дополнительной шайбой (рис. 2.6в).

6. Роликовый радиальный подшипник с длинными цилиндрическими роликами (игольчатые) (рис. 2.6а) предназначен для восприятия больших нагрузок при ограниченных радиальных габаритах и скоростях вращения до 5 м/с или в случаях катательного движения.

7. Роликовый радиальный двухрядный сферический подшипник (рис. 6д) предназначен для восприятия особо больших радиальных нагрузок при значительных перекосах колец (2-3°). Имеет возможность самоустановки. Подшипники обладают высокими эксплуатационными показателями, но технологически наиболее сложны.

8. Роликовый радиально-упорный конический подшипник (рис. 2.6е) предназначен для восприятия значительных совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок при средних и низких скоростях вращения (до 15 м/с). Радиальная грузоподъемность в 1,9 раза выше, чем у радиального однорядного шарикоподшипника. Отличается удобством сборки и разборки,регулировки зазоров и компенсации износа. Имеет широкое применение в машиностроении. Вершины конических поверхностей дорожек качения колец и роликов совпадают и находятся на оси вращения подшипника для обеспечения чистого качения. Угол контакта (половина угла при вершине конуса дорожки качения наружного кольца) β = 10...16⁰, иногда 25...30°. Угол конусности роликов 1,5…2°.

9. Шарикоподшипник упорный (рис. 2.7 б,в) предназначен для восприятия осевых нагрузок. Одинарный (рис. 2.7б) воспринимает одностороннюю нагрузку, двойной (рис. 2.7в) - двухстороннюю.

2.5.2 Точность подшипников качения