Подшипниковая промышленность
Впервые в мире промышленное производство подшипников качения было организовано в 1883 в Германии. Примерно в это же время вступили в действие подшипниковые заводы в США. В России первое подшипниковое предприятие возникло в Москве в 1916, где в небольших мастерских производилась сборка шариковых подшипников. После Октябрьской революции 1917 оно передано (1923) в концессию шведской фирме "СКФ". В 1924 на нём изготовлено 8,3 тыс. подшипников. В 1929 началось строительство 1-го Государственного подшипникового завода (ГПЗ-1), который был пущен в 1932. В 1931 организован ГПЗ-2 на базе ликвидированной концессии "СКФ". В 1941 вступил в строй ГПЗ-3 в Саратове. В 1932 в СССР было изготовлено 2 млн. подшипников, а в 1940 — 44,8 млн. В годы Великой Отечественной войны 1941—1945 подшипниковая промышленность обеспечивала подшипниками военную технику, а также выпускала оборонную продукцию. В послевоенный период построены заводы, специализирующиеся на производстве подшипников определённой конструктивной номенклатуры. К 1974 число действующих подшипниковых предприятий достигло 19 (в Москве ГПЗ-1 и ГПЗ-2, Куйбышеве ГПЗ-4 и ГПЗ-9, Саратове ГПЗ-3, Харькове ГПЗ-8, Минске ГПЗ-11, Волжском ГПЗ-15, а также в Томске, Свердловске, Баку, Ростове-на-Дону, Ижевске, Прокопьевске, Виннице, Курске, Вологде). Кроме того, было создано 14 заводов по восстановлению подшипников. В подшипниковой промышленности сочетаются все виды производства: массовое, крупносерийное и серийное. На предприятиях отрасли была достигнута высокая степень автоматизации: действуют 830 автоматических линий, 63% технологического оборудования — автоматы и полуавтоматы; широко развита автоматизация контрольно-измерительных операций. Объём производства подшипников в 1973 по сравнению с 1950 возрос в 3,3 раза. Расширялся экспорт подшипников, поставлялись более чем в 40 стран. Имелся Всесоюзный научно-исследовательский конструкторско-технологический институт подшипниковой промышленности.
Подшипник качения
Подшипники качения (рис. 92 , 93) обычно состоят из наружного и внутреннего колец, тел качения (шариков или роликов) и сепаратора, удерживающего тела качения на определенном расстоянии друг от друга. Иногда одно или оба кольца могут отсутствовать и тогда тела качения катятся непосредственно по валу или корпусу.
Подшипники качения являются основным видом опор валов и осей в машинах и имеют международную стандартизацию. Известны миниатюрные подшипники качения с внутренним диаметром d = 0,6 мм, наружным диаметром D = 2 мм, шириной В = 0,8 мм и массой 0,015 г, а также особо крупные, у которых соответственно d = 12 м, D =14 м, В = 0,45 ми масса 130 т.
Основные достоинства подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения: 1) меньшие моменты трения при пуске; 2) меньшие осевые габаритные размеры; 3) простота обслуживания и малый расход смазочного материала; 4) полная взаимозаменяемость; 5) малая стоимость в связи с массовым производством; 6) меньший расход цветных металлов.
К недостаткам подшипников качения относят: 1) большие радиальные габаритные размеры; 2) значительные контактные напряжения, ограничивающие ресурс; 3) переменную радиальную жесткость по углу поворота и повышенный шум из-за циклического перекатывания тел качения через нагруженную зону; 4) меньшую способность демпфировать колебания и ударные нагрузки; 5) ограниченную быстроходность; 6) высокую стоимость подшипников при мелкосерийном производстве.
Рис. 92. Шарикоподшипники. Рис. 93. Роликоподшипники.
Классификация и обозначения подшипников.
1. По форме тел качения подшипники подразделяют на шариковый (см. рис. 92) и роликовые (см. рис. 93). В зависимости от формы различают ролики: короткие и длинные цилиндрические, конические, сферические, игольчатые, полые, витые и др.
2. По направлению воспринимаемой нагрузки различают подшипники:
радиальные (рис. 92, а, в; 93, а, б, в, д), которые воспринимают радиальную или преимущественно радиальную нагрузку;
радиально-упорные, (рис. 92, б, г; 93, г), предназначенные для восприятия комбинированной нагрузки (радиальной и осевой);
упорно-радиальные (рис. 92, д), предназначенные для восприятия осевой или преимущественно осевой нагрузки;
упорные (рис. 92, е), предназначенные для восприятия только осевой нагрузки.
3. По числу рядов тел качения различают подшипники одно-, двух- и многорядные.
4. По основному конструктивному признаку подшипник подразделяют на самоустанавливающиеся (сферические), которые допускают работу с взаимным перекосом колец до 4° (см рис. 92, в; 93, в), и несамоустанавливающиеся— все остальные (допустимый взаимный перекос колец от 1 до 8');
5. По соотношению габаритных размеров подшипники разделяют на серии. При одном и том же внутреннем посадочном диаметре подшипники одного типа могут иметь различные наружные диаметры и ширину, т. е. различные серии по диаметру и ширине (рис. 94). С увеличением габаритных размеров растет нагрузочная способность подшипника, но снижается предельная частота вращения.
6. Стандартом установлено несколько классов точности подшипников (в порядке повышения): 8, 7, 0, 6Х, 6, 5, 4, 2 и Т. Класс точности определяет точность размеров и формы деталей подшипников. В зависимости от класса точности и дополнительных требований различают три категории подшипников: А, В и С. Наибольшее распространение имеют подшипники нормального класса точности 0. С повышением класса точности существенно возрастает стоимость изготовления подшипника. Так, подшипник класса точности 2 примерно в десять раз дороже подшипника класса точности 0.
7. По специальным требованиям выпускают подшипники теплостойкие, высокоскоростные, малошумные, коррозионно-стойкие, немагнитные, самосмазывающиеся и др.
8. По уровню вибраций различают, подшипники с нормальным, пониженным и низким уровнем вибрации.
Рис.94. Размерные серии подшипников качения: Рис. 95. Сдвоенные шариковые радиально- упорные подшипники:
а - особо легкая; б - легкая; в - легкая широкая; а - по схеме О; б - по схеме X; в - по схеме Т «тандем»
г - средняя; д - средняя широкая; е – тяжелая.
Обозначение подшипника наносят на торцовой поверхности колец. Основное обозначение может содержать до семи цифр. При отсчете справа налево первые две цифры определяют внутренний диаметр подшипника, третья и седьмая цифры — серию по наружному диаметру и ширине, четвертая цифра — тип, пятая и шестая цифры — конструктивную разновидность. Внутренний диаметр подшипника в диапазоне 20…495 мм соответствует двузначному числу условного обозначения, умноженному на пять. Для других размеров диаметров обозначение особое. Слева от основного обозначения указывают класс точности подшипника, если он отличён от нормального. Подшипники, изготовленные по специальным техническим требованиям, имеют справа от основного обозначения дополнительные знаки в виде букв и цифр. Буква А, например, обозначает повышенную грузоподъемность подшипника, а буква М — наличие модифицированного контакта (см. ниже).
Характеристики подшипников основных типов.
Шарикоподшипники. Шариковый радиальный однорядный подшипник (см. рис. 92, а) предназначен для восприятия радиальной нагрузки и осевой, действующей в обоих направлениях. Сепаратор обычно штампованный, скрепленный из двух частей заклепками, и центрируется по телам качения. Более дорогие массивные сепараторы применяют при повышенных частотах вращения и для крупногабаритных подшипников. Некоторые конструкция подшипников снабжены встроенными защитными шайбами или специальными уплотнениями, расположенными с одной или с обеих сторон подшипника. Допускаемый взаимный перекос осей колец до 8'.
Шариковый радиально-упорный подшипник (см. рис. 92, б) предназначен для восприятия комбинированной нагрузки: радиальной и односторонней осевой. Нагрузочная способность этих подшипников выше, чем у радиальных шариковых, благодаря большему числу тел качения, которое удается разместить в подшипнике из-за наличия скоса на наружном или внутреннем кольце. Способность подшипника воспринимать осевую нагрузку зависит от номинального угла контакта α (угол между нормалью к площадке контакта наружного кольца с телом качения и плоскостью вращения подшипника). С ростом α осевая грузоподъемность подшипника растет, а предельная частота вращения и допускаемая радиальная нагрузка уменьшаются. Сепараторы для этих подшипников выполняют, как правило, массивными. Подшипники изготовляют с номинальными углами контакта α = 12, 26 и 36°. В настоящее время выпускают подшипники с углами контакта 15, 25 и 36°, которые отличаются наличием скоса на внутреннем кольце и центрированием сепаратора по наружному кольцу. Это позволяет существенно повысить предельную частоту вращения вследствие более благоприятных условий смазки. Так например, при смазке масляным туманом подшипник 36100К (α = 15° ) может работать с частотой вращения до 70000 мин-1, а подшипник 36100 (α = 12° ) только до 46000 мин-1.
Для восприятия осевых нагрузок обоих направлений, радиально-упорные подшипники сдваивают, устанавливая ихна валу попарно по схеме О (95, а) или X (95, б). При больших осевых нагрузках в одном направлении и стесненных радиальных размерах, а также для скоростных опор используют последовательную установку подшипников по схеме Т «тандем» (95, в).
Шариковый радиальный двухрядный сферический подшипник (см. рис. 92, в) допускает работу в условиях взаимных перекосов осей колец до 4° благодаря сферической поверхности дорожки качения наружного кольца. Подшипник воспринимает некоторые осевые силы в обоих направлениях. Сепараторы чаще всего штампованные. Эти подшипники могут иметь на внутреннем кольце коническое отверстие для установки на цилиндрическом валу с помощью конических втулок.
Шариковый радиально-упорный подшипник с разъемным внутренним кольцом (см. рис. 92, г) в зависимости от формы дорожек качения имеет трех- или четырехточечный контакт шарика с кольцами и предназначен для восприятия радиальной и осевой нагрузки в обоих направлениях. Существуют аналогичные подшипники с разъемным наружным кольцом.
Шариковый упорно-радиальный подшипник (см. рис. 92, д) предназначен для восприятия значительной осевой и некоторой радиальной нагрузки.
Упорный шариковый одинарный подшипник (см. рис. 92, г) предназначен для восприятия только осевых нагрузок. Размеры наружных и внутренних диаметров колец отличаются. Тугое кольцо устанавливают на валу, а свободное — в корпус. Частоты вращения ограничены центробежными силами и гироскопическими моментами, действующими на шарики. Для восприятия двусторонней осевой нагрузки применяют двойные упорные подшипники. Допустимый перекос колец до 2'.
Роликоподшипники. Роликовый радиальный подшипник с короткими цилиндрическими роликами (см. рис. 93, а) предназначен для восприятия радиальных нагрузок. Роликоподшипники очень чувствительны к относительным перекосам колец. Перекосы вызывают концентрацию контактных напряжений на краях роликов (краевой эффект). Для уменьшения концентрации напряжений используют подшипники с модифицированным контактом: ролики или дорожки, качения делают с небольшой выпуклостью (бомбимой), что приводит к повышению допускаемого угла перекоса с 2 до 6', а ресурса в 1,5...2раза. Подшипники с бортами на обоих кольцах (см. рис. 93, б) могут воспринимать осевую нагрузку при условии, что она не более 0,2...0,4 от радиальной в зависимости от серии подшипника. Расчеты допускаемых осевых нагрузок, которые в этих подшипниках ограничиваются не контактными напряжениями, а силами трения на торцах роликов. Сепараторы у этих подшипников штампованные или массивные.
Роликовый радиальный сферический двухрядный подшипник (см. рис. 93, в) отличается от радиального сферического двухрядного шарикоподшипника большей грузоподъемностью, но меньшей быстроходностью. Допустимый угол взаимного перекоса колец до 4°.
Роликовый радиально-упорный конический подшипник (см. рис. 93, г) предназначен для восприятия совместно действующих радиальной и односторонней осевой нагрузки. Сепаратор стальной штампованный или точеный. Обычно угол конуса наружного кольца α = 10... 18°. Подшипники с большими углами конуса α = 25...30° применяют в качестве сдвоенных для восприятия больших осевых нагрузок. Нагрузочная способность радиально-упорных роликоподшипников выше, чем у радиально-упорных шариковых подшипников, но предельная частота и точность вращения ниже. Для восприятия значительных нагрузок при стесненных радиальных размерах эти подшипники сдваивают по схемам О, X, Т или используют многорядные конические подшипники.
Игольчатый роликоподшипник (см, рис. 93, д) применяют при ограниченных радиальных размерах, а также при качательном движении. Для повышения нагрузочной способности подшипника иглы часто устанавливают без сепаратора, что позволяет увеличить число игл. Для уменьшения диаметральных размеров широко используют игольчатые подшипники без внутреннего кольца. Осевые нагрузки эти подшипники не воспринимают.
Роликоподшипники с витыми роликами применяют при ударных нагрузках и в загрязненной среде, но область их применения в связи с низкой нагрузочной способностью сужается.
Материалы деталей подшипников. Деталиподшипников работают в условиях высоких контактных напряжений и поэтому должны иметь повышенную прочность, структурную однородность и твердость. Кольца и тела качения изготовляют из специальных подшипниковых сталей марок ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В, ШХ15СГ, ШХ15СГ-В, ЩХ15СГ-Ш и др. В зависимости от марки стали твердость колец и роликов составляет 58...66 НRСЭ, а шариков 63...67 НRСЭ. Для подшипников, работающих при повышенных температурах, твердость ниже. Это связано со специальным отпуском деталей при термообработке. При расчетах подшипников из стали марки 8Х4В9Ф2, сохраняющей твердость 62НRСЭ при высоких температурах, поправку на влияние температуры не учитывают.
Сепараторы изготовляют из мягкой углеродистой стали. Для массивных сепараторов используют бронзы, латуни, алюминиевые сплавы, металлокерамику, текстолит, полиамиды и другие пластмассы.