Подши́пник (от «под шип») — сборочный узел, являющийся частью опоры или упора и поддерживающий вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции.
Опора с упорным подшипником называется подпятником.
Основные параметры подшипников: Максимальная динамическая и статическая нагрузка (радиальная и осевая). Максимальная скорость (оборотов в минуту для радиальных подшипников). Посадочные размеры. Класс точности подшипников. Требования к смазке. Ресурс подшипника до появления признаков усталости в оборотах. Шумы подшипника Вибрации подшипника
Нагружающие подшипник силы подразделяют на: радиальную, действующую в направлении, перпендикулярном оси подшипника; осевую, действующую в направлении, параллельном оси подшипника.
Основные типы подшипников По принципу работы все подшипники можно разделить на несколько типов: подшипники качения; подшипники скольжения; К подшипникам скольжения также относят: газостатические подшипники; газодинамические подшипники; гидростатические подшипники; гидродинамические подшипники; магнитные подшипники.
Основные типы, которые применяются в машиностроении, — это подшипники качения и подшипники скольжения.
Подшипники качения
Подшипники качения состоят из двух колец, тел качения (различной формы) и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без сепаратора), отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба — дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.
Также существуют насыпные подшипники, состоящие из сепаратора и вставленных в него шариков (см. рис. выше), которые можно вытаскивать.
Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большее число тел качения и большую грузоподъёмность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.
В подшипниках качения возникает преимущественно трение качения (имеются только небольшие потери на трение скольжения между сепаратором и телами качения), поэтому по сравнению с подшипниками скольжения снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ. 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.
Номенклатура стандартных подшипников качения очень широкая, проектирование машин и механизмов благодаря этому значительно упрощается, сводя проектирование подшипника к его подбору из числа стандартных изделий
Классификация Классификация подшипников качения осуществляется на основе следующих признаков: По виду тел качения Шариковые, Роликовые (игольчатые, если ролики тонкие и длинные); По типу воспринимаемой нагрузки Радиальные (нагрузка вдоль оси вала не допускается). Радиально-упорные, упорно-радиальные. Воспринимают нагрузки как вдоль, так и поперёк оси вала. Часто нагрузка вдоль оси только одного направления. Упорные (нагрузка поперёк оси вала не допускается). Шариковые винтовые передачи. Обеспечивают сопряжение винт-гайка через тела качения. По числу рядов тел качения Однорядные, Двухрядные, Многорядные; Самоустанавливающиеся. Несамоустанавливающиеся.
По материалу тел качений: Полностью стальные; Гибридные: стальные кольца, тела качения неметаллические, как правило, керамические, применяются в быстровращающихся механизмах, чаще всего — в газотурбинных двигателях;
Механическая теория Подшипник представляет собой по существу планетарный механизм, в котором водилом является сепаратор, функции центральных колёс выполняют внутреннее и наружное кольца, а тела качения заменяют сателлиты.
Частота вращения сепаратора или частота вращения шариков вокруг оси подшипника:
где — частота вращения внутреннего кольца радиального шарикоподшипника, — диаметр шарика, — диаметр окружности, проходящей через оси всех тел качения (шариков или роликов).
Частота вращения шарика относительно сепаратора:
Частота вращения сепаратора при вращении наружного кольца:
где — частота вращения внешнего кольца радиального шарикоподшипника.
Для радиально-упорного подшипника:
Из приведённых выше соотношений следует, что при вращении внутреннего кольца сепаратор вращается в ту же сторону. Частота вращения сепаратора зависит от диаметра шариков при неизменном : она возрастает при уменьшении и уменьшается при увеличении
В связи с этим разноразмерность шариков в комплекте подшипника является причиной повышенного износа и выхода из строя сепаратора и подшипника в целом.
При вращении тел качения вокруг оси подшипника на каждое из них действует нагружающая дополнительно дорожку качения наружного кольца центробежная сила:
где — масса тела качения, — угловая скорость сепаратора.
Центробежные силы вызывают перегрузку подшипника при работе на повышенной частоте вращения, повышенное тепловыделение (перегрев подшипника) и ускоренное изнашивание сепаратора. Всё это сокращает срок службы подшипника.
В упорном подшипнике, кроме центробежных сил, на шарики действует обусловленный изменением направления оси вращения шариков в пространстве гироскопический момент
Гироскопический момент будет действовать на шарики и во вращающемся радиально-упорном шарикоподшипнике при действии осевой нагрузки:
где — полярный момент инерции массы шарика; — плотность материала шарика; — угловая скорость вращения шарика вокруг оси вала (угловая скорость сепаратора); — угловая скорость вращения шарика вокруг своей оси.
Под действием гироскопического момента каждый шарик получает дополнительное вращение вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной векторами угловых скоростей шарика и сепаратора. Такое вращение сопровождается изнашиванием поверхностей качения, и для предотвращения вращения подшипник следует нагружать такой осевой силой, чтобы соблюдать условие:
где — момент сил трения от осевой нагрузки на площадках контакта шариков с кольцами.
Условное обозначение подшипников качения в СССР и России
Советская и российская маркировка подшипников состоит из условного обозначения и стандартизована в соответствии ГОСТ 3189-89 и условного обозначения завода-изготовителя.
Основное условное обозначение подшипника состоит из семи цифр основного условного обозначения (при нулевых значениях этих признаков оно может сокращаться до 2 знаков) и дополнительного обозначения, которое располагается слева и справа от основного. При этом дополнительное обозначение, расположенное слева от основного, всегда отделено знаком тире (—), а дополнительное обозначение, расположенное справа, всегда начинается с какой-либо буквы. Чтение знаков основного и дополнительного обозначения производится справа налево.
Подшипники скольжения
Определение
Подшипник скольжения — опора или направляющая механизма, или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент — вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу. Расчёт зазора подшипника, работающего в режиме разделения поверхностей трения смазочным слоем, производится на основе гидродинамической теории смазки.
При расчёте определяются: минимальная толщина смазочного слоя (измеряемая в мкм), давления в смазочном слое, температура и расход смазочных материалов. В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает сухим, граничным, жидкостным и газодинамическим. Однако даже подшипники с жидкостным трением при пуске проходят этап с граничным трением.
Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает низкое трение, разделение подвижных частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды.
Смазка может быть: жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников), пластичной (на основе литиевого мыла и сульфонат кальция и др.), твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.) и газообразной (различные инертные газы, азот и др.).
Наилучшие эксплуатационные свойства показывают пористые самосмазывающиеся подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя остывает и впитывает смазку обратно в поры.
Антифрикционные материалы подшипников изготавливают из твёрдых сплавов (карбид вольфрама или карбид хрома методом порошковой металлургии либо высокоскоростным газопламенным напылением), баббитов и бронз, полимерных материалов, керамики, твёрдых пород дерева (железное дерево)В смысле «подшипники из дерева»? Такие ставят даже на подводные лодки! // За рулём.
PV-фактор PV-фактор — основная характеристика (критерий) оценки работоспособности подшипника скольжения. Является произведением удельной нагрузки P (МПа) на окружную скорость V (м/с). Определяется для каждого антифрикционного материала экспериментально при испытаниях или в процессе эксплуатации. Многие данные по соблюдению оптимального PV-фактора даны в справочниках
Классификация В основу классификации положен анализ режимов работы подшипников по диаграмме Герси — Штрибека.
Подшипники скольжения разделяют: в зависимости от формы подшипникового отверстия: одно- или многоповерхностные, со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения), со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа); по направлению восприятия нагрузки: радиальные осевые (упорные, подпятники), радиально-упорные; по конструкции: неразъёмные (втулочные; в основном, для I-1), разъёмные (состоящие из корпуса и крышки; в основном, для всех, кроме I-1), встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины); по количеству масляных клапанов: с одним клапаном, с несколькими клапанами; по возможности регулирования: нерегулируемые, регулируемые.
Ниже представлена таблица групп и классов подшипников скольжения (примеры обозначения: I-1, II-5). Группа Класс Способ смазки Вид трения Примерный коэффициент трения Назначение Область применения I (несовершенная смазка) 1 Малое количество, подача непостоянная Граничное 0,1…0,3 Малые скорости скольжения и небольшие удельные давления Опорные ролики транспортёров, ходовых колёс мостовых кранов 2 Обычно непрерывная Полужидкостное 0,02…0,1 Кратковременный режим с постоянным или переменным направлением вращения вала, малые скорости и большие удельные нагрузки Линейные и формовочные машины Кузнечно-прессовое оборудование Прокатные станы Грузоподъёмные машины 3 Масляная ванна или кольца 0,001…0,02 Мало меняющиеся по величине и направлению усилия большие и средние нагрузки Буксы вагонов Тяжёлые станки Мощные электрические машины Тяжёлые редукторы Текстильные машины Под давлением Переменная нагрузка Газовые двигатели Тихоходные и судовые двигатели II 4 Кольца, комбинированный или под давлением Жидкостное 0,0005…0,005 Малые окружные скорости валов, особо тяжёлые условия работы при переменных по величине и направлению нагрузках Электрические машины средней и малой мощности Лёгкие и средние редукторы Центробежные насосы и компрессоры Прокатные станы 5 Под давлением 0,005…0,05 Слабонагруженные опоры с большими скоростями скольжения Паровые турбины Водяные турбины Газовые турбины