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.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 2.5. Шариковые подшипники

а)

б)

в)

г)

д)

е)

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

Согласно ГОСТ 520-71 установлены следующие классы точности подшипников, в порядке ее повышения: 0, 6, 5, 4 и 2. При назначении класса точности исходят из скорости его вращения, так как при работе подшипника на тела качения действуют кроме внешних сил еще центробежные силы и гироскопические моменты, которые возрастают с увеличением частоты вращения. Это накладывает ограничения на предельные скорости подшипников качения, что регулируется параметром предельной быстроходности (для нормального класса точности ). Так же следует учитывать экономический критерий, так как стоимость подшипников существенно возрастает с повышением класса точности. Для большинства валов и осей общего назначения применяют подшипники нормального класса точности 0.

2.5.3 Условное обозначение подшипников качения

Условное обозначение подшипников (ГОСТ 3189-75) маркируется на торцах колец, указывается в чертежах и спецификациях. Кроме условного обозначения на торце маркируется завод-изготовитель.

Условное обозначение состоит из основной части и (в необходимых случаях) дополнительной.

Основное обозначение является цифровым, оно содержит не более 7 цифр. Значения цифр в условном обозначении определяются занимаемыми ими местами (табл.2.1).

Нули, стоящие левее последней значащей цифры, отбрасываются и на подшипниках не маркируются. Класс точности подшипника указывается цифрой, стоящей перед обозначением подшипника и отделенной от него разделительным знаком тире (-).

Таблица 2.1. Значения цифр в условном обозначении
Места цифр в условном обозначении (считая справа налево)	Значения цифр	Номер таблицы
1-е и 2-е	Диаметр вала (внутренний диаметр подшипника)
3-е	Серия подшипника по наружному диаметру
4-е	Тип подшипника
5-е и 6-е	Конструктивные особенности
7-е	Серия подшипника по ширине
*	Дополнительные особенности

* Справа от основного обозначения могут быть нанесены дополнительные индексы, характеризующие изменения материалаконструкции, размеров деталей и специальные технические требования (см. табл. 2.4). Например, условное обозначение 2176109Е, маркированное на торце подшипникового кольца, расшифровывается так:

подшипник шариковый радиально-упорный (4-я цифра, табл.2.4) с диаметром под вал 45 мм (1-я и 2-я цифры, табл. 2.2); особо легкой широкой серии (3-я и 7-я цифры, табл. 2.3); с разъемным вну­тренним кольцом, четырехточечный (5-я и 6-я цифры, табл. 2.4), нормальной точности (0 не маркируется), с пластмассовым сепаратором (Е, табл. 2.3).

Таблица 2.2.

Обозначение внутреннего диаметра

Внутренний диаметр, мм	Условное обозначение
От 1 до 9 От 20 до 495	Первая цифра – фактический размер d, мм * Частное от деления d на 5

· На втором месте в условном обозначении – серия, на третьем – цифра 0.

Таблица 2.3.

Обозначение серии подшипников

Серии по наружному диаметру	Обозна- чение	Серии по ширине	Обозна- чение	Совместное обозначение серий по диаметру и ширине
	3-я цифра		7-я цифра	3-я цифра	7-я цифра
Сверхлегкие		Узкая Нормальная Широкая Особо широкая
	Узкая Нормальная Широкая Особо широкая	3,4,5,6		3,4,5,6
Особо легкие		Узкая Нормальная Широкая Особо широкая	3,4,5,6		3,4,5,6
	Узкая Нормальная Широкая Особо широкая
Легкая	2 или 5(*)	Узкая Нормальная Широкая Особо широкая		5(*)
Средняя	3 или 6 (*)	Узкая Нормальная Широкая Особо широкая		6(*)
Тяжелая		Узкая Широкая
Неопределенные		Неопределенные
Ненормальные		Неопределенные
Мелкогабарит.		Разные

(*) – цифры 5 и 6 характеризуют серию по диаметру и ширине

Таблица 2.4.