Критерии работоспособности

Основной причиной выхода из строя подшипников качения, работающих в условиях хорошего смазывания без загрязнений, является усталостное выкрашивание рабочих поверхностей колец и тел качения. Это связано с циклическим изменением контактных напряжений при вращении колец подшипника.

Для подшипников машин, работающих в абразивной среде (транспортные, дорожные, строительные, горные и многие другие машины), часто причиной разрушения является износ.

Разрушение сепаратора характерно для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец. Из-за неизбежной разноразмерности тел качения даже в пределах допуска происходит набегание части тел качения на сепаратор и отставание другой части, что приводит к дополнительным нагрузкам на сепаратор и его износу.

При ударах и перегрузках на рабочих поверхностях подшипников появляются вмятины, сколы бортов, происходит раскалывание колец и тел качения.

Иногда отказы подшипников качения связаны с повышением температуры, которое вызывает потерю необходимых свойств смазочного материала, структурные изменения (отпуск) в материале колец и тел качения. Для некоторых механизмов (например, в станках) большое значение имеют точность вращения и отсутствие вибраций в опорах.

В настоящее время в зависимости от условий работы расчет (подбор) подшипников качения на заданный ресурс ведут по динамической грузоподъемности (критерий усталостного выкрашивания), по статической грузоподъемности (критерий максимальных контактных напряжений) и проверяют подшипник по предельной частоте вращения.

Расчеты по критерию износостойкости из-за сложности пока нашли широкого применения.

Подпятники

Подпятники - упорный подшипник, опора вращающихся деталей машин, воспринимающая только осевые нагрузки. Различают подпятники скольжения, у которых трущиеся поверхности разделены слоем смазки, и качения, имеющие шарики или ролики. Подпятники работают во взаимодействии с пятами валов.

Назначение подпятников — воспринимать осевые нагрузки или осуществлять осевую фиксацию вала (рис. 96). Вал снабжают упорным диском или гребнями, которые взаимодействуют с неподвижной пятой.

В гидродинамических подпятниках нет естественного, клинового зазора, как в подшипниках скольжения и его создают искусственно (рис. 96, а). Поэтому сужающийся зазор должен быть создан искусственно. Для этого на кольцах делают радиальные канавки и скосы в окружном направлении под оптимальным для данного режима углом. В гидростатических подшипниках (рис. 96, б) давление в масле создают специальным насосом.

Хороший эффект дает применение самоустанавливающихся подушек на сферических опорах (рис. 97). Подушки автоматически устанавливаются под оптимальным углом.

Рис.96. Схемы подпятника: а — гидродинамического; Рис.97. Самоустанавливающиеся подушки

б — гидростатическогогидродинамического подпятника

В настоящее время подпятники скольжения по возможности заменяют опорами качения в связи с тем, что в подпятниках труднее, чем в подшипниках, обеспечить жидкостную смазку и применяют еще при очень больших нагрузках, например в гидрогенераторах, в которых подшипники качения имели бы очень большие размеры.

Осевой фиксации валов, а также восприятия малых осевых сил можно достигнуть взаимодействием буртов на валу или упорных колец с торцами вкладышей подшипников скольжения.

Важнейшим условием хорошей работы подпятников является перпендикулярность плоскости подушки и пяты к оси вращения. Если ее нельзя обеспечить технологически, то необходимо применять самоустанавливающиеся конструкции подпятников.

В подпятниках, работающих с износом (в условиях несовершенного трения), давление возрастает к центру, где меньше скорость скольжения и износ. Поэтому опорную поверхность делают кольцевой.

Подпятники с автоматическим выравниванием давления на подушки допускают более высокую нагрузку (до 50 %), чем без автоматического выравнивания.

Магнитные подшипники

В магнитных подшипниках (в основном, электромагнитных) подъемная сила создается в результате взаимодействия магнитных полей. Подшипники способны работать без износа с очень высокими частотами вращения (до 10⁸ мин^-1) и при температуре от абсолютного нуля до +250°С. Величина и направление магнитных сил регулируются электронной системой управления, работающей совместно с датчиками положения вала. Магнитные подшипники пока еще достаточно дороги. Например, шпиндели фрезерных и шлифовальных станков с магнитными подшипниками фирмы Ibag имеют стоимость порядка 100 тыс. марок.

Достоинства магнитных подшипников: применяемость при высоких скоростях, высокая точность вращения, малый расход энергии и малый нагрев, отсутствие изнашивания, отсутствие необходимости смазки и уплотнений от ее вытекания, возможность работы в вакууме, при низких и высоких температурах, в коррозионной и радиоактивной среде, возможность управляемого смещения оси вала в пределах зазора. Зато эти подшипники вместе с системой питания и управления, естественно, сложнее, а интенсивность магнитных сил меньше, чем сил в гидродинамических и гидростатических подшипниках, а потому они имеют меньшую несущую способность. Для общемашиностроительного применения основное значение имеют активные электромагнитные подшипники. В них ось вала стабильно поддерживается в пространстве электромагнитными силами, управление которых производится по сигналам от индуктивных датчиков, контролирующих положение вала.

Подобно асинхронному двигателю ротор радиального подшипника образован кольцевым пакетом листового железа с высокими магнитными свойствами. Надежность обеспечивается резервированием обмоток и электронных схем. Число полюсов от 8 до 32 (с резервными).

Несущая способность при применении кремнистого железа 0,25 МПа, а кобальтового железа 0,50 МПа, что обычно бывает достаточно для быстроходных подшипников, включая подшипники паровых и газовых турбин. Подшипники с постоянными магнитами обладают меньшей несущей способностью.