Высокоскоростные подшипники

Оборудование, работающее со сверхвысокими оборотами, позволяет решать важные технологические задачи. При обработке металлов, дерева, пластмасс высокие скорости резания позволяют значительно повысить чистоту обработки материала и общую производительность. Высокие обороты также ключевое условие работоспособности компрессоров, вентиляторов, насосов, турбин.

Технология сепарации и разделения в значительной мере основана на, использующих сверхвысокие обороты центрифугах. Требует повышенных оборотов рабочего органа и ультратонкое измельчение. Для многих видов современного оборудования необходимо применять высокооборотистые подшипники.

Грузоподъемность подшипников

Современные механизмы требуют компактных и надежных соединений вращающихся деталей (валов) с неподвижными частями. Валы могут передавать значительные усилия или скорости вращения с помощью специальных технологических изделий – подшипников.

Для оценки надежности подшипников используют принятый во всем мире способ – расчет на номинальную долговечность, динамическую и статическую грузоподъемность. Статья содержит сведения о силах, действующих в сопрягаемых узлах, методах расчета и понятия надежности работы подшипника.

Подшипники качения для высоких оборотов

К факторам, ограничивающим рабочие обороты подшипников качения, относятся:

• перегрев в процессе эксплуатации;
• превышение допускаемых напряжений контактных, вследствие роста центробежной нагрузки.

Соответственно различают номинальные обороты из условия соблюдения допустимого температурного режима. Параметр номинальных оборотов, прежде всего, применим для оборудования, работающего в установившемся режиме. В значительной мере он зависит от типа и особенностей применяемой смазки. В каталогах основных производителей подшипников отдельно выделяют допустимые обороты при масляной и консистентной смазках. Примером служит страница из каталога Koyo.

Из условия отсутствия деформаций принимают предельные обороты особенно актуальные для работы оборудования в старт-стопном режиме с частыми изменениями нагрузки. Предельные обороты обычно больше допустимых номинальных. Однако для шарикоподшипников самоустанавливающихся большими являются номинальные допустимые обороты. Конкретный выбор подшипника проводят исходя из наименьшего значения обоих параметров.

Среди факторов, определяющих скоростные показатели подшипника:

• форма тел качения с большей быстроходностью у шарикоподшипников;
• геометрические размеры, дающие преимущество маленьким подшипникам в силу снижения центробежных нагрузок и линейных скоростей шариков;
• наличие сепаратора, особенно, полиамидного;
• использование керамики с малым весом и высокой твердостью;
• конструкция, где открытые подшипники выигрывают в скорости у закрытых моделей;
• подшипники с наличием внутреннего зазора имеют лучшие скоростные показатели, чем при предварительном натяге;
• точность и чистота обработки, дающая преимущество в скорости прецизионным модификациям;
• тип смазки, где пластичная смазка уступает масляной по допускаемым оборотам подшипника.

В силу зависимости скоростных характеристик от геометрических размеров для оценки уровня конструкции вводят скоростной коэффициент dmn, определяемый произведением номинальной скорости на средний диаметр подшипника.

Силы, действующие на подшипник

Для того, чтобы правильно понимать суть темы, необходимо определиться с некоторыми терминами: так, радиальное направление – это вектор силы направленный перпендикулярно оси подшипника; осевое – это направление, которое направлено вдоль оси кольца или подшипника.

Рис. 1. Силы, действующие на подшипник. 1- радиальная, 2- осевая, 3- смешанная нагрузка.

Сила, действующая вдоль оси, называется осевой, по направлению радиального вектора – радиальной. Если на узел действует обе силы, то такое действие называется смешанным. Направление сил, действующих на подшипник можно увидеть на рисунке 1.

Одним из основных показателей долговечности в работе является сопротивление усталостному выкрашиванию и пластической деформации. В первом случае дефект вызывает статическая нагрузка, во втором динамическая. Работоспособным подшипник остается если под действием нагрузки у него не происходит деформация тел качения, например, ролика или шарика, не более чем на одну десятитысячную долю миллиметра (0,0001 мм).

Какие подшипники хорошо выдерживают осевую нагрузку?

Если основное воздействие на работающие сборочные узлы будет идти параллельно осям, то при подборе элемента следует обратить внимание на показатель Fa в паспорте изделия. Осевая нагрузка отлично компенсируется ударными и

подшипники. В их конструкции используются косые упоры, являющиеся дорожками качения, смещенными относительно центральной оси плоскости подшипникового кольца и относительно друг друга.

С более значительным осевым давлением смогут справиться роликоподшипники с коническими роликами. В этой конструкции дорожки качения находятся под наклоном. Благодаря этому решению конические ролики могут воспринимать радиальное и осевое воздействие. Высокая грузоподъемность устройства обеспечивается большой протяженностью поверхности контакта ролика с дорожкой качения.

Также для компенсации тяжелого и длительного воздействия подходят игольчатые и сферические роликоподшипники. Если влияние сил будет переменным, то инженеры рекомендуют использовать два цилиндрических или сферических упорных роликоподшипника.

Важен ли вид воздействия?

При выборе неподвижного или подвижного подшипника многие забывают о том, как именно он будет работать и воздействию каких сил будет подвергаться. Любую нагрузку можно поделить на статическую и динамическую. Статическое воздействие всегда будет меньше динамического, при всё усилие будет распределяться в одной и той же зоне недвижимого узла. Это упрощает процесс производства детали и подбор материалов.

Динамическая осевая нагрузка на подшипник распределяется равномерно между всеми элементами узла и на площади дорожек качения. При расчетах проектировщики часто опираются именно на нее в ситуациях, когда вал будет нагружаться в процессе вращения. Если же речь идёт о статическом воздействии, то при эксплуатации устройства возникают большие предпосылки к усталости металла в зоне контакта подвижных элементов. Инженерам придется тщательно подбирать материал для производства подвижных узлов. При подборе сборочных узлов кроме направленности и величины действующих на конструкцию сил надо учитывать:

• особенности физического пространства в механизме, куда будет помещено устройство;
• вращательную скорость;
• способность компенсировать несоосность корпуса и вала.

Статическая грузоподъемность

Если подшипниковый узел нагружен статической нагрузкой – подшипник находится в неподвижном состоянии, вращается менее 1 об/мин или совершает медленные колебательные движения, то это действует статическая грузоподъемность подшипника.

Основное условие, прочности узла, которое должно обязательно выполняться, выражено формулой:

Ро < Со,

где: Ро – эквивалентная статическая нагрузка (радиальная нагрузка); Со – статическая грузоподъемность (выбирается в каталогах на подшипники).

При заданном коэффициенте запаса S0:

S0 = Со / Ро ,

где: S0 – статический коэффициент запаса.

Статическая грузоподъемность – это нагрузка при которой остаточная деформация тел качения или обойм составляет 0,0001мм. диаметра тел качения.

Эта величина определяется по следующей формуле:

Ро = X0∙Fr + Y0∙Fa. (кН); ( см. Рис.1)

где: Хо и Yo — коэффициенты радиальной и осевой статических нагрузок и
подбираются по каталогу. (см. Табл.1)

Значения коэффициентов радиальной Хо и осевой Yo нагрузок

Строго радиальная нагрузка в реальных подшипниковых узлах встречается редко, зачастую нагрузка бывает переменной от P min до Р max. При этих условиях величина статической грузоподъемности (при условии постоянной частоты изменения амплитуды) определяется:

Ро = (P min + Р max) / 3; (кН.).;

где – P min, Р max – величина изменяющейся силы.

Динамическая грузоподъемность подшипника и долговечность (ресурс) подшипника

Динамическая грузоподъемность указана в паспортах на каждый подшипник или группу, эта величина устанавливается экспериментально и выражается в постоянной нагрузке, которую подшипник выдерживает течение одного миллиона (1 млн.) оборотов без появления деформации любого вида у 90% из числа испытуемых подшипников. Например, из партии 1000 изделий – 900 выдерживают нагрузку без возникших дефектов. Эта зависимость приводится в каталогах для каждого вида подшипников:

Долговечность подшипников L в зависимости и отношения C/P для шариковых подшипников Долговечность подшипников L в зависимости и отношения C/P для роликовых подшипников

Динамическая грузоподъемность и долговечность связаны между собой зависимостью, которая получила название – эмпирическая зависимость, выражается формулой:

L = (С/Р),

где: L – ресурс в млн. оборотов; С – величина динамической нагрузки.

Расчет осевой нагрузки радиально-упорного подшипника

Осевая нагрузка на подшипник в этом случае определяется с учетом осевой составляющей радиального воздействия. При этом в зависимости от формы используемых внутри сборочного узла элементов будет изменяться и формула. Рассчитать нагрузку на подшипник радиального и типа с зазором, близким или равным нулю, можно по следующей формуле:

е — коэффициент нагружения по оси. Он зависит от угла контакта. Чем больше этот показатель, тем большую приложенную силу сможет выдержать готовое устройство. Для конических роликоподшипников формула изменится следующим образом:

В большинстве случаев самостоятельно инженеру или проектировщику определять осевую нагрузку на подшипник не нужно. Она указывается в каталоге производителя изделия или в паспорте оборудования, куда будет установлен сборочный узел. При проектировании оборудования по индивидуальному заказу расчетом осевой нагрузки подшипника должна компания, которая будет заниматься производством механизма.

На сайте компании «Ф и Ф» вы сможете подобрать подшипники с конкретными характеристиками для определенных механизмов или заказать их производство по индивидуальным чертежам и расчетам. В каталогах вы также найдете редукторы, муфты, линейные направляющие и другие элементы, необходимые для стабильной работы промышленной техники.

Силы, действующие на радиальные и радиально-упорные шариковые и роликовые подшипники, расчет эквивалентной нагрузки

Для компенсации осевых нагрузок, действующих на валах, применяются упорные подшипники. Осевая нагрузка – Fx воспринимается роликами, находящимися в обоймах, наклоненных под углом, таким образом передавая нагрузку N на детали корпуса.

Рис. 2. Осевая нагрузка и силы действующее на упорный подшипник.

Для устойчивой и надежной работы узла с такими действующими на подшипник силами необходимо выполнение условия: Fr 1 ≥ Fx + S2 и Fr 2 ≥ S1+ Fx.

Эквивалентная нагрузка определяется по формуле:

Р0 = (X∙V∙Fr + Y∙Fa)∙Kb∙KT, с по

где: Fr и Fa- радиальная и осевая нагрузки на подшипник;

V- коэффициент вращения кольца (V =1 при вращении внутреннего кольца, V =1,2 – при вращении наружного кольца);

Kb – коэффициент, учитывающий величину нагрузки;

KT – температурный коэффициент.
С последующими выполнением Ро < Со.

Все значения коэффициентов получены экспериментально и приведены в справочных пособиях.

В таблице ниже приведена зависимость серий шариковых радиально – упорных подшипников от нагрузки.