Моделирование подшипников качения в программном пакете COMSOL Multiphysics®
Подшипники, в особенности подшипники качения, очень широко используются в промышленности. Такие подшипники имеются в редукторах, транспортерах, электродвигателях и прокатных станах. По сравнению с гидродинамическими подшипниками, пусковой крутящий момент и трение в них меньше. Они также выдерживают резкие колебания скорости, температуры и нагрузок. В этой статье блога мы рассмотрим различные типы подшипников и покажем, как в программном пакете COMSOL Multiphysics® можно моделировать роторную систему с подшипником качения в качестве опоры.
Что такое подшипник качения?
Как правило, подшипники качения состоят из четырех частей:
- Внутреннее кольцо
- Внешнее кольцо
- Элементы качения
- Сепаратор
Внутреннее кольцо соединено с валом, а внешнее — с опорой подшипника. Между внутренним и внешним кольцом вставляется несколько элементов качения, что позволяет им скользить друг относительно друга из-за вращения элементов.
Сепаратор не позволяет элементам качения отделяться друг от друга.
Вид спереди типичного подшипника качения со смещенным центром вала.
Подшипник качения помогает выдерживать нагрузки и обеспечивает ограниченное перемещение внутреннего кольца относительно внешнего. В COMSOL Multiphysics доступны следующие типы подшипников:
- Шариковый подшипник с глубокой дорожкой качения
- Шариковый радиально-упорный подшипник
- Шариковый самоцентрирующийся подшипник
- Роликовый цилиндрический подшипник
- Роликовый сферический подшипник
- Роликовый конический подшипник
В шариковых подшипниках с глубокой дорожкой качения, шариковых радиально-упорных, шариковых самоцентрирующихся и сферических роликовых подшипниках между элементами качения и кольцами имеется точечный контакт. Однако в роликовых цилиндрических и конических подшипниках контакт линейный. Как правило, подшипники с линейным контактом элементов качения выдерживают большую нагрузку, чем подшипники с точечным контактом.
Для повышения нагрузочной способности подшипника элементы качения иногда располагаются не в один ряд, а в несколько.
Область применения подшипника выбирается с учетом его геометрии. Например, шариковые подшипники с глубокой дорожкой качения и роликовые цилиндрические подшипники не могут воспринимать осевые нагрузки, в то время как шариковые радиально-упорные и роликовые конические подшипники выдерживают значительные осевые нагрузки. Самоцентрирующиеся шариковые подшипники — отдельный случай. В таких подшипниках вал внутри может наклоняться, благодаря чему они идеально подходят для установки со смещением. Распространенные области применения различных подшипников приведены ниже.
Области применения различных типов подшипников.
Подшипники качения в программном пакете COMSOL Multiphysics представляют собой абстрактную модель контакта элементов качения и колец, основанную на теории контактных взаимодействий Герца. Поэтому, чтобы учесть в модели особые характеристики подшипников, требуется ввести их геометрические параметры.
Эскизы шарикового подшипника с глубокой дорожкой качения (слева), радиально-упорного шарикового подшипника (в центре) и самоцентрирующегося шарикового подшипника (справа).
Эскизы роликового цилиндрического подшипника (слева), роликового сферического подшипника (в центре) и роликового конического подшипника (справа).
Как и геометрические параметры, свойства материала элементов качения и колец также являются важными характеристиками подшипников. Для определения деформации элементов качения и вектора усилия, передаваемого от внутреннего кольца к внешнему, используется нелинейный закон контактного взаимодействия Герца.
Зазор между элементами качения и кольцами является важнейшим параметром, от которого в значительной мере зависит вибрация ротора. При небольшом зазоре высокочастотная вибрация ниже, однако при этом для работы подшипников требуется более высокий крутящий момент.
Моделирование роторной системы с подшипником качения
Рассмотрим влияние зазора подшипника качения на вибрацию на примере конструкции ротора в устройстве воздушного охлаждения для машины непрерывного литья. В процессе непрерывного литья жидкий металл отверждается в форме заготовок. Воздуходувка в машине непрерывного литья ускоряет охлаждение потока жидкого металла, попадающего в форму, путем ее обдува холодным воздухом.
Схема конструкции ротора.
Воздуходувка состоит из приводного электродвигателя, соединенного с валом, который, в свою очередь, связан с вентилятором. Опорой вала служат два подшипника качения, расположенные между электродвигателем и воздуходувкой. Таким образом, вентилятор является опорой подшипников.
Осевое вращение ротора в совокупности с изгибом вала под действием веса выступающей конструкции вызывает вихревое движение ротора.
Кроме того, из-за контакта элементов качения и колец в роторе могут возникать высокочастотные вибрации. Чтобы определить величину вибрации вала при разных зазорах подшипника, выполняется временной анализ.
Вал моделируется с помощью интерфейса Beam Rotor (Балочный ротор) в COMSOL Multiphysics, в котором используются балочные элементы на основе теории Тимошенко. Вал на конце электродвигателя считается фиксированным и моделируется с помощью функции Journal Bearing (Опорный подшипник), а вентилятор моделируется с помощью функции Disk (Диск) с учетом его массы и момента инерции.
Для моделирования подшипника используется функция Radial Roller Bearing (Радиальный роликовый подшипник), для которой требуется указывать геометрические свойства и свойства материала компонентов подшипника. Ротор вращается со скоростью 2000 об./мин, и на всю систему воздействует гравитационная нагрузка. Для оценки влияния зазора подшипника качения на вибрацию вала берутся три различные значения зазора: C = 1e-5 м, 1e-4 м и 1e-3 м.
Физические функции для моделирования роторной системы.
Анализ результатов моделирования
Моделирование выполняется в течение 1 секунды с шагом 1e-3 с. Орбита вращения вала на конце вентилятора для разных значений зазора показана на рисунке ниже.
Орбиты вращения вала на конце вентилятора для разных значений зазора (смещение центра для C = 1e-4 м и C = 0,001 м).
По орбитам видно, что при небольшом зазоре перемещение по вертикали меньше, чем при большом. Однако перемещение вала по горизонтали при небольшом зазоре подшипников больше, чем при большом. Следовательно, при небольшом зазоре элементы качения и кольца находятся в постоянном контакте между собой. При увеличении зазора контакт может прерываться, вызывая столкновение колец с элементами качения. Значения сил в подшипнике при разных зазорах, показанные ниже, подтверждают это.
Вертикальная реакция подшипника 2 (ближе к вентилятору) направлена вверх, поддерживая вес выступающей конструкции вентилятора.
Однако вертикальная реакция подшипника 1 постоянно направлена вниз из-за изгиба вала, вызванного весом выступающей конструкции. Также видно, что горизонтальная реакция подшипников при больших зазорах проявляется с большими перерывами, что указывает на редкий контакт между элементами качения и кольцами в горизонтальном направлении.
Горизонтальная (слева) и вертикальная (справа) реакция подшипника 1
Горизонтальная (слева) и вертикальная (справа) реакция подшипника 2
Периодически действующая сила может вызвать высокочастотную вибрацию ротора. Частотный спектр перемещения вала по горизонтали в подшипнике, расположенном ближе к электродвигателю, говорит о наличии высокочастотной вибрации при больших зазорах. С уменьшением зазора высокочастотные вибрации становятся менее значимыми.
Частотный диапазон перемещения вала по горизонтали в подшипнике 1.
Во время работы ротора зазор подшипников может со временем увеличиваться по причине износа.
Из-за этого вибрационный отклик ротора также содержит высокочастотную составляющую. Если измеренный отклик ротора включает высокочастотную составляющую, то это может указывать на то, что подшипники износились и их следует заменить.
Дальнейшие шаги
Нажмите кнопку ниже и узнайте подробнее об использовании программного пакета COMSOL® для анализа роторной динамики.
Демонстрация модуля Роторная динамика
- Просмотрите следующие статьи блога о моделировании роторов и вращающихся механизмов:
- Анализ различных вращающихся механизмов с помощью модуля Роторная динамика
- Анализ критических скоростей с помощью средства моделирования системы подшипников ротора
- Просмотрите архивный вебинар об использовании модуля Роторная динамика
Материалы подшипников
Материалы
Подшипники качения применяют в разнообразных условиях: при отрицательных и положительных температурах; в нейтральных и агрессивных средах (морская вода, кислоты).
В связи с этим детали подшипников изготавливают из различных материалов. Ниже приведены сведения только о наиболее распространенных
Подавляющее большинство колец и тел качения подшипников, предназначенных для работы в неагрессивных средах при температуре менее +120°С (иногда более высоких), изготавливают из высокоуглеродных хромистых сталей, химический состав которых приведен в табл.1. Наиболее распространенной из них является сталь ШХ15. Из этой стали изготавливают шарики всех размеров, кольца толщиной менее 10 мм и ролики диаметром до 22 мм. Ее аналогами являются: 
В процессе выплавки в сталь со шлаками и из футеровки попадают неметаллические включения. Вблизи крупных включений, особенно глобулярных оксидов, а также нитридов, в процессе работы подшипников зарождаются усталостные микротрещины, которые, сливаясь, проводят к выкрашиванию частиц металла. При различной степени металлургической загрязненности стали в допустимых стандартом пределах средняя долговечность партии подшипников может колебаться ориентировочно до 5 раз.
Для подшипников к которым предъявляются повышенные требования по долговечности и надежности, применяют стали подвергнутые специальным переплавам, уменьшающим содержание неметаллических включений (ШХ15-Ш), а также двойной переплав: электрошлаковый и вакуумно-дуговой (ШХ15-ШД).
Табл.1. Химический состав хромистых подшипниковых сталей типа ШХ (ГОСТ 801), %
| Марка | C | Si | Mn | Cr | S | P | Cu | Ni+Cu | |
| Не более | |||||||||
| ШХ15 | 0,95÷1,05 | 0,17÷0,37 | 0,20÷0,40 | 1,30÷1,65 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
| ШХ15СГ | 0,95÷1,05 | 0,40÷0,65 | 0,90÷1,20 | 1,30÷1,65 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
| ШХ20СГ | 0,90÷1,00 | 0,55÷0,85 | 1,40÷1,70 | 1,40÷1,70 | 0,02 | 0,30 | 0,25 | 0,50 | |
| ШХ4 | 0,95÷1,05 | 0,15÷0,30 | 0,15÷0,30 | 0,35÷0,50 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
Кроме сталей типа ШХ для колец и тел качения используют также цементуемые стали, которые после химико-термической обработки имеют твердый поверхностный слой (59 .
.. 66 HRCэ) и более мягкую сердцевину (около 36 HRCэ). Кольца роликовых подшипников — из стали 20Х2Н4А, а штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников из сталей 15Г1, 15Х, 08, 10. Химический состав некоторых из перечисленных цементуемых сталей приведен в табл.2. Твердость поверхности деталей подшипников из наиболее часто применяемых сталей приведена в табл.3.
Табл.2. Химический состав сталей для деталей подшипников, подвергающихся химико-термической обработке, %
| Марка | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo |
| 15Г1 | 0.12÷0.19 | 0.17÷0.37 | 0.70÷1.00 | — | — | — |
| 18ХГТ | 0. 15÷1.21 | 0.17÷0.37 | 0.90÷1.20 | 0.90÷1.20 | — | — |
| 20Х2Н4А | 0.16÷1.22 | 0.17÷0.37 | 0.30÷0.60 | 1.25÷1.65 | 3.25÷3.65 | — |
Табл.3. Твердость колец и роликов HRCэ , из сталей наиболее часто применяемых марок (ГОСТ 520), работающих при температуре до 100°С
| Марка | Кольца с толщиной стенки до 35 мм и ролики диаметром до 55 мм. | Кольца с толщиной свыше 35 мм и ролики диаметром свыше 55 мм. |
| ШХ4 | 61 ÷ 64 | |
| ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В | 62 ÷ 66 | 59 ÷ 63 |
ШХ15СГ, ШХ15СГ-В, ШХ15СГ-Ш, ШХ20СГ | 61 ÷ 65 | |
| 15Г1 | 58 ÷ 62 | |
| 18ХГТ | 62 ÷ 66 | 59 ÷ 63 |
| 20Х2Н4А | 59 ÷ 66 | |
Кольца подшипников, предназначенных для поворотных опор кранов, экскаваторов и некоторых других механизмов, получают обычно из низколегированных сталей с содержанием углерода 0,45 — 0,55%, например из стали 55ХФА.
Рабочую поверхность закаливают после нагрева ТВЧ (иногда пламенной горелкой). Детали подшипников, предназначенных для работы в агрессивных средах, изготавливают из коррозийно-стойких сталей (табл.4.) В России кольца и тела качения средних и крупных размеров производят из стали 95Х18-Ш, приборные подшипники — из стали 11ОХ18М-ШД. Твердость колец и тел качения из коррозийнно-стойких сталей обычно близка к 55 ÷ 61 HRCэ. Подшипники из этих сталей могут использоваться при температурах до 350°С. Для колец и тел качения теплопрочных подшипников используется сталь 8Х4В9Ф2-Ш или 8Х4М4В2Ф1-Ш, которая содержит меньшее количество дефицитного вольфрама, но обладает лучшими механическими свойствами, чем сталь 8Х4В9Ф2-Ш и более технологична в термообработке. Подшипники из сталей могут использоваться при температуре до 500°С. Химический состав некоторых теплопрочных подшипниковых сталей дан в табл.5. Твердость колец и тел качения теплопрочных подшипников обычно составляет 60 ÷ 65 HRCэ.
Табл.4. Химический состав коррозийно-стойких подшипниковых сталей, %
| Страна | Марка | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | Ni |
| Россия | 95Х18-Ш | 0,90÷1,00 | 17,0÷19,0 | — | — | Менее 0,80 | Менее 0,70 | — |
| 110Х18М-ШД | 1,10÷1,20 | 16,5÷18,0 | 0,50÷0,80 | — | 0,53÷0,93 | 0,50÷1,00 | — | |
| США | 440С | 0,95÷1,20 | 16,0÷18,0 | Менее 0,75 | — | Менее 1,00 | Менее 1,00 | — |
| 440СМ | 0,95÷1,20 | 13,0÷14,5 | 3,80÷4,50 | — | — | — | — | |
| Германия | Х45Cr 13 | 0,42÷0,50 | 12,5÷14,5 | — | — | — | Не более 1,0 | — |
| X102CrMo 17 | 0,95÷1,10 | 16,0÷18,0 | 0,35÷0,75 | — | Не более 1,00 | Не более 1,00 | Не более 0,50 | |
| X90CrMoV 18 | 0,85÷0,95 | 17,0÷19,0 | 0,90÷1,30 | 0,07 . .0,12 | — | — | — |
Табл.5. Химический состав теплопрочных подшипниковых сталей, %
| Страна | Марка | C | Cr | Mo | W | V |
| Россия | 8Х4В9Ф2-Ш | 0,70÷0,80 | 4,00÷4,60 | Менее 0,30 | 8,5÷9,5 | 1,40÷1,70 |
| 8Х4М4В2Ф1-Ш | 0,75÷0,85 | 3,90÷4,40 | 3,90÷4,40 | 1,5÷2,0 | 0,90÷1,20 | |
| США | М50 | 0,77÷0,85 | 3,75÷4,25 | 4,00÷4,50 | — | 0,90÷1,10 |
| Германия | 80MoCrV 42 16 | 0. 77÷0.85 | 3.75÷4.25 | 4.00÷4.50 | — | 0.90÷1.10 |
| 82WMoCrV 6 5 4 | 0.78÷0.86 | 3.80÷4.50 | 4.70÷5.20 | 6.0÷6.7 | 1.70÷2.00 | |
| X75 WCrV 18 4 1 | 0.70÷0.78 | 3.80÷4.50 | Менее 0,60 | 17,5÷18,5 | 1,00÷1,20 |
Все большее распространение получают подшипники с шариками из нитрида кремния Si3N4. Этот материал обладает значительно более высокой, чем применяемые стали, теплопрочностью и контактной долговечностью. Плотность нитрида кремния составляет около 3,2/см3 (закаленной стали ШХ15 7,8 г/см3. Благодаря этому при высокой частоте вращения развиваются меньшие центробежные силы. Коэффициенттрения пары нитрид кремния-сталь меньше, чем пары сталь- сталь. Поэтому тепловыделение при работе таких подшипников меньше, чем стальных. Подшипники с шариками из нитрида кремния находят применение в высокоскоростных узлах.
Штампованные сепараторы подшипников общего применения изготовляют главным образом из низкоуглеродистых сталей 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, реже из латуней ЛС 63 и ЛС 59-1, а коррозийно-стойких и теплопрочных подшипников — из сталей 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Массивные сепараторы получают из труб, прутков и штампованных заготовок. Наиболее употребимыми материалами являются: латуни ЛС 59-1, ЛС 59-1Л, сталь 30, бронзы БрАЖМц 10-3-1-5 и БрАЖН 10-4-4, алюминиевые сплавы Д 1, Д 6, АК 4, текстолит. Значительное количество высокотехнологичных с хорошими звукопоглощающими свойствами сепараторов получают литьем из термопластов. Заклепки и распорки сепараторов. изготавливают главным образом из сталей 15 и 20.
К подшипниковым материалам для колец и тел качения предъявляют жесткие требования по металлургической загрязненности, наличию дефектов, структурной неоднородности и др. Детали машин, несущие одновременно функции наружного или внутреннего колец подшипников, рекомендуется изготавливать из подшипниковых сталей.
Superior Bearing & Supply — производитель и оптовый дистрибьютор подшипников, шатунов и сальников фиксатор тел качения (сепаратор). Фиксатор разделяет тела качения через равные промежутки, удерживает их на месте внутри внутренней и внешней дорожек качения и позволяет им свободно вращаться.
Подшипники качения делятся на две основные категории: шарикоподшипники и роликоподшипники. Шарики геометрически соприкасаются с поверхностями дорожек качения внутреннего и наружного колец в «точках», а контактная поверхность роликов представляет собой «линейный» контакт. Ролики бывают четырех основных геометрических форм: цилиндрические, игольчатые, конические и сферические. Подшипники качения можно дополнительно классифицировать в зависимости от направления приложения нагрузки: радиальные, упорные или их комбинация 9.0003 обоих.
В то время как тела качения и кольца подшипников воспринимают любую нагрузку, воздействующую на подшипники (в точке контакта между телами качения и поверхностями дорожек качения), фиксатор не воспринимает прямой нагрузки.
Он служит только для удержания тел качения на равных расстояниях друг от друга, заставляя тела качения входить в зоны нагрузки и предотвращая их выпадение.
ОДНОРЯДНЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ являются наиболее широко используемыми подшипниками и используют непрерывную дорожку качения, что делает эти упорные подшипники подходящими для радиальных нагрузок или комбинации радиальных и нагрузок. Такая конструкция обеспечивает точные допуски даже при работе на высоких скоростях. Сепаратор в этом подшипнике изготовлен из штампованной стали. Для высокоскоростных подшипников доступны обработанные латунные сепараторы. Также доступны подшипники со стопорными кольцами.
ПОДШИПНИКИ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СМАЗКОЙ
ПОДШИПНИКИ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СМАЗКОЙ имеют встроенные уплотнения или экраны, заполненные долговечной смазкой. Во многих случаях эти подшипники можно использовать без дополнительных уплотнений, затворов или защитных устройств.
Эта конструкция предлагает потребителю самые низкие производственные затраты. Граничный размер этого типа такой же, как у соответствующих подшипников без уплотнений или щитков.
ЭКРАНИРОВАННЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
ЭКРАНИРОВАННЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ защищены с одной или обеих сторон (суффиксы Z и ZZ соответственно) металлическими щитами, прикрепленными к наружному кольцу. Это лабиринтное уплотнение с малым зазором удерживает смазку и предотвращает попадание посторонних предметов.
ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ С УПЛОТНЕНИЕМ
ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ С УПЛОТНЕНИЕМ включают уплотнения из армированной стали резины, надежно прикрепленные к канавке на наружном кольце. Контакт с внутренним кольцом осуществляется посредством уплотнительной кромки (суффикс контакта 2RS является стандартным, LLU используется NTN Bearings). Или бесконтактное с внутренним кольцом обеспечивается лабиринтным уплотнением (подшипники NTN используют бесконтактный суффикс LLB), чтобы обеспечить надежное уплотнение в любое время.
ОДНОРЯДНЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
ОДНОРЯДНЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ имеют дорожки качения с высокими и низкими буртиками. Эти противоположные дорожки качения предназначены для восприятия осевой нагрузки в 90 003 одном направлении. Эти подшипники могут быть предварительно нагружены на заводе, чтобы в подшипнике возник правильный предварительный натяг. Подшипники этой серии собраны с определенным внутренним зазором, чтобы они имели заданный угол контакта под нагрузкой.
ДВУХРЯДНЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
ДВУХРЯДНЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ имеют внутреннее и наружное кольца с двойной дорожкой качения. Два ряда связаны так, что угол контакта подобен паре однорядных подшипников, расположенных спиной к спине. Некоторые серии предлагают непрерывные гонки и могут выдерживать осевые нагрузки в любом направлении. Другие серии имеют заправочные пазы, их необходимо монтировать с осевой нагрузкой, действующей на ненарезанную поверхность колец.
ДВУХРЯДНЫЕ САМОЦЕНТРИРУЮЩИЕСЯ ПОДШИПНИКИ
ДВУХРЯДНЫЕ САМОЦЕНТРИРУЮЩИЕСЯ ПОДШИПНИКИ используют внутреннее кольцо с двумя рядами шариков в двух глубоких дорожках качения и внешнее кольцо с одной сферической дорожкой качения. Таким образом,
, внутреннее и внешнее кольца могут быть смещены относительно друг друга. В результате возникает сравнительно большой угол приложения моментной нагрузки к шарикам.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ имеют ролики, которые в основном имеют цилиндрическую форму. Это обеспечивает измененный линейный контакт с цилиндрическим внутренним и наружным кольцом 9.0003, а ролики направляются шлифованными ребрами на внутреннем или внешнем кольце.
КОНИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
КОНИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ используют конические ролики и дорожки качения, расположенные таким образом, что ролики и дорожки качения встречаются на одной вершине.
Ролики направляются за счет контакта между большим концом ролика и ребром на внутреннем кольце. Это обеспечивает высокую способность выдерживать радиальные и одинарные нагрузки.
СФЕРИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
СФЕРИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ имеют два ряда роликов в отдельных дорожках качения, что позволяет подшипнику компенсировать ошибки углового усилия. Они имеют большую радиальную и осевую грузоподъемность для тяжелых ударных и ударных нагрузок, что делает их подходящими для тяжелого промышленного оборудования.
ПОДШИПНИКИ DUPLEX
ПОДШИПНИКИ DUPLEX используют комплект из двух подшипников на общем валу с внутренним и наружным кольцами, прочно закрепленными вместе. Они используются для управления осевым валом, жесткости и дополнительной мощности. В дуплексных подшипниках существует три основных комбинации: лицевая сторона (DF), встречная (DB) и тандемная (DT).
ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ УПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ
ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ УПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ состоят из двух шайб с шариковыми канавками, притертыми к их смежным поверхностям, с шариками и сепараторами, установленными между этими
канавками.
Обычно они оснащены штампованными или механически обработанными сепараторами и подходят для восприятия осевых нагрузок при умеренных скоростях.
ДВУХНАПРАВЛЕННЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ
ДВУХНАПРАВЛЕННЫЕ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЕ ШАРИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ — это дуплексные подшипники типа «спина к спине» с большим углом контакта, чем у обычных радиально-упорных шарикоподшипников. Эти подшипники в основном предназначены для использования в качестве упорных подшипников для станков. В них используются обработанные латунные сепараторы.
СФЕРИЧЕСКИЕ РОЛИКОУПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ
СФЕРИЧЕСКИЕ РОЛИКОУПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ аналогичны двухрядным сферическим роликоподшипникам, но имеют больший угол контакта. Они направляются шлифованными фланцами на внутреннем кольце и воздействуют на сферическую дорожку качения во внешнем кольце. Контактный угол составляет приблизительно 45°. Обычно используются обработанные сепараторы, и рекомендуется смазка маслом.
ПОДШИПНИКОВЫЕ УЗЛЫ
ПОДШИПНИКОВЫЕ УЗЛЫ состоят из шарикового или роликового подшипника , установленного в корпусе. Корпуса чаще всего изготавливаются из чугуна, но также могут быть изготовлены из других металлов или неметаллических материалов. Корпус обеспечивает жесткость и надежное позиционирование подшипника в приложении. Это также упрощает задачу замены подшипника, поскольку корпус и подшипник можно заменить как единое целое.
Роликовые подшипники и шарикоподшипники: в чем разница?
Что такое шариковые и роликовые подшипники?
Шариковые и роликовые подшипники представляют собой элементы машин, которые используются во всех видах машин и устройств с вращающимися частями. Их свойства неоднократно способствовали техническому и экономическому прогрессу в различных отраслях техники. Стандартизация подшипников позволила выбирать конструкции непосредственно из таблиц подшипников в каталогах подшипников производителей. Такие компании, как SKF, NTN, NMB, TPI, Timken, FAG, Schaeffler, INA и многие другие, являются естественными источниками информации.
Большую часть времени дизайнер может выбрать стандартные подшипниковые изделия для своего проекта непосредственно из каталога. Выбор популярных и широко используемых конструкций обеспечивает наилучшую доступность и обеспечивает наиболее экономичное решение.
В чем разница между шариковыми и роликовыми подшипниками?
В целом шариковые и роликовые подшипники можно разделить на две основные группы: радиальные подшипники и упорные подшипники. Основное различие между роликовыми и шариковыми подшипниками заключается в их базовой конструкции. Основное различие между роликовыми и шариковыми подшипниками заключается в том, что телом качения является ролик или шарик. В роликовых подшипниках используются конические, игольчатые, сферические и цилиндрические ролики. В радиальных шарикоподшипниках в качестве тела качения используется круглый шарик. Как роликовые, так и шариковые подшипники могут иметь сепаратор или сепаратор.
Поскольку большинство типов радиальных подшипников несут некоторую осевую нагрузку, а некоторые упорные подшипники могут нести радиальную нагрузку, четкой границы между основными группами не существует, однако одно основное отличие заключается в том, что для подшипников, рассматриваемых как радиальные шарикоподшипники, указана грузоподъемность в каталогах как чисто радиальная нагрузка.
Для упорных роликовых или шариковых подшипников грузоподъемность указана как чистая осевая нагрузка. Если ваше приложение требует чисто радиальных нагрузок, то первым выбором будет радиальный шарикоподшипник. Если в вашем приложении присутствуют как радиальные, так и осевые нагрузки, то можно выбрать оптимальный подшипник на основе приведенных базовых характеристик.
Различные типы шарикоподшипников
Существует два основных типа шарикоподшипников. Шариковые подшипники бывают однорядными и двухрядными. Наиболее популярным является однорядный тип глубокой канавки. Однорядный состоит из одного ряда шариков, движущихся по одной желобчатой траектории. Двойной ряд состоит из двух рядов шариков в двух наборах дорожек качения с канавками. Как однорядные, так и двухрядные шарикоподшипники состоят из внутреннего кольца, внешнего кольца, шариков и сепаратора. Оба типа подшипников могут выдерживать высокие радиальные и осевые нагрузки. Радиальные шарикоподшипники используются как на низких, так и на высоких скоростях в зависимости от класса допуска, смазки, внутреннего зазора и типа выбранных уплотнений или экранов.
Сепаратор, разделяющий шарики, равномерно распределяет их по периферии. Благодаря сепаратору шарикоподшипник обычно становится автономным узлом, поэтому его можно легко монтировать или демонтировать. В конструкции радиальных шарикоподшипников канавки относительно глубокие, а степень соприкосновения между шариком и дорожками качения очень высока. Оскуляция возникает при соприкосновении двух гладких изогнутых поверхностей. В подшипниках степень соприкосновения называется высокой, если главный радиус кривизны тела 1 находится в той же плоскости и имеет то же направление и почти такую же длину, что и главный радиус тела 2. Если эти радиусы различаются в значительной степени по длине степень оскуляции считается низкой.
Для сборки подшипника шарики помещаются между кольцами эксцентрично друг относительно друга. Затем шарики равномерно распределяются по окружности, вставляется обойма и заклепывается. Благодаря относительно большому размеру шариков и их высокой степени соприкосновения с кольцами подшипник имеет сравнительно высокую несущую способность как в радиальном, так и в осевом направлениях.
Шариковый подшипник хорошо работает в приложениях с комбинированными нагрузками и особенно в высокоскоростных конструкциях и часто более подходит для восприятия осевых нагрузок, чем упорные подшипники.
Радиальный шарикоподшипник, относящийся к «типу Конрада», имеет заполняющую прорезь, прорезанную в осевом направлении через заплечики в канавки. Такое расположение позволяет вводить большее количество мячей между кольцами, насколько это позволяет окружность поля. Так как заправочная щель должна доходить до площади центра канавки, подшипник не может подвергаться большим осевым нагрузкам, так как шарики могут соприкасаться с краями заправочной щели. В чем преимущество добавления дополнительных шаров в эту конструкцию? Дополнительные шарики в шарикоподшипниках типа Conrad используются для обеспечения дополнительной несущей способности при том же размере корпуса.
Шариковый подшипник Роликовые подшипники обычно имеют сепаратор, разделяющий ролики. Существуют различные типы роликоподшипников: цилиндрические ролики , сферические ролики и конические ролики, опорные ролики и игольчатые ролики .
Роликовые подшипники имеют множество применений, но обычно используются для более медленных и тяжелых нагрузок, однако некоторые цилиндрические роликоподшипники используются в высокоскоростных приложениях, когда они соответствуют стандарту высокой точности. Кинематика роликоподшипника и низкое трение делают цилиндрические роликоподшипники очень подходящими для высоких скоростей.
Что такое сферический роликоподшипник?
Сферические роликоподшипники особенно подходят для высоких нагрузок. Обычный тип представляет собой двухрядную конструкцию, в которой оба ряда роликов имеют общую сферическую дорожку качения на наружном кольце, поэтому подшипник является полностью самоустанавливающимся, как и самоустанавливающийся шарикоподшипник. Ролики имеют бочкообразную форму, один конец которых меньше другого. Следовательно, они прижимаются к фланцу центральной направляющей с силой, которая, хотя и мала, достаточна для того, чтобы удерживать большую торцевую поверхность роликов в постоянном контакте с фланцем, что делает направляющую эффективной.
Что такое цилиндрические роликовые подшипники?
Цилиндрические роликоподшипники устанавливаются между фланцами либо на внутреннем, либо на внешнем кольце. Они удерживаются сепаратором вместе с направляющим кольцом даже при удалении свободного кольца. В наиболее распространенном типе цилиндрических роликоподшипников свободное кольцо не имеет фланцев, так что в определенных пределах кольца подшипника могут смещаться в осевом направлении по отношению друг к другу. Если подшипник вращается, это смещение происходит без сопротивления при условии, что скорость смещения относительно мала (например, смещение в результате температурного расширения вала). Низкое трение цилиндрических роликоподшипников делает их подходящими для относительно высоких скоростей и часто используется в сочетании с высокоскоростными радиально-упорными шарикоподшипниками в шпинделях высокоскоростных станков.
Цилиндрический роликовый подшипникВ чем разница между коническими роликовыми и шариковыми подшипниками?
Как и все роликоподшипники, конический роликоподшипник имеет линейный контакт, в отличие от шарикоподшипника с точечным контактом.
Линейный контакт имеет более высокую несущую способность, тогда как шариковый подшипник имеет более высокую скоростную способность.
Конические роликоподшипники состоят из чашки и конуса, тогда как шарикоподшипник состоит из наружного и внутреннего колец. Конический ролик может быть собран в виде картриджа, но в простейшей форме он представляет собой два отдельных компонента, в то время как шарикоподшипник может быть разъемным, чаще всего он представляет собой автономный узел.
В конических роликоподшипниках используются прямые конические ролики, торцевые поверхности которых контактируют с направляющим фланцем на внутреннем кольце. Конус роликов и траектория роликов внутреннего кольца имеют общую вершину на оси подшипника. Наружное кольцо в конструкции имеет слегка изогнутую образующую траектории роликов для предотвращения краевой нагрузки роликов. Несмотря на меньшую степень соприкосновения между роликом и наружным кольцом, внешнее кольцо менее нагружено, чем внутреннее кольцо.
Направляющий фланец внутреннего кольца имеет сферическую поверхность, к которой прижимается сферическая торцевая поверхность ролика. Как и в случае со сферическим подшипником, это давление на фланец эффективно направляет ролик. Некоторые производители, такие как Timken, FAG, NTN и SKF, делают торцевую поверхность ролика плоской, а направляющую поверхность фланца конической. В этом случае конец ролика соприкасается с фланцем ролика только в двух точках.
Поскольку конические роликоподшипники являются разъемными, они обычно устанавливаются оппозитно, так что один подшипник регулируется относительно друг друга. После этой регулировки в подшипнике всегда остается определенный очень маленький зазор. Изменения температуры на валу влияют на эту регулировку и, следовательно, на зазор в подшипнике. По этой причине однорядные конические роликоподшипники обычно используются только там, где расстояние между ними мало. Конический роликоподшипник имеет высокую грузоподъемность как в радиальном, так и в осевом направлении в одном направлении.
Мощность тяги зависит от угловатости роликов. В качестве меры этого угла (краевого угла) обычно принимают значение от 12 до 16 градусов. Некоторые конические роликоподшипники для тяжелых условий эксплуатации имеют угол контакта 28-30 градусов.
Во многих случаях конические роликоподшипники используются в парах, установленных по схеме «спина к спине», так что осевые усилия могут восприниматься одинаково в любом направлении. Конические роликоподшипники широко используются в ступичных подшипниках автомобильных транспортных средств, воспринимающих радиальные и осевые нагрузки. Конические роликоподшипники часто используются в тяжелых условиях эксплуатации. Множество различных отраслей промышленности, включая сельскохозяйственное, строительное и горнодобывающее оборудование, осевые системы, коробки передач, моторы и редукторы, гребные валы, железнодорожные буксы, дифференциалы, ветряные турбины и прицепы всех типов.
Конический роликовый подшипникКонический роликовый подшипник
Конструктивные решения и выбор зависят от ряда соображений, какие роликовые или шариковые подшипники использовать в вашей конструкции.
- Габаритные размеры являются решающим фактором при выборе подшипника качения шарикового или роликового типа. При использовании стандартных готовых к монтажу роликовых и шариковых подшипников проектировщик должен определить требуемый размер на основе требуемых размеров корпуса. Стандартные шариковые и роликовые подшипники соответствуют универсальному международному стандарту и легко идентифицируются в каталогах производителей. Такие производители, как SKF, NTN, NSK, FAG, INA, NMB, TPI, являются одними из лучших ресурсов с надежным качеством.
- Рассмотрение и понимание температуры окружающей среды и внутренней температуры вашего приложения является ключевым. Рабочая температура подшипникового узла является результатом его собственного трения, трения уплотнений и, возможно, внешних источников, а также рассеяния тепла от соседних компонентов. Рабочая температура подшипника качения при средней скорости и низкой нагрузке невелика, поскольку трение в подшипнике мало.
Однако во многих случаях тепло в подшипниках качения может быть довольно сильным из-за других посторонних источников тепла в приложении. Некоторые примеры применения включают буксовые коробки локомотивов, молотковую дробилку, проволочную мельницу, вибрационный грохот, режущий вал строгального станка, шпиндель настольного бурения, горизонтальный бурильный шпиндель, вал циркулярной пилы, блюминг и слябинг, а также опорные валки горячекатаных станов. - Определение нагрузок и скоростей, необходимых для применения. Если вам нужен роликовый или шариковый подшипник, необходимо учитывать размеры, нагрузки и скорости, необходимые для каждого применения. Размерные ограничения можно определить, просмотрев стандартные каталожные номера деталей. После определения размеров необходимо учитывать номинальные нагрузки, скорости и условия эксплуатации. Различные материалы, используемые при производстве как радиальных шарикоподшипников, так и роликоподшипников, могут быть указаны для каждого рабочего случая.
Однако во многих случаях тепло в подшипниках качения может быть довольно сильным из-за других посторонних источников тепла в приложении. Некоторые примеры применения включают буксовые коробки локомотивов, молотковую дробилку, проволочную мельницу, вибрационный грохот, режущий вал строгального станка, шпиндель настольного бурения, горизонтальный бурильный шпиндель, вал циркулярной пилы, блюминг и слябинг, а также опорные валки горячекатаных станов.
