При проектировании опор осей и валов перед конструктором возникает, прежде всего, вопрос о том, что в данном конкретном случае предпочтительнее - подшипник качения или подшипник скольжения. Существенную роль при этом играют экономические соображения, условия монтажа и требования взаимозаменяемости. Все эти факторы связаны с организацией производства подшипников.
Посмотрите на пять факторов, которые инженеры могут настроить, чтобы поддерживать охлаждение подшипников: тип подшипника, тип смазки, расход масла и уровень, а также воздушный поток. Тип подшипника: Существует несколько причин, по которым подшипник качения образует тепло: микропрокат катящихся элементов на гонках; гистерезис качения и гоночных материалов из-за контактных напряжений; скольжение между разделителем и элементами качения или поверхностью пилота; скольжение между роликами и направляющими фланцами; и сдвиг и турбулентность в смазке.
С развитием машиностроения было организовано централизованное массовое изготовление подшипников качения, начиная от самых маленьких для часов и приборов и кончая крупногабаритными для кранов большой грузоподъемности, обжиговых печей, конвертеров, тяжелых прокатных станов и пр. Для каждого подшипника качения установлены определенные технические показатели - работоспособность, предельная частота вращения и максимальная статическая нагрузка, которые указываются в каталогах. При проектировании опорных узлов трения машин инженеру не приходится рассчитывать подшипник качения, поскольку достаточно лишь выбрать соответствующий типоразмер из каталога. Стандартизация и массовое производство подшипников качения обусловили их взаимозаменяемость, относительно низкую стоимость и, как следствие,- широкое применение в различных областях машиностроения.
Количество тепла от каждого из этих источников сильно варьируется в зависимости от геометрии, нагрузки, скорости и типа смазки подшипника, вязкости и количества. При легких нагрузках и высоких скоростях шарикоподшипники обычно работают более холодно, чем роликовые подшипники; при более низких скоростях и более высоких нагрузках роликовые подшипники могут работать более холодно. Хотя выбор типа подшипника обычно зависит от стоимости и соображений жизни, различия в повышении температуры также могут влиять на решение в некоторых ситуациях.
Широкое применение подшипников качения позволило заменить трение скольжения трением качения.
При этом коэффициент трения снизился до 0,0015-0,006. Производство подшипников качения ведущими промышленными странами исчисляется сотнями миллионов штук в год. Отечественной промышленностью изготовляются подшипники наружным диаметром от 1,5 до 2600 мм, а массой от 0,5 г до 3,5 т. К недостаткам подшипников качения можно отнести ограниченную способность воспринимать ударные нагрузки вследствие большой жесткости конструкции. При очень больших частотах вращения в этих подшипниках возникают значительные динамические нагрузки (центробежные отоскопические моменты и т. п.).
Тип смазки: Смазочная смазка обеспечивает простую конструкцию, низкую стоимость и надежную работу, но не удаляет тепло. Охлажденное масло, однако, предлагает положительное средство контроля за теплом. Это особенно полезно в таких применениях, как газовые турбины и насосы для горячих жидкостей, в ситуациях, когда технологическая теплота подается на подшипник. Лабораторные тесты показывают, что температуры подшипников почти одинаковы для смазки масляного тумана и смазки.
Поток масла: для подшипников качения требуется только тонкая пленка масла для удовлетворительной смазки. Высокие скорости потока охлаждают подшипники, но не улучшают смазывание. Однако взаимосвязь между температурой подшипника и расходом масла является сложной. Хотя более высокие скорости потока увеличивают теплопередачу, они также увеличивают количество тепла, создаваемого турбулентностью и взбалтыванием масла.
По форме тел качения подшипники качения разделяются на:
шариковые,
роликовые (цилиндрические, конические, витые, игольчатые и т. д.).
По направлению воспринимаемой нагрузки разделяют на:
радиальные,
упорные,
радиально-упорные.
По нагрузочной способности (или по габаритам) подшипники качения разделяют на три основные серии:
Обычно температура подшипников обычно падает с увеличением расхода, затем выравнивается или даже увеличивается. В высокоскоростных приложениях, таких как газовые турбины, большая часть масла может быть перемещена вокруг подшипника для поддержания охлаждения при одновременном уменьшении турбулентности масла.
Для существующих машин оптимальный расход масла может быть определен экспериментально. Для новых проектов требуется компьютерное моделирование, особенно для приложений с активными источниками тепла. Уровень масла: в системах, использующих масляную ванну или смазку брызг, температура подшипников довольно чувствительна к уровню масла в отстойнике. Обычная практика установки номинального уровня масла в центре нижнего шарикового подшипника будет работать в большинстве случаев. Однако на очень высоких скоростях даже этого уровня может быть недостаточно.
легкую,
среднюю,
тяжелую.
По классам точности разделяют на:
нормального класса Н,
повышенного П,
высокого В,
особо высокого А,
сверхвысокого С.
От точности изготовления в значительной степени зависит работоспособность подшипника, однако следует помнить, что одновременно возрастает его стоимость.
В таких случаях следует использовать маслоотделитель. Он обеспечивает масляный туман, не требуя точного контроля уровня масла. Воздушный поток: в системах, которые не используют рециркулирующее масло, большинство охлаждения подшипников осуществляется путем конвекции из корпуса подшипника в окружающий воздух. Поскольку коэффициент конвекции намного выше для движущегося воздуха, чем для неподвижного воздуха, температура подшипника может быть значительно снижена за счет перемещения воздуха вокруг корпуса.
Тем не менее, поток воздуха не должен вводиться внутри корпуса, потому что он приносит с собой загрязняющую жизнь грязь. Герметичные подшипники с консистентной смазкой помогают вывести воздух из корпуса. Воздушное охлаждение часто используется в качестве быстрого исправления, потому что его можно установить без изменения конструкции. В новых конструкциях лучшей альтернативой является добавление осевого вентилятора, установленного на удлинителе вала. Он не только перемещает охлаждающий воздух по корпусу, но также воздействует на радиатор на валу, сохраняя скользящую посадку наружного кольца в корпусе подшипника.
Смазочный материал оказывает существенное влияние на долговечность подшипников. Он уменьшает трение, снижает контактные напряжения, защищает от коррозии, способствует охлаждению подшипника.
Жидкий смазочный материал
в подшипнике более эффективен в смысле уменьшения потерь на трение и охлаждения. Необходимое количество жидкого смазочного материала для подшипников качения очень небольшое (табл. 1
). Следует отметить, что излишнее количество смазочного материала в подшипнике только ухудшает его работу. Это, например, можно пронаблюдать на таком простом примере: если подшипник смазать маслом, то последнее будет препятствовать свободному вращению тел качения в сепараторе и в целом в подшипнике. При этом увеличиваются не только потери на трение, но при работе такого подшипника увеличивается и нагрев подшипника.
Большинство этих двигателей были выведены из эксплуатации до того, как произошел сбой, но их жизнь значительно уменьшилась вследствие явлений заноса подшипника. Трелевка может привести к размыву и полоскам в окружном направлении элементов качения и дорожек качения, что приведет к высокому шуму и может привести к преждевременному разрушению подшипника из-за чрезмерного образования точечной коррозии.
Большие электрические машины оборудованы на ведомом конце цилиндрическими роликовыми подшипниками, и для того, чтобы получить максимально допустимую нагрузку на конце вала, инженер-проектировщик часто выбирает подшипник для более тяжелой серийной нагрузки. Однако большая грузоподъемность необходима только при использовании ремня или шестерни, но на практике 90% современных электродвигателей имеют сцепление. Таким образом, подшипники не подвергаются воздействию высоких внешних нагрузок и в результате будут скользить.
При выборе смазочного материала для подшипника (жидкого или пластичного) следует учитывать, что пластичная смазка сильно повышает момент трения, который существенно увеличивается при понижении температуры. В тех случаях, когда частота вращения подшипника не превышает нескольких сотен мин-1, подшипник необходимо смазывать жидким смазочным материалом (маслом). При скорости, превышающей эту величину, лучше использовать для смазывания высоковязкое масло или, как заменитель, пластичный смазочный материал.
Проблемы с трещинами возникают, главным образом, во время испытаний с помощью ненагруженных подшипников. В этом случае заноса происходит не только из-за низких нагрузок, но также будет зависеть от неблагоприятных краевых условий, испытанных во время тестового прогона. В новом подшипнике больше смазки упакованы, чем требуется для нормальной смазки подшипника. Это будет влиять на сопротивление, которому подвергается клетка подшипника, и повысить его склонность к скольжению.
Осаждение подшипника может быть определено относительно легко. Опыт показал, что шум подшипника, созданный из-за заноса, исчезнет в течение короткого времени, когда подшипник будет повторно смазан. Если крышка подшипника может быть снята, то занос может быть диагностирован стробоскопом, который будет выделять скользящее движение, в отличие от движения качения ролика несущий элемент. При критической заносе будет трудно довести клетку до очевидной остановки со стробоскопом.
Таблица 1 . Одноразовое количество смазочного материала (Км), необходимое на заполнение корпуса подшипника и для периодического добавления.
|
d, мм Трещины можно избежать в целом. Нанесение достаточной внешней нагрузки, чтобы заставить подшипниковые элементы вращаться. Установка цилиндрических роликоподшипников с шарикоподшипниками с глубокими пазами одинаковых размеров. Радиальные шарикоподшипники менее чувствительны к заносу, так как катящиеся элементы имеют дополнительную степень свободы, а подшипник имеет более низкую радиальную нагрузку, чем цилиндрический роликовый подшипник того же размера. Снижение расхода смазки, нанесенного на подшипник. . В этой короткой статье основное внимание уделяется основной смазке в подшипниках качения. |
К м, г при использовании подшипников серии |
Единовременный расход смазочного материала для периодического добавления |
|||||||||||||||
|
Для мелких прижимных фланцев Влияния, которые влияют на производительность смазки, очень сложны и потребуют гораздо более глубокой статьи, чем это предусмотрено. Эти влияния выходят за рамки простого состава смазки и связаны с такими факторами, как конструкции подшипников, нагрузка, вибрация и колебания, рабочие температуры и окружающая среда. Смазки обычно применяются в областях, где непрерывная подача масла не может быть сохранена. Смазки работают за счет выпуска небольших количеств масла к несущим элементам с течением времени. Масляные пленки очень тонкие, меньше объемов, которые потребуются в полностью залитой масляной системе. Основными преимуществами использования смазки, а не смазки маслом являются простота применения и способность смазки оставаться на месте, когда масло невозможно. Основными недостатками использования смазки являются ее ограниченный срок службы и склонность к загрязнению. |
Для глубоких прижимных фланцев |
Для крышек с уплотняющим войлоком |
Для разъемных фланцев корпуса |
||||||||||||||
|
1090 Смазочные консистентные смазки представляют собой смесь из трех основных компонентов; базовое масло, загуститель и добавки. Соотношения этих компонентов обычно разрушаются следующим образом. Базовое масло 70% - 95% Загуститель 3% - 30% Добавки. . Вязкость базового масла играет важную роль в определении того, какие приложения будет использовать смазка. Вязкость базового масла должна соответствовать требованиям к толщине пленки для смазываемого компонента. Основным маслом может быть рафинированное минеральное масло, синтетическое масло или их комбинация. |
1660 |
||||||||||||||||
|
1210 Вязкость базового масла, используемая в составе смазки, определяется максимальной температурой, скоростью и нагрузкой на подшипник. Загустители обычно получают из металлического мыла, из которого существует множество; литий, кальций, барий, натрий и т.д. сложные мыльные загустители получают из добавления органической кислоты в качестве комплексообразователя для повышения термостойкости. Нежилые загустители также широко используются в консистентных составах, таких как бентонитовая глина или полиурия, которые обеспечивают отличную высокую температурную стабильность, водостойкость и устойчивость к сдвигу. |
1895 |
||||||||||||||||
|
1410 Тип загустителя определит способность смазки сопротивляться вымыванию воды, если присутствует вода. В тех случаях, когда вязкость базового масла является основным фактором выбора применения смазки, типы смазки классифицируются в основном по типу загустителя. Консистенции смазки могут варьироваться от 1000 до 6, где 000 - самая тонкая консистенция, а 6 - самая толстая консистенция. Вязкость базового масла не играет роли в консистенции смазки. Консистенция определяется соотношением содержания загустителя и базового масла. Добавки используются для улучшения полезных свойств, таких как антиоксиданты, ингибиторы коррозии и коррозии, свойства экстремального давления, противоизносные и фрикционно-восстанавливающие агенты. Специальные смазочные материалы для снижения трения можно суспендировать в смазке, которые выполняются без химической реакции, которую требуют другие добавки. |
2050 |
||||||||||||||||
|
1000 Большинство подшипников качения смазываются консистентной смазкой, так как смазка легко удерживается в подшипниковых узлах и дорожках качения. Более 90% всех подшипников качения смазываются консистентной смазкой. Правильное количество смазки, применяемой к подшипнику, очень важно. Слишком маленькая смазка приводит к контакту металл-металл и преждевременному разрушению подшипника. Слишком много смазки может привести к быстрому повышению рабочей температуры внутри подшипника, особенно при работе на высоких скоростях. Чрезмерное количество смазки также может привести к повреждению уплотнения, когда нет места для смазки в узле подшипника. Слишком много смазки приводит к чрезмерному перемешиванию, высоким температурам и ускоренной деградации жира. Если подшипник правильно заполнен, чрезмерная смазка будет прижиматься к плечам подшипника и к уплотнениям во время нормального обкатки. |
1395 |
1170 |
1910 |
2790 |
|||||||||||||
|
1225 |
1120 |
1720 |
1370 |
2230 |
3430 |
11,2 |
11,2 |
||||||||||
|
1480 |
1290 |
2070 |
1470 |
2580 |
4150 |
13,3 |
13,0 |
||||||||||
|
1100 |
1055 |
1650 |
1475 |
2350 |
1800 |
2960 |
4630 |
14,8 |
15,0 |
||||||||
Примечание: d-внутренний диаметр.
Допускаемые скорости подшипников качения при использовании пластичной смазки определяют из соотношения внутреннего диаметра d, мм и частоты вращения ω, мин -1 . Практически же окружная скорость вращения не должна превышать 4-5 м/с. Однако для этой цели существуют определенные формулы.
Подшипниковые узлы необходимо тщательно защищать от попадания пыли, грязи и воды. В противном случае долговечность подшипников резко снижается. Для защиты подшипников разработаны и успешно эксплуатируются специальные уплотнения. В связи с этим следует помнить некоторые рекомендации по ходовым зазорам в лабиринтных и других уплотнениях вала. Они изменяются в зависимости от конструкции и во многом зависят от механической точности, вибрационного перемещения вала в подшипнике и они необходимы во избежание фрикционного контакта на высокой скорости. Для неответственных конструкций подшипниковых опор размер этих зазоров колеблется в пределах от 0,076 до 0,127 мм на радиус и почти столько же в осевом направлении.
При назначении жидкого (подшипников качения) следует иметь в виду, что они весьма чувствительны к количеству подаваемого в них масла и периодичности его подачи в подшипники. Так, для очень низких скоростей при d*ω= 10000 и температуре не выше 50 °С достаточно одной-двух капель масла для нескольких тысяч часов работы подшипника.
Если же требуется достичь минимального значения момента трения (при том же произведении d*ω= 10000), следует использовать масло с меньшей вязкостью, чем это было до этого
Масла для подшипников качения (и скольжения тоже), заключенных в общий картер с зубчатыми передачами (редукторы), подбираются в первую очередь исходя из требований по смазыванию зубчатых передач, однако и с учетом эффективности смазывания подшипников.
Смазывание погружением можно успешно применять до значения d*ω = 100000 (при условии соблюдения необходимого низкого уровня масла в ванне с жидким смазочным материалом) При применении смазывания погружением важно поддерживать в процессе эксплуатации правильный уровень масла в ванне подшипника. Этот уровень должен находиться между 1 /3 и 1/2 высоты нижнего шарика или ролика подшипника, поскольку даже небольшое повышение уровня масла в ванне приводит к повышению коэффициента трения и температуры подшипника. Об этом свидетельствует следующее экспериментальное исследование. Повышение уровня масла в ванне подшипника от центра нижнего шарика до его верхней точки вызывает сильный нагрев подшипника (эквивалентный повышению частоты вращения подшипника в 2-2,5 раза или увеличению радиальной нагрузки от 2 до 6 раз, а иногда и более. При d*ω ≤ 200000 рекомендуется капельное смазывание, при котором к поверхностям трения жидкий смазочный материал подводится в виде капель.
При d*ω ≈ 600000 и когда температура может достигать 150 ˚С многие пластичные смазки оказываются недостаточно работоспособными, а иные могут оставаться годными к работе не более нескольких сотен часов. В связи с этим при высоких скоростях необходимо в зону трения подавать только чистое смазочное масло, питая подшипники методом капельного смазывания или смазывания под давлением, при котором смазочный материал подводится к поверхностям трения под давлением. При необходимости может быть использовано смазывание масляным туманом, при котором смазочный материал подводится к поверхностям трения в виде легкого или густого тумана, обычно образуемого путем введения смазочного материала в струю воздуха или газа. Кроме того, следует предупреждать возникновения разности воздушного давления (в корпусе подшипника и за его пределами), для чего могут потребоваться специальные уплотнения. Следует применять только определенные уплотнения, которые обеспечивают надежную работу подшипников, в частности лабиринтные уплотнения. Необходимо также использовать корпуса подшипников с минимальным воздушным пространством.
Капельное смазывание является наилучшим методом смазывания для подшипниковых опор металлургического оборудования.
Оно обеспечивает довольно устойчивое охлаждение и исключает турбулентное сопротивление подшипника, как весьма ответственного узла оборудования отрасли. Однако если по каким-либо причинам (например, по условиям конструкции) нельзя применить капельное смазывание или смазывание под давлением или смазывание масляным туманом, используют фитильное смазывание, при котором жидкий смазочный материал подводится к поверхности прения с помощью фитиля. При этом масло всасывается через подшипник при помощи маслоотражателей и насосных устройств с целью преодоления сопротивления вращению подшипника.
Часто используют метод фитильного смазывания.
При этом фитили должны иметь определенные размеры, особенно в поперечном сечении. Они всегда должны быть погруженными в масло. Их следует использовать парами и располагать как можно ближе к подшипнику. Если большая площадь фитилей хорошо окружает вал, то они способны вновь поглощать масло, которое при работе отбрасывается от вала. Вязкость смазочного масла должна быть такой, чтобы его можно было подавать к фитилям при низких температурах при давлении ниже атмосферного и пониженных скоростях. При этом маслоотражатели должны пропускать через подшипник масляный туман, а маслосборники должны тщательно охлаждаться.
При больших нагрузках и высоких скоростях (d*ω > 600000) рекомендуют осуществлять капельное смазывание подшипников . Если же имеется источник сухого и чистого воздуха, а некоторая потеря смазочного масла не имеет существенного значения, тогда нужно использовать смазывание подшипников масляным туманом. При этом в линии подачи воздуха в таких системах устанавливают воздухоотделитель и фильтр, для чего необходимо тщательно охлаждать маслосборник, чтобы маслоотражатели легко.
Смазывание подшипников качения предохраняет их от коррозии, уменьшает шум при работе и потери на трение скольжения между кольцами и телами качения, между сепаратором и телами качения, улучшает отвод тепла.
Для смазывания подшипников качения применяют жидкие и пластичные смазывающие материалы.
Жидкие смазочные материалы (масла) применяют при больших частотах вращения подшипника в условиях высоких и низких температур. Обеспечивают минимальные потери на трение. Обычный способ в случае нижнего расположения червяка – организация масляных ванн (например, картер двигателя и т.п.), в которых масло налито до уровня нижнего тела качения.
При картерном смазывании передач подшипники смазывают брызгами масла. Разбрызгивание масла внутри корпуса механизмов происходит с помощью специальных лопастей-крыльчаток либо зубчатых колёс и применяется для создания масляного тумана, который способствует выравниванию температуры и теплоотводу от механизма. Если скорость >1 м/с брызгами покрыты все детали передач и внутренние поверхности стенок корпуса. Стекающее масло попадает в подшипник. Иногда в масло опускают быстроходную шестерню или червяк вместе с подшипником. Для того чтобы подшипник не засорился используют маслозащитные шайбы. Если подшипник конической шестерни находится далеко от масляной ванны, то на фланце корпуса в разъеме делают канавки, а на крыше корпуса скосы. Со стенок крышки корпуса в канавки стекают брызги масла и через отверстия попадают в подшипник.
Если маслу тяжело пробраться в подшипник, то в редуктор встраивается насос, который подает масло в распределительное устройство и потом уже по трубкам масло попадает в подшипник.
К подшипникам качения масло подводится так, что оно стекает в картер через подшипник. Масло может подводиться либо снаружи корпуса либо изнутри. Если применение насоса нежелательно, то применяют пластичные смазочные материалы, для подачи которого применяются пресс-масленки. Смазочный материал подается специальным шприцом.
Однако проектировщику не следует надеяться на то, что разбрызгиванием будут достаточно смазаны подшипники, находящиеся выше уровня масляной ванны.
Достоинства применения жидких смазочных материалов: возможность централизованного смазывания с автоматизацией процесса подачи смазочного материала. Применение жидкого смазочного материала допускает полную его смену без разборки узла, хорошо отводит тепло. Периодичность замены масла - 3-6 месяцев, пополнение - 1-2 раза вмесяц.
Пластичный смазочный материал представляет собой тонкую механическую смесь минерального масла и мыла. Его набивают в корпус подшипника при сборке узла и пополняют один раз в два-четыре месяца. Полную замену смазочного материала производят не реже одного раза в год.
Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n 1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин. В дальнейшем обычно через каждые три месяца через пресс-маслёнки добавляют свежую смазку, а через год её меняют с предварительной разборкой и промывкой узла. Также они имеют чувствительность к изменению температуры, повышенное внутреннее трение; возможность применения только при сравнительно низких угловых скоростях вращающихся колец.
При консистентной смазке необходимо применение щелевых, лабиринтных и центробежных уплотнений.
Пластичные смазочные материалы по сравнению с жидкими имеют следующие преимущества: не вытекают из узлов при нормальных условиях работы; лучше защищают подшипники от коррозии; могут работать в узле без пополнения в течение продолжительного времени (до одного года) и без особого надзора; требуют менее сложных конструкций уплотнительных устройств.
В зависимости от условий работы применяют различные способы подачи смазочного материала к зоне трения деталей (рис. 34).
Рис. 34. Конструкции смазочных устройств