Подшипники — это механические компоненты, используемые для уменьшения трения и обеспечения плавного перемещения между двумя движущимися частями. Они широко используются в различных механических системах, начиная от мелкой бытовой техники и заканчивая тяжелой техникой. Подшипники — это компоненты машины, которые поддерживают другой вращающийся компонент машины (известный как цапфа). Он обеспечивает относительное перемещение между контактными поверхностями элементов, поддерживая нагрузку.
Подшипники
Подшипники — это механические компоненты, которые уменьшают трение между движущимися частями в машинах. Они обеспечивают плавное движение, выдерживая осевые и радиальные нагрузки. Распространенные типы включают шарикоподшипники, роликовые подшипники и подшипники скольжения. Подшипники имеют решающее значение в различных областях применения, от транспортных средств и промышленного оборудования до повседневной бытовой техники.
Определенное количество мощности теряется при преодолении сопротивления трению в результате относительного перемещения контактных поверхностей, и при непосредственном контакте трущихся поверхностей происходит быстрый износ. Возможно нанесение слоя жидкости (называемой смазкой) для уменьшения износа и сопротивления трению, а в некоторых случаях для отвода выделяемого тепла.
Что такое подшипники?
Поскольку мы уже узнали, что подшипник — это элемент машины, который поддерживает, направляет и удерживает движущиеся элементы, несколько типов подшипников в них поддерживают вращательное движение вала или шейки. Эти подшипники классифицируются в зависимости от их категории и использования в различных областях применения.
Типы подшипников
Существует множество типов подшипников. Рассмотрите технологическую схему, приведенную на рис. 1, чтобы получить представление обо всех используемых подшипниках. Это дерево классификации полезно перед изучением этого раздела. Эти классификации основаны на реальных приложениях.
Рис. 1: Типы подшипников
Существует два типа подшипников, концепции которых будут рассмотрены в каждом основном типе, т.е. Подшипники качения и скольжения. Давайте узнаем о них больше.
(1) Радиальные подшипники: В них нагрузка действует перпендикулярно направлению движения цапфы, как показано на рис. 2 (а) и (б).
Рис. 2: Вид радиального подшипника спереди (а) и сбоку (б)
(2) Упорные подшипники: В них нагрузка действует вдоль оси вращения, как показано на рис. 3 ниже.
Рис. 3: Поперечное сечение упорного подшипника
Основываясь на наиболее используемых типах подшипников, давайте сначала изучим контакт качения, а затем контакт скольжения.
Подшипники качения
Как показано на рис. 4, стальные шарики или ролики действуют как промежуточный элемент между подвижными и неподвижными компонентами в этих подшипниках. Для каждого шарика или ролика шарики обеспечивают трение качения в двух точках.
Рис. 4: Подшипник качения
В отличие от подшипников скольжения, в этих подшипниках между элементами подшипника имеется контакт качения. Эти подшипники также известны как «подшипники антифрикционные», потому что трение качения значительно ниже, чем трение скольжения.
Преимущества
- Пусковой момент при трении меньше рабочего момента при трении.
- Эти подшипники просты в замене.
- Их конструкция проста в обслуживании и компактна.
- Вал можно предварительно нагружать, что делает его жестким.
- Простая смазка.
- Центровка вала более точная, чем при использовании подшипников скольжения.
- Эти подшипники способны выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки.
- Благодаря стандартизации и жестким допускам подшипники качения наиболее часто используются в прецизионном оборудовании.
Недостатки
- Ограниченный срок службы из-за возможного износа.
- Низкая способность выдерживать удары.
- Высокая начальная стоимость.
- Коэффициент трения выше на более высоких скоростях.
Но, учитывая преимущества подшипников качения, недостатки становятся незначительными. Следовательно, они стали наиболее используемыми даже сегодня.
Типы подшипников качения
Примечательно, что на характеристики трения подшипника качения влияют нагрузка, частота вращения и вязкость рабочей смазки. Вероятно, неправильно называть подшипники качения «Подшипниками антифрикционными», но этот термин широко используется в отрасли.
Но, двигаясь вперед, давайте рассмотрим типы подробнее. Существуют два следующих типа подшипников качения:
- Шарикоподшипники и
- Роликовые подшипники.
Внутреннее кольцо шариковых и роликовых подшипников устанавливается на валу или шейке, а внешнее кольцо опирается на корпус. Между внутренним и наружным кольцами расположены шарики или ролики, как показано на рис. 5 (а) и (б).
Рис. 5: Шарикоподшипники и роликовые подшипники
Используется несколько шариков или роликов, которые удерживаются на соответствующем расстоянии друг от друга с помощью фиксаторов. После того, как шарики распределены равномерно, собираются фиксаторы, представляющие собой тонкие полоски, которые обычно состоят из двух частей.
Примечание: Шарикоподшипники используются для небольших нагрузок, в то время как роликовые подшипники используются для более тяжелых нагрузок.
Давайте сначала подробнее обсудим это.
Шарикоподшипники
Простой шарикоподшипник показан на рис. 6 ниже. Они состоят из внешнего кольца, внутреннего кольца, шариков или тел качения и сепаратора или сепараторной клетки.
Рис. 6: Поперечное сечение шарикоподшипника
- Сепаратор разделяет элементы таким образом, чтобы не происходило трения.
- Наружное и внутреннее кольца также называются наружным и внутренним кольцами соответственно.
- Сепаратор состоит из двух частей, которые собираются после надлежащего размещения шариков.
Шарикоподшипники, в зависимости от переносимой нагрузки, классифицируются как
- Радиальные подшипники и
- Упорные подшипники
Радиальные и упорные шарикоподшипники показаны на рис. 7 (а) и (б) соответственно.
Рис. 7: Радиальные и упорные шарикоподшипники
Как показано на рис. 8 (а), когда шарикоподшипник выдерживает только радиальную нагрузку (WR��) плоскость вращения шарика перпендикулярна центральной линии подшипника.
Как показано на рис. 8 (b), действие осевой нагрузки (WA��) заключается в смещении плоскости вращения шариков. Радиальные и упорные нагрузки могут переноситься одновременно.
Теперь давайте обсудим различные типы шарикоподшипников.
Радиальные шарикоподшипники
Вы можете увидеть реальные примеры нескольких часто используемых типов радиальных шарикоподшипников на рис. 8А
Рис. 8А: Наиболее часто используемые типы шарикоподшипников в реальной жизни.
Существуют следующие многочисленные типы радиальных шарикоподшипников:
Рис. 8B: Типы радиальных шарикоподшипников
- Однорядный радиальный подшипник: Однорядный радиальный подшипник показан на рисунке 8B (a). Это наиболее часто используемый шарикоподшипник из-за его большой грузоподъемности и приспособляемости к высоким рабочим скоростям.
- Подшипник с заполняющей выемкой: На рисунке 8B (b) показан подшипник с заполняющей выемкой. В отличие от шарикоподшипников с глубоким пазом, эти подшипники имеют выемки во внутреннем и внешнем кольцах, которые позволяют вставлять большее количество шариков. Поскольку подшипники этого типа содержат большее количество шариков, их несущая способность выше.
- Радиально-упорный подшипник: На рис. 8B (c) показан радиально-упорный подшипник. У этих подшипников одна сторона наружного кольца удалена для размещения большего количества шариков, чем у подшипников с глубоким пазом. Это позволяет подшипнику одновременно выдерживать огромную осевую нагрузку в одном направлении и значительную радиальную нагрузку.
- Двухрядный подшипник: На рисунке 8B (d) показан двухрядный подшипник. Нагрузка, которую несет двухрядный шарикоподшипник, менее чем в два раза превышает нагрузку, которую несет однорядный шарикоподшипник.
- Самоустанавливающийся подшипник: На рисунке 8B (e) показан самоустанавливающийся подшипник. Эти подшипники допускают отклонение вала от 2 до 3 градусов.
Вот реальный пример самоустанавливающегося шарикоподшипника, показанный на рис. 8С ниже.
Рис. 8С: самоустанавливающийся шарикоподшипник
Теперь давайте обсудим другой тип подшипников качения, который обычно используется. Помните, мы все еще обсуждаем шарикоподшипники.
Упорные шарикоподшипники
Упорные шарикоподшипники выдерживают только осевые нагрузки, действующие со скоростью менее 2000 об / мин. На высоких скоростях шарики выбрасываются из колец под действием центробежной силы.
Поэтому на высоких скоростях рекомендуется использовать радиально-упорный тип (показан на рис. 9С выше) вместо упорного типа.
На данный момент существует только два типа упорных шарикоподшипников, как показано на рис. 10А:
(a) Однонаправленность и
(b) Двойное направление.
Рис. 10А: Упорные шарикоподшипники
Вот реальный пример двухнаправленного упорного шарикоподшипника, показанный на рис. 10B ниже.
Рис. 10B: Двухнаправленный упорный шарикоподшипник в реальной жизни
Рис. 10С: Радиально-упорный шарикоподшипник
Теперь мы завершили наше изучение шарикоподшипников. Давайте познакомимся с концепцией другого наиболее часто используемого типа.
Роликовые подшипники
Подшипники качения обычно используются для поддержки и передачи нагрузок между элементами машины, такими как валы, оси, колеса и т.д., Которые подвержены вращению или колебаниям. Эти подшипники обычно имеют меньшее трение и высокую точность. Это, в свою очередь, обеспечивает высокие частоты вращения. В основном их используют из-за их экономичности.
Типы роликовых подшипников
Ниже приведены их основные категории:
- Цилиндрические роликовые подшипники: Это показано на рис. 11А. Эти подшипники имеют короткие ролики с сепаратором. Эти подшипники обладают высокой устойчивостью к радиальному перемещению.
Рис. 11А: Цилиндрический роликовый подшипник
- Сферические роликовые подшипники: На рисунке 11B показан сферический роликовый подшипник. Эти подшипники сами выравниваются. Характеристика самоустанавливания достигается за счет притирки одного из колец к сфере.
Рис. 11B: Сферические роликовые подшипники
Обычно эти подшипники допускают угловое смещение в порядке ±112°±112°.
- Игольчатые роликовые подшипники: На рисунке 11C показан игольчатый роликовый подшипник. Эти подшипники достаточно узкие и занимают много места, поэтому ни сепаратор, ни фиксатор не требуются.
Рис. 11С: Игольчатые роликовые подшипники
Эти подшипники используются, когда необходимо выдерживать колебательные нагрузки, например, подшипники поршневых пальцев в тяжелых дизельных двигателях.
- Конические роликовые подшипники: На рис. 11D показан конический роликовый подшипник. Эти подшипники имеют ролики и кольца в форме усеченного конуса, и все их элементы пересекаются в одном месте. Такие подшипники могут выдерживать упорные и радиальные нагрузки.
Рис. 11D: Конические роликовые подшипники
На этом завершается один из основных типов. Давайте перейдем к следующему основному типу.
Подшипники скольжения
Как показано на рисунке 12, в этих подшипниках скольжение происходит по контактным поверхностям между подвижным и неподвижным элементами. Другое название этих подшипников — подшипники скольжения.
Рис. 12: Подшипники скольжения
У подшипника скольжения между цапфой и подшипником возникает относительное движение скольжения. Теперь давайте обсудим его основные типы.
Типы подшипников скольжения
- Скользящие или направляющие подшипники выдерживают радиальные нагрузки, направляя движение скольжения по прямой траектории. Эти подшипники обычно используются в траверсах паровых двигателей.
- Цапфовые или втулочные подшипники выдерживают радиальные нагрузки и скользят по окружности или по ее дуге.
- Упорные подшипники, в которых нагрузка действует вдоль оси вращения в упорных подшипниках.
Давайте обсудим здесь только два наиболее используемых подшипника.
Цапфовые или втулочные подшипники
Существует три основные классификации:
- Цапфовый подшипник: В этом типе подшипник совершает полный 360-градусный круг контакта с цапфой, как показано на рис. 13 (а).
Рис. 13 (а): Цапфовый подшипник в сборе.
Этот подшипник широко используется в промышленном оборудовании для поддержания нагрузок на подшипники в любом радиальном направлении.
- Подшипник с частичной опорой: Когда угол контакта между подшипником и цапфой составляет 120 °, как показано на рис. 13 (b), подшипник является подшипником с частичной опорой.
Рис. 13 (b): Подшипник с неполной шейкой
Хотя трение у них меньше, чем у цапф полного типа, их можно использовать только в тех случаях, когда нагрузка всегда прилагается в одном направлении. Подшипники с частичной цапфой чаще всего используются на осях железнодорожных вагонов.
Примечание: Из-за меньшего диаметра цапфы, чем у подшипника, как полные, так и частичные цапфы могут называться подшипниками с зазором.
- Установленный подшипник: Как показано на рис. 13 (c), когда в подшипнике с частичной опорой нет зазора, т.е. диаметры шейки и подшипника эквивалентны, подшипник называется установленным подшипником.
Рис. 13 (с): Установленный цапфовый подшипник
Упорные подшипники
Мы узнали, что упорные подшипники непрерывно вращаются между деталями, но они рассчитаны преимущественно на осевую нагрузку.
В этой категории есть тип, который обычно используется:
(i) Опорный подшипник: Здесь вал заканчивается на поверхности подшипника, как показано на рис. 14 ниже.
Рис. 14: Опорный подшипник
Упорные подшипники широко используются в автомобильной, морской и аэрокосмической промышленности. Кроме того, они используются в захватах лопастей основного и рулевого винтов радиоуправляемых (RC) вертолетов. В мачтах радиоантенн также используются упорные подшипники для уменьшения нагрузки на вращатель антенны.
Подшипники скольжения подразделяются на следующие категории в зависимости от толщины слоя смазки между подшипником и шейкой:
- Толстопленочные подшипники: Рабочие поверхности толстопленочных подшипников полностью отделены друг от друга смазкой. Эти подшипники также известны как подшипники с гидродинамической смазкой.
- Тонкопленочные подшипники: Тонкопленочные подшипники — это подшипники, в которых рабочие поверхности частично контактируют друг с другом, по крайней мере, часть времени, несмотря на наличие смазки. Эти подшипники часто называют подшипниками с граничной смазкой.
- Подшипники с нулевой пленкой: Подшипники этого типа могут работать при отсутствии какой-либо смазки.
- Подшипники со смазкой под гидростатическим давлением: Гидростатические подшипники способны выдерживать постоянные нагрузки без относительного перемещения между шейкой и подшипником. Это достигается путем проталкивания смазки под внешним давлением между деталями.
Из-за их большей долговечности и несущей способности гидродинамические шейные подшипники обычно используются для поддержки высокоскоростных вращающихся механизмов, таких как турбины и компрессоры. Следовательно, необходимо усвоить несколько терминов, связанных с этими подшипниками.
Материалы, используемые для изготовления подшипников
Ниже мы рассмотрим некоторые из наиболее типичных материалов для подшипников скольжения:
- Металлический баббит: Он широко используется в качестве материала для подшипников. Он имеет оловянную и свинцовую основу. При максимальном давлении в подшипнике от 7 до 14 N/mm2�/��2, предлагаются бэббиты.
Металлы babbit состоят из следующих компонентов:
(a) Баббиты на основе олова: 90% олова, 4,5% меди, 5% сурьмы и 0,5% свинца.
(b) Баббиты на основе свинца: 84% свинца, 6% олова, 9,5% сурьмы и 0,5% меди.
- Бронзы: Бронзы, состоящие из сплавов меди, олова и цинка, обычно используются в качестве обработанных втулок, которые вдавливаются в корпус. Два наиболее часто используемых материала для подшипников — это фосфорная бронза и оружейный металл.
- Чугун: Стальные шейки обычно используются с этим материалом. Такие подшипники имеют разумные шансы на успех при достаточном количестве смазки и давлении, ограниченном 3,5 N/mm2�/��2, а также скорости до 0,67 м / с.
- Серебристые: Они используются, когда усталостная прочность является наиболее важным фактором. Серебристые и свинцово-серебряные подшипники в основном используются в авиационных двигателях.
- Неметаллические подшипники: Различные неметаллические подшипники изготавливаются из резины, пластика, дерева и углерод-графита.
Определенные уравнения играют важную роль в конструкции подшипников. Давайте узнаем о них больше.
Внутренние и наружные кольца
Внутреннее кольцо: Внутреннее кольцо, также известное как внутреннее кольцо, играет жизненно важную роль в конструкции подшипника. Оно воплощает в себе консервативные ценности стабильности и надежности, поскольку монтируется непосредственно на вал. Внутреннее кольцо обеспечивает надежную внутреннюю дорожку качения для тел качения, таких как шарики или ролики.
Внешнее кольцо: Воплощая идеалы прочности и упругости, внешнее кольцо, также называемое внешним кольцом, охватывает и защищает внутреннее кольцо. Расположенное на внешней стороне подшипника наружное кольцо обеспечивает надежную и непоколебимую внешнюю дорожку качения для тел качения.
Почему подшипники важны?
- Увеличенный срок службы компонентов: При консервативном подходе ценится долговечность и ответственное использование ресурсов. Подшипники, снижая трение и износ, эффективно продлевают срок службы компонентов.
- Снижение уровня шума и вибрации: Шум и чрезмерная вибрация не только снижают комфорт, но и указывают на неэффективность консервативных инженерных методов. Подшипники способствуют снижению шума и вибрации, тем самым повышая безопасность, комфорт и соответствие консервативным идеалам стабильности и надежности.
- Универсальность: Подшипники, доступные различных типов, размеров и материалов, воплощают консервативный подход к адаптации. Их можно адаптировать к различным областям применения и условиям эксплуатации, обеспечивая экономное распределение ресурсов и эффективное их использование.
- Надежная работа: При консервативном проектировании приоритет отдается надежности. Подшипники, предназначенные для выдерживания больших нагрузок, высоких скоростей и сложных условий эксплуатации, воплощают эти консервативные принципы, обеспечивая надежную работу, в конечном итоге повышая безопасность и производительность.
- Повышение безопасности: Консервативная практика уделяет приоритетное внимание безопасности, и подшипники вносят значительный вклад в этот аспект. Обеспечивая плавное и контролируемое движение, они повышают безопасность эксплуатации машин и оборудования, согласуясь с консервативными ценностями обеспечения благополучия человека.
Уравнение Петроффа
Уравнение Петроффа для цапфового подшипника помогает определить коэффициент трения, что помогает при окончательном проектировании подшипников. Рассмотрим вертикальный вал, вращающийся в направляющем подшипнике, как показано на рис. 15 ниже.
Рис. 15: Эталонное изображение для уравнения Петроффа
Позвольте,
D = Диаметр подшипника = (d + 2c), мм
d = Диаметр шейки или вала, мм
c = Радиальный зазор, мм
l = Длина подшипника, мм
N = Частота вращения цапфы, об /мин.
n = Частота вращения цапфы = N60�60, об / мин
f = Сила трения, Н
r = Радиус шейки или вала, мм
Z = Абсолютная динамическая вязкость.
Уравнение Петроффа разработано на основе следующих допущений:
- Подшипник выдерживает небольшую нагрузку
- Утечка незначительна
- Зазор между шейкой и подшипником заполнен смазкой
- Вязкость равномерна по всей масляной пленке..
Уравнение Петроффа для малонагруженных подшипников,
f=π20,5×106Znprc�=�20.5×106�����
Здесь,
rc�� = Коэффициент радиального зазора и
Znp��� = Модуль упругости подшипника, также обозначаемый как «C’.
Уравнение Петроффа для подшипников с хорошей смазкой,
Согласно McKee,
f=[Ka(Znp)(rc)×10−10+Δf]�=[��(���)(��)×10−10+Δ�]
Здесь,
Ka�� = 541.33 β�
β� = Длина окружности подшипника в градусах
= 0.195×1060.195×106 для цельных цапфовых подшипников [т.е., β� = 360°]
ΔfΔ� = 0.002 = Поправочный коэффициент для подшипника, имеющего 1d1� = от 0,75 до 2,8
Это уравнение Макки показывает, как гидродинамическая смазка может применяться к толстым пленкам и чем они отличаются от тех, которые смазываются тонкой пленкой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Номер характеристики подшипника или модуль упругости для цапфового подшипника указан в,
μNp���, где μ→�→ Коэффициент трения
Число Соммерфилда
При проектировании подшипников скольжения безразмерное число Зоммерфельда играет важную роль. Математически,
(a) Без боковой утечки.:
S=(rc)2(Zn6.�=(��)2(���)×10−6
(b) С боковой утечкой:
S=(rc)2(Znp) Kw6,�=(��)2(���) ��×10−6
Здесь,
Kw�� = Поправочный коэффициент для боковой утечки.
p = Давление в подшипнике, МПа
Чтобы получить полное представление о подшипниках, мы не можем исключить концепцию образования и рассеивания в подшипниках. Это решающий фактор при выборе смазки при проектировании подшипников. Давайте изучим эти две концепции, прежде чем завершить наше обсуждение подшипников.
Тепловыделение в подшипниках
Мощность, теряемая при трении в подшипнике, преобразуется в тепло и должна отводиться от корпуса без образования чрезмерных температур. Если температура подшипника повышается, вязкость масла снижается. В результате масло вытесняется и подшипник заедает.
Работа трения или выделяемое тепло, Hg=fWv��=��� (J / s)
Скорость трения, v=πdn1000�=���1000 (м / с)
Здесь,
d = Диаметр шейки, мм
n = частота вращения цапфы, об /мин.
Нагрузка, Вт = 2.p.r.l = p.d.l
Тепло, отводимое в подшипниках
Количество тепла, рассеиваемого или излучаемого подшипником, зависит от разницы температур, излучающей поверхности, массы подшипника и количества масла, обтекающего подшипник.
Температура подшипника указана в виде,
tB=tA+tR��=��+��
Здесь,
тА�� = Температура окружающей среды, ° C
тБ�� = Повышение температуры несущей стенки, ° C
Температура масляной пленки в подшипнике задается как,
to=tA+2tR��=��+2��
Для смазки с принудительной подачей, (to−tB) 10°C(��−��)≤10°�
Здесь,
to�� = Температура масла, ° C
Есть только два случая, когда тепло, отводимое подшипниками, рассматривается по-разному.
Пример 1: В зависимости от площади корпуса:
Тепло, отводимое подшипником,
HD�� = C’A = K1A(tB−tA)�1�(��−��), J / s
Здесь,
C’ = Коэффициент A = K1(tB−tA)�1(��−��)
(tB−tA)(��−��) = Разница температур между корпусом подшипника и окружающим воздухом, ° C
A = 20dl = площадь поверхности корпуса подшипника или опоры., mm2��2
Пример 2: На основе проектной площади подшипника:
- Тепло, отводимое подшипником,
HD=C”ld=K2ld(tB−tA)��=�”��=�2��(��−��)
Здесь,
C” = коэффициент a = K2(tB−tA)�2(��−��)
(К1,К2)(�1,�2) = Константы рассеивания на поверхности.
- Согласно О. Лашче (Педерссон),
HD=ld (T+18)2K3��=�� (�+18)2�3
Здесь,
K3=0,2674×106�3=0.2674×106, для подшипников тяжелой конструкции и с хорошей вентиляцией.
= 0.4743×1060.4743×106, для подшипников легкой конструкции, работающих на неподвижном воздухе (невентилируемом).
T = ( tB−ta��−�� ) (° C)
Примечание:
- Если HD<Hg��<�� затем необходимо обеспечить искусственное охлаждение.
- Если условия эксплуатации подшипников таковы, что работа трения высока, то необходимо обеспечить искусственное охлаждение любым из следующих способов:
- Путем подачи избыточного масла (смазочного материала) в подшипник и
- Охлаждая корпус подшипника водой.
Применение подшипников
- Промышленное оборудование: Промышленный сектор в значительной степени зависит от подшипников для эффективного функционирования машин. Подшипники являются неотъемлемыми компонентами различного промышленного оборудования, включая насосы, компрессоры, турбины, конвейеры и станки.
- Производство электроэнергии: Подшипники незаменимы в оборудовании для производства электроэнергии, таком как ветряные турбины, гидроэлектрогенераторы и паровые турбины.
- Медицинское оборудование: В области медицины подшипники находят ценное применение в различном оборудовании, таком как хирургические инструменты, устройства визуализации, лабораторное оборудование и протезы.
- Бытовая техника: Подшипники повсеместно используются во многих бытовых приборах, включая холодильники, стиральные машины, вентиляторы и пылесосы.
- Робототехника и автоматизация: В быстро развивающейся области робототехники и автоматизации подшипники играют важную роль в обеспечении точного перемещения и позиционирования.