<< На главную страницу    << Сведения о подшипниках

| Что такое подшипники и их основные разновидности

Смотрите также:

Постоянный адрес статьи: http://www.prompk.ru/ntn-snr/e/about_bearings/about_bearing.htm

Вы также можете принять участие в написание статьи, оставив свои дополнения, замечания и комментарии на электронном адресе: http://www.liveinternet.ru/users/prompk_ru/post205546614/ Указание имени автора того или иного изменения гарантируется!

Старый вариант статьи: http://www.snr.com.ru/e/about_bearings/about_bearing.htm

Содержание

1. Основные разновидности подшипников

2. Подшипники скольжения

3. Подшипники качения

4. Магнитные подшипники

5. Происхождение слова “подшипник” 

6. Слово “подшипники” на разных языках мира

7. Список источников

1. Основные разновидности подшипников

Подшипники - это технические устройства, являющиеся частью опор вращающихся осей и валов. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу или оси, и передают их на раму, корпус или иные части конструкции. При этом они должны также удерживать вал в пространстве, обеспечивать вращение, качание или линейное перемещение с минимальными энергопотерями. От качества подшипников в значительной мере зависит коэффициент полезного действия, работоспособность и долговечность машины.

Рисунок 2 - Подшипник линейного перемещения

В настоящее время широко находят применение подшипники:

• контактные (имеющие трущиеся поверхности) - подшипники качения и скольжения;

• бесконтактные (не имеющие трущихся поверхностей) -  магнитные подшипники.

По виду трения различают:    

• подшипники скольжения,   в которых опорная поверхность оси или вала скользит по рабочей поверхности подшипника;   

• подшипники    качения, в которых используется трение качения благодаря установке шариков или роликов между подвижным и неподвижным кольцами подшипника.

<<Наверх

2. Подшипники скольжения

Рисунок 3 - Принципиальная схема опоры с подшипником скольжения

Подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала (часто используются цветные металлы), и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, который позволяет свободно вращаться валу. Для успешной работы подшипника зазор предварительно рассчитывается.

Рисунок 4 - Примеры смазочных канавок в подшипниках скольжения

В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает:

• жидкостным, когда поверхности вала и подшипника разделены слоем жидкого смазочного материала, непосредственного контакта между этими поверхностями либо нет, либо он происходит на отдельных участках;  

• граничным – поверхности вала и подшипника соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, причем смазочный материал в виде тонкой пленки;

• сухим – непосредственный контакт поверхностей вала и подшипника по всей длине или на участках большой протяженности, жидкостной или газообразный смазочный материал отсутствует;

• газовое – поверхности вала и подшипника разделены слоем газа, трение минимально. 

Таблица 1 - Виды смазки подшипников скольжения

Существует большое количество конструктивных типов подшипников скольжения: самоустанавливающиеся, сегментные, самосмазывающиеся и т.д.

а - внешний вид,

б - типичный шарнирный подшипник с поверхностью скольжения типа "металл-металл",

в - типичный шарнирный подшипник с самосмазывающейся поверхностью,

г - благодаря возможности самоустановки и восприятия больших нагрузок шарнирные подшипники находят применение в узлах тяжелой техники (например, в гидроцилиндре экскаватора)

Рисунок 5 - Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно

Подшипники скольжения   имеют следующие преимущества:

• допускают высокую скорость вращения; 

• позволяют работать в воде, при вибрационных и ударных нагрузках;

• экономичны при больших диаметрах валов;  

• возможность установки на валах, где подшипник должен быть разъемным (для коленчатых валов);

• допускают регулирование различного зазора  и, следовательно, точную установку геометрической  оси вала.

а - двигатель шпинделя HDD c подшипником качения,

б - двигатель шпинделя HDD c гидродинамическим подшипником скольжения,

в - расположение гидродинамического подшипника скольжения в HDD (Hard Disk Drive)

Рисунок 6 - Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных HDD (Hard Disk Drive) дает возможность регулировать скорость вращения шпинделей в широком диапазоне (до 20 000 об/мин), уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств, тем самым позволив увеличить скорость передачи данных, обеспечить сохранность записанной информации и срок службы устройства в целом (до 10 лет), а также - создать более компактные HDD (0,8-дюймовые)

Таблица 2 - Сравнение типов подшипников используемых в шпинделях HDD (Hard Disk Drive)

Недостатки подшипников скольжения:

• высокие потери на трение и, следовательно, пониженный коэффициент полезного действия  (0,95... 0,98);

• необходимость в непрерывном смазывании;  

• неравномерный износ подшипника и цапфы;

• применение для изготовления подшипников дорогостоящих материалов;  

• относительно высокая трудоемкость изготовления.

<<Наверх

3. Подшипники качения

 Рисунок 7 - Принципиальная схема опоры с подшипником качения

Подшипники качения работают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения, сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба – дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

а - с шариковыми телами качения,  б - с короткими цилиндрическими роликами, в - с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами, г - с коническими роликами,

д - с бочкообразными роликами

Примечание: приведены только некоторые виды тел качения

Рисунок 8 - В подшипниках качения применяются тела качения различных форм

В некоторых узлах машин в целях уменьшения габаритов, а также повышения точности и жесткости, применяются так называемые совмещенные опоры: дорожки качения выполняются непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали. Некоторые подшипники качения изготовляют без сепаратора. Такие подшипники имеют большое число тел качения и, следовательно, большую грузоподъемность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Рисунок 9 - Для сокращения радиальных размеров и массы используются “безобоемные” подшипники

Таблица 3 - Сравнение подшипников качения по эксплуатационным характеристикам

Примечание:

* - обозначения: +++ - очень хорошо, ++ - хорошо, + - удовлетворительно, о - плохо, х - непригодно.

По сравнению с подшипниками скольжения имеют следующие преимущества:

• значительно меньше потери на трение, а, следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;

• в 10...20 раз меньше момент трения при пуске;

• экономия дефицитных цветных материалов, которые чаще всего используются при изготовлении подшипников скольжения;

• меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

• простота обслуживания и замены;

• меньше расход смазочного материала;

• невысокая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников;

• простота ремонта машины вследствие взаимозаменяемости подшипников.

Рисунок 10 - Повреждения подшипников качения

Недостатками подшипников качения являются:

• ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

• непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

• значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

• шум во время работы, обусловленный погрешностями форм;

• сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

• повышенная чувствительность к неточности установки;

• высокая стоимость при мелкосерийном производстве уникальных по размерам подшипников.

<<Наверх

4. Магнитные подшипники

Рисунок 11 - Магнитный подшипник 

Принцип работы магнитного подшипника (подвеса) основан на использовании левитации, создаваемой электрическими и магнитными полями. Магнитные подшипники позволяют без физического контакта осуществлять подвес вращающегося вала и его относительное вращение без трения и износа.  

Рисунок 12 - Детская игрушка Левитрон наглядно демонстрирует, на что способны электромагнитные поля

Электрические и магнитные подвесы, в зависимости от принципа действия, принято разбивать на девять типов:

• электростатические;

• на постоянных магнитах;

• активные магнитные;

• LC- резонансные;

• индукционные;

• кондукционные;

• диамагнитные;

• сверхпроводящие;

• магнитогидродинамические.

Рисунок 13 - Принципиальная схема типичной системы на основе активного магнитного подшипника (АМП)

Наибольшую популярность в настоящее время получили активные магнитные подшипники. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Полный неконтактный подвес ротора может быть осуществлен с помощью либо двух радиальных и одного осевого АМП, либо двух конических АМП. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и электронный блок управления, соединенный проводами с обмотками электромагнитов и датчиками. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов.

Рисунок 14 - Принципиальная схема управления типичной системы на основе активного магнитного подшипника

Основными преимуществами АМП являются:

• относительно высокая грузоподъемность;

• высокая механическая прочность;

• возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела;

• возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах;

• возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, высоких и низких температурах, стерильных технологиях...

а)	б)

а - схема компрессора с подшипниками качения,

б - схема компрессора с магнитными подшипниками

Рисунок 15 - Применение магнитных подшипников дает возможность сделать конструкцию более жесткой, что, например, позволяет уменьшить динамический прогиб вала при высоких частотах вращения

В настоящие время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

АМП могут эффективно применяться в следующем оборудовании:

• турбокомпрессоры и турбовентиляторы;

• турбомолекулярные насосы;

• электрошпиндели (фрезерные, сверлильные, шлифовальные);

• турбодетандеры;

• газовые турбины и турбоэлектрические агрегаты;

• инерционные накопители энергии.

Рисунок 16 - Шпиндели для вакуумных машин с активными магнитными подшипниками

Однако АМП требуют сложную и дорогостоящую аппаратуру управления, внешнего источника электроэнергии, что снижает эффективность и надежность всей системы. Поэтому идут активные работы по созданию пассивных магнитных подшипников (ПМП), которые не требуют сложных систем регулирования: например, на основе высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB (неодим-жедезо-бор).

Рисунок 17 - Пассивный магнитный подшипник на основе высокоэнергетических постоянных магнитов

<<Наверх

5. Происхождение слова “подшипник” 

Русское слово “подшипник”, судя по названию, образовано от корня “шип” и приставки “под”. То есть подшипник - это нечто расположенное “под шипом”. Вот что говорит на этот счет классический словарь “Толковый словарь живого великорусского языка Владимира Даля”, содержащий много старинных и первоначальных значений тех или иных русских слов.

ПОДШИПНЫЙ - то, что под шипом. Подшипник м. в машинах, та часть подушки, на коей лежит шип оси или вала, упорная подкладка, на коей ось обращается.

ШИП - вообще, всякая насаженная, вставленная, припаянная или оттянутая ковкою часть вещи, для вставки в гнездо, для захвата, задержки и пр.

ШИПНИК - м. подшипник или гнездо, куда вкладывается шип оси.

Говоря современным инженерным языком, речь идет о гнезде или втулке, куда вставляется цапфа вала или оси (шип) и там вращается. Первоначально использовались втулки (подшипники скольжения), затем распространились подшипники качения. Однако название осталось, так как подшипник – по-прежнему деталь, которая располагается “под шипом”.

а)

б)

а - внешний вид ступицы колеса телеги,
б - конструкция ступицы колеса телеги

Рисунок 18 - На примере конструкции ступицы колеса телеги, которые широко использовались в России почти до середины XX века, можно понять, откуда произошло слово “подшипник” – нечто расположенное “под шипом”

<<Наверх

6. Слово “подшипники” на разных языках мира

Подшипники используются в различных уголках мира, и это слово звучит довольно часто из уст инженеров и техников. Однако “подшипники” на разных языках пишутся и звучат по-разному.

Таблица 4 - Слово “подшипники” на некоторых языках мира

<<Наверх

7. Список источников

1) Albert Kascak, Robert Fusaro & Wilfredo Morales. Permanent Magnetic Bearing for Spacecraft Applications. NASA/TM—2003-211996;
2) Ball and Roller Bearings. Сat. №2202. NTN, 2001;
3) Care and Maintenance of Bearings. Сat. №3017. NTN;
4) Henrik Strand. Design, Testing and Analysis of Journal Bearings for Construction Equipment. Department of Machine Design. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2005;

5) ISO Standardization for Active Magnetic Bearing Technology. Published 2005;

6) Kazuhisa Miyoshi. Solid Lubricants and Coatings for Extreme Environments: State-of-the-Art Survey. NASA, 2007;
7) Needle Roller Bearings. Cat.№ 2300-VII/E. NTN;
8) Needle Roller Bearing Series General Catalogue. IKO;

9) NTN Technical Review №71. April 2004. OSAKA, JAPAN;

10) Lei Shi, Lei Zhao, Guojun Yang и др. DESIGN AND EXPERIMENTS OF THE ACTIVE MAGNETIC
BEARING SYSTEM FOR THE HTR-10. 2nd International Topical Meeting on HIGH TEMPERATURE REACTOR TECHNOLOGY. Beijing, CHINA, September 22-24, 2004;
11) Linear Motion Rolling Guide Series General Catalogue, IKO;
12) Precision Rolling Bearings. Cat. № 2260-II/E. NTN;
13) Spherical Plain Bearings. Сat.№5301-II/E. NTN;

14) Torbjorn A. Lembke. Induction Bearings. A Homopolar Concept for High Speed Machines. Electrical Machines and Power Electronics. Department of Electrical Engineering. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2003;
15) Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001;
16) Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003;
17) Орлов П.И. Основы конструирования/Справочно-методическое пособие в 2-х книгах. М.: Машиностроение, 1988;

18) Черменский О.Н., Федотов Н.Н. Подшипники качения. Справочник-каталог. М: Машиностроение, 2003;

19) Толковый словарь живого великорусского языка Владимира Даля. http://slovari.yandex.ru/dict/dal.

<<Наверх

Терминология подшипников

Основные типы подшипников

Основные этапы производства подшипника

Классы точности изготовления подшипников

Следы качения при повреждении подшипников и их значение

Смазывание подшипников качения

Технические каталоги NTN