Принцип работы подшипника: Как устроен принцип работы подшипников скольжения

alexxlab | 04.04.1978 | 0 | Разное

Как устроен принцип работы подшипников скольжения

Cовременная промышленность предлагает два вида подшипников – качения и скольжения. Их главное различие заключается в том, как движутся все части узла по отношению друг к другу. Из названия можно сделать вывод, что в подшипниках качения в основе движения частей детали находится принцип качения, в подшипниках скольжения – принцип скольжения.

Конструкция подшипника скольжения

Подшипник скольжения –  запчасть, где процесс трения происходит за счет скольжения. Такое движение возможно благодаря конструкции детали.

Для изготовления подшипников скольжения чаще всего применяется сплав свинца или олова с добавлением меди, никеля, сурьмы. Этот сплав носит название баббит по фамилии ученого, который придумал его в начале 19 века.

Подшипник скольжения состоит из корпуса с отверстием в форме цилиндра. В этом отверстии размещается втулка и смазывающее устройство. Зазор между корпусом и втулкой заполнен смазкой, которая делает скольжение быстрым и легким, то есть минимизирует сопротивление.

Втулки или, как их еще называют вкладыши, в подшипниках скольжения бывают опорными и упорно-опорными. Опорная втулка имеет классическую конструкцию, тогда как опорно-упорная оснащена бронзовым упором, который имеет специальную заливку. Благодаря бронзовому упору увеличиваются осевые нагрузки, которые способен воспринимать конкретный подшипник скольжения.

Система самосмазывания нужна в подшипнике скольжения, чтобы обеспечить бесперебойную подачу смазки, так как если смазки будет недостаточно или ее не будет совсем, деталь перегреется и сломается.

Система самосмазывания изготовлена из специального пористого материала, который пропитан маслом и выделяет его при нагревании детали. Когда подшипник заканчивает работать и остывает, система впитывает масло обратно.

Принцип действия подшипника скольжения

Принцип действия подшипника скольжения основан на движении двух взаимодействующих поверхностей. Одна вращается, вторая пребывает в спокойном состоянии. По сути, они скользят по отношению друг к другу благодаря специальному желобу, заполненному смазывающим веществом.

В зависимости от типа смазки подшипники скольжения бывают гидростатическими и гидродинамическими.

В гидростатических подшипниках смазка подается с внешней стороны. За процесс подачи отвечает гидравлический насос. От скорости вращения детали он не зависит, но зато на него влияет размер самой детали.

Гидродинамический подшипник работает за счет системы самосмазывания, речь о которой шла выше.

Типы смазки для подшипников скольжения

Работа подшипников скольжения зависит от качества смазки намного больше, чем работа подшипников качения. Объясняется это тем, что металлические части подшипника не способны скользить без дополнительных веществ.

Специалисты выделяют три типа смазки для подшипников скольжения: жидкостный, газодинамический и пластичный. Лучше всего для подшипников скольжения подходит именно жидкостный тип. Смазка такого типа уменьшает трение, защищает от воздействия окружающей среды и эффективно распределяет тепло, которое выделяется в процессе работы подшипника.

Газодинамическая смазка фактически сводит уровень вибрации к нулю, поэтому она востребована в подшипниках скольжения для систем навигации.

Пластичная мазка также по-своему хороша для подшипников скольжения. Принцип работы такой смазки основан на том, что масла вводятся в твердое вещество, которое создает плотный каркас и тем самым не позволяет маслу вытекать.

Опорные подшипники скольжения | Как устроен

Опорный подшипник скольжения – это тип опоры, который наиболее востребован в механизмах с валами, имеющими очень высокую частоту вращения. В этом случае качение – не самый лучший вариант, так как центробежные силы с большими значениями, которые создает при вращении ось, воздействуя на шарики или ролики, быстро разрушают деталь. Также узел скольжения идеален там, где необходима разъемность конструкции для упрощения монтажа и обслуживания. В некоторых случаях, например в двигателях внутреннего сгорания, такое решение можно уверенно называть единственным возможным.  В автомобилестроении большим спросом пользуется сферический подшипник скольжения, который устанавливают на наконечник штока. Он легко монтируется отдельными элементами и при этом купить новую деталь, при выходе изделия из строя, можно совсем недорого.

Как устроен опорный подшипник скольжения

Конструкция опорного подшипника предельно проста, но при этом его изготовление требует высокой точности. Шейка вала размещается в расточке, изготовленной в специальном вкладыше. При этом диаметр расточки немного больше диаметра самого вала. Составной вкладыш из двух половин располагают в корпусе узла, на опорных колодках с условием, чтобы оси собранного вкладыша и расточки совпадали с большой степенью точности. Принцип работы опорного подшипника нераздельно связан с маслом, которое подается в расточку по специально предусмотренной магистрали. Масло создает пленку между поверхностями расточки и вала, обеспечивающую оптимальный для узла режим вращения.

Для того чтобы регулировать подачу масла, используют ограничительную шайбу. Отработка выдавливается через предусмотренный конструкцией радиальный зазор и попадает в корпус изделия. Оттуда оно по маслопроводу стекает назад в бак. На крышке подшипника расположен бачок аварийной подачи масла, в который жидкость выдавливается по трубке при нормальной работе узла из зазора между вкладышем и валом.

Особенности изготовления и эксплуатации опорных подшипников скольжения

Рассказывать о том, что такое опорный подшипник скольжения, проще всего на примере турбинной установки, где эта деталь является обязательным элементом. Основной работой изделия в этом случае является восприятие усилий, которые действуют на ротор, а также обеспечение его максимально точного положения относительно статора. Деталь берет на себя радиальные силы, создаваемые ротором, в том числе связанные с его расцентровкой и уравновешиванием. При этом важно помнить, что все нагрузки осевого типа воспринимают отдельные упорные подшипники, которые иногда совмещают с опорными узлами. Расчет опорных частей валов и роторов, вращающихся с большими скоростями, всегда выполняется с учетом этих особенностей.

Эффективная и надежная опора, создаваемая изделием такого типа, обеспечивает продолжительную бесперебойную работу узла вращения. Поэтому опорный подшипник должен соответствовать нескольким требованиям, несоблюдение которых влечет самые серьезные последствия, в том числе выход из строя дорогостоящего оборудования.

1. Подшипник должен являться максимально надежной деталью, так как его выход из строя почти всегда связан с повреждением уплотнений или непосредственно проточной части. Одной из самых серьезных проблем считается недостаточная подача масла или полное ее прекращение. Это приводит к тому, что трение нагревает его, и вкладыши начинают плавиться. Эта часть узла обычно изготовлена из баббита, который выдерживает температуру не более 350 градусов Цельсия. Но проблемы могут начаться и при меньших температурах. Так, всего при 115 градусах поверхность элемента теряет плотность и, соответственно, сопротивление к износу. Если вкладыш нагрет до 130 градусов, то и смазка перестает его качественно защищать, так как ее пленка начинает рваться. Чтобы избежать перегрева, многие механизмы оснащают датчиками температуры масла, дающими команду к остановке оборудования, когда температура повышается до 75 градусов.

2. Конструкция подшипника должна обеспечивать высокую экономичность при эксплуатации. Достичь этого можно увеличением точности изделия. Предполагается, что чем меньше вал смещается относительно оси расточки, тем меньшие значения имеют зазоры, как в уплотнениях, так и в самой проточной части. Уменьшение зазоров подразумевает рост КПД и снижение утечек масла при работе узла вращения.

3. В смазочном слое опорного элемента должно быть минимальное трение. Отвод тепла, выделяемого в процессе такой работы, обеспечивает в подшипнике масло. Таким образом, оно не только снижает коэффициент трения в узле, но и играет ключевую роль в его охлаждении при эксплуатации. При расчете расхода масла важно помнить о том, что его должно быть достаточно для эффективного теплоотвода. Расчетная температура масла на входе в упорный элемент обычно не превышает 45 градусов, а на выходе – 65 градусов Цельсия.

Учитывая все приведенные выше требования, нужно помнить о том, что безусловное соблюдение одних из них частично или полностью исключает выполнение других. Это хорошо видно во втором пункте. При снижении зазора растет экономичность детали, но при этом увеличивается и работа трения. Скользить валу в таких условиях сложнее и при этом снижается срок службы масла, которое стремительно «стареет». Учитывая то, что на надежность работы подшипника влияют различные факторы, конструкторы вынуждены идти на компромисс и жертвовать одними показателями в угоду другим, наиболее актуальным для данного случая.

Принцип работы опорного подшипника скольжения

В том случае, если механизм остановлен, вал или ось ротора опирается на нижнюю часть расточки вкладыша. При вращении с достаточно большой частотой, эффект прилипания будет увлекать масло в зазор между валом и вкладышем и давление жидкости там будет расти вместе с частотой. Вскоре частота вращения достигнет такой величины, при котором давление жидкости в зазоре полностью уравновесит радиальные нагрузки от вала и сил, которые действуют на него при работе механизма. Существует закономерность, согласно которой снижение размеров зазора положительно влияет на несущие способности масла в подшипнике. Но эта медаль имеет и обратную сторону – высокоточные узлы гораздо дороже в изготовлении и полусухое трение, характерное для такой системы в момент начала вращения вала, очень быстро выводит вкладыши из строя.

Для того, чтобы опорный подшипник качественно выполнял свою работу, при изготовлении к нему предъявляются самые высокие требования. Несоблюдение размеров, соосности и зазоров приводит к появлению в детали вибраций, повышению коэффициента трения, росту температуры в ходе работы и, соответственно, быстрому выходу из строя вкладышей или даже всего устройства. Помимо этого низкое качество подшипника сказывается на расходе масла, которое может неконтролируемо вытекать через излишне большие зазоры или плохо циркулировать в системе при их заниженном значении. Оба случая приводят к повышению потребности механизма в смазочных материалах и обслуживании. Перерасход и нехватка масла, как мы уже писали, влияют на срок службы изделия.

Подшипники :: Ленинградский Подшипник

Подшипник — это техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.

Подшипники обладают следующими параметрами

• максимальная динамическая и статическая нагрузка
• посадочные размеры
• максимальная скорость
• класс точности
• требования к смазке
• шумы подшипника
• вибрации подшипника
• ресурс подшипника

Автомобильные подшипники

• представлены подшипниками качения

Подшипники общепромышленного назначения делятся на два основных вида:

• подшипники качения
• подшипники скольжения

Подшипники качения

Подшипники качения работают преимущественно на трение качения (имеются только небольшие потери на трение скольжения между сепаратором и телами качения) поэтому по сравнению с подшипниками скольжения снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ. Закрытые подшипники качения (имеющие защитные крышки) практически не требуют обслуживания (замены смазки), открытые — чувствительны к попаданию инородных тел, что может привести к быстрому разрушению подшипника.

Подшипники качения состоят из двух либо нескольких обойм, тел качения и сепаратора (некоторые типы подшипников могут быть без сепаратора), отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение.

Имеются подшипники качения, изготовленные без сепаратора. Такие подшипники имеют большее число тел качения и большую грузоподъемность. Однако, предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже, вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Подшипники качения разделяют

• по форме тел качения
  шариковые и роликовые, причем последние могут быть цилиндрическими короткими, длинными и игольчатыми, а так же бочкообразными, коническими и витыми — пустотелыми;
• по направлению воспринимаемой нагрузки
  радиальные, предназначенные для восприятия только радиальных или преимущественно радиальных сил, радиально-упорные — для восприятия радиальных и осевых сил;
• по числу рядов тел качения
  одно, двух и четырехрядные;
• по чувствительности к перекосам
  самоустанавливающиеся (позволяют до 3° перекос) и несамоустанавливающиеся

Виды подшипников качения

Шариковые подшипники качения

• шариковые радиальные
• шариковые радиальные самоустанавливающиеся (сферические)
• шариковые радиально-упорные
• шариковые упорные
• шариковые радиальные для корпусных узлов

Роликовые подшипники качения с цилиндрическими роликами

• роликовые радиальные
• роликовые упорные

Роликовые подшипники качения с коническими роликами

• роликовые радиально-упорные (конические)
• роликовые упорные (конические)

Роликовые подшипники качения со сферическими роликами

• роликовые радиальные самоустанавливающиеся (сферические)
• роликовые упорные самоустанавливающиеся (сферические)

Роликовые подшипники качения с игольчатыми роликами

• игольчатые радиальные
• игольчатые упорные
• игольчатые комбинированные

Другие подшипники качения

• роликовые радиальные тороидальные подшипники;
• роликовые радиальные подшипники с витыми роликами;
• шариковые и роликовые опорные ролики;
• комбинированные подшипники;
• опорно-поворотные устройства.

Подшипники скольжения

В подшипнике скольжения трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент — вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство.

Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает низкое трение, разделение подвижных частей, теплоотвод, защиту от вредного воздействия окружающей среды.

Подшипники скольжения разделяют

• в зависимости от формы подшипникового отверстия: одно- или многоповерхностные, со смещением поверхностей или без, со смещением или без смещения центра
• по направлению восприятия нагрузки: радиальные, осевые (упорные, подпятники), радиально-упорные
• по конструкции: неразъемные, разъемные, встроенные
• по количеству масляных клапанов: с одним клапаном, с несколькими клапанами
• по возможности регулирования: нерегулируемые, регулируемые

Воздушные подшипники – Техническая информация о продукции – Поддержка – Евротек Дженерал

Введение

Основой воздушного подшипника является тонкая воздушная плёнка, образующая небольшой зазор между компонентами подшипника (рис.1). Плёнка образуется в результате подачи воздуха внутрь механизма под высоким давлением. Идея с использованием сжатого воздуха позволяет избежать трения твёрдых частей механизма друг о друга при стандартных условиях эксплуатации. Трение скольжения или качения в стандартных подшипниках ограничивает их применимость для некоторых задач прецизионного позиционирования. 

Рис.1 Схема воздушного подшипника (слева) и подшипника качения (справа).

Воздушная среда способна передавать усилия, потому что когда воздух проталкивается через зазор подшипника, он создаёт профиль давления через зону подшипника. Нагрузка, которую подшипник может выдержать, рассчитывается следующим образом:

Сила = усреднённое давление х площадь

Рис.2 Профиль давления в воздушном подшипнике.

Давление в подшипнике распределяется неоднородно и зависит от конструкции подшипника и других параметров. Существует эмпирическое правило, из которого следует ожидать 30% эффективности:

Сила = 0.3 х подаваемое давление х площадь

Воздушные подшипники имеют множество преимуществ в сравнении с механическими подшипниками. В связи с отсутствием контакта между компонентами воздушный подшипник не подвержен износу, а также в процессе работы не выделяется тепло из-за трения. Немаловажным достоинством является отсутствие статического и динамического трения, даже при наибольшей проектной нагрузке. Кроме того, воздушная плёнка позволяет сгладить неровности и дефекты компонентов подшипника, что повышает точность позиционирования. Воздушные подшипники имеют более высокую жёсткость в сравнении с механическими аналогами, в конструкции которых имеет место точечный или линейный контакт.

Почему используется воздух вместо смазочных жидкостей?

В то время как большинство людей знакомы с подшипниками скольжения на масляной плёнке (к примеру, использующиеся в автомобиле), воздушные подшипники малоизвестны. Принципиальное различие между жидкостями и газами состоит в вязкости – жидкости имеют более высокую вязкость в сравнении с газами. В случае с подшипниками эта разница несёт ряд последствий.

Более низкая вязкость означает, что воздушные подшипники имеют более низкую нагрузочную способность (жидкостные подшипники выдерживают в 5 раз большую нагрузку в сравнении с воздушными для одной и той же площади контакта).

В связи с низкой вязкостью газов, у воздушных подшипников практически нулевое статическое и динамическое трение, в отличие от жидкостных подшипников, где в связи с трением наблюдается выделение теплоты.

Для воздушных подшипников требуется очень малый зазор между компонентами (10 мкм) в сравнении с жидкостными подшипниками (100 мкм), что накладывает высокие требования к точности изготовления компонентов.

Таким образом, несмотря на то, что воздушные подшипники имеют небольшую нагрузочную способность, они имеют практически нулевое трение на всех скоростях. Высокая точность изготовления компонентов подшипника повышает точность при позиционировании. Ещё одним преимуществом использования воздуха является отсутствие загрязнения в сравнении с маслами и другими жидкостями. Сжатый воздух является наиболее часто используемым газом в промышленных условиях. Однако другие газы, в частности азот, может использоваться там, где они доступны (к примеру, в чистых помещениях).

Методы подачи сжатого воздуха в подшипник

Существует два метода подачи сжатого воздуха в подшипник. Первый – использовать внешний источник сжатого воздуха (рис.3 слева), второй – использовать относительное движение компонентов механизма для создания внутреннего давления (рис.3, справа). В то время как второй метод является распространённым для жидкостных подшипников вследстве высокой вязкости масел, то для воздушных аналогов он малоэффективен ввиду низкой величины создаваемого давления.

Таким образом, воздушные подшипники PI работают с использованием внешнего источника сжатого воздуха. Воздух в источнике должен быть чистым и сухим, а сам источник должен генерировать постоянное давление. Типичное рабочее давление находится в диапазоне от 138 кПа до 827 кПа в зависимости от требуемой жёсткости, нагрузочной способности и требованиям к расходу воздуха. 

Рис.3 Принципиальные схемы подачи сжатого воздуха в подшипник 

Как воздух поступает в подшипник?

Воздух необходимо подавать в зазор подшипника. Существует два способа реализовать это – через отверстия или пористые среды. В первом случае воздух проходит через небольшое отверстие диаметром от 0.004 до 0.015 дюйма (рис.4, слева). Во втором случае воздух поступает через пористый материал – углерод, бронза или сталь (рис.4, справа)

Рис.4 Принципиальные схемы поступления воздуха в зазор подшипника

Относительные преимущества каждого подхода являются спорными. Хотя с помощью отверстий невозможно получить такой однородный профиль давления, как с помощью пористых материалов, существуют способы улучшить профиль давления с использованием специального метода. Использование пористых материалов обеспечивает более качественное демпфирование в сравнении с отверстиями, однако создание надлежащей формы отверстия может улучшить этот параметр. Стоит учитывать, что отверстие может засориться в случае, если подаваемый воздух будет содержать большую частицу, в то время как пористый материал работает как фильтр. Однако, со временем пористый материал может значительно засориться (особенно если в воздухе будут содержаться пары масла), а засорённые поры труднее поддаются очистке в сравнении с забитыми отверстиями.

Подшипники с отверстиями могут быть изготовлены из одного материала, а пористые подшипники обязательно изготавливают из различных материалов и адгезивных веществ.

В PI изготавливаются подшипники как с отверстиями, так и на основе пористых материалов. Большинство стандартной продукции имеет в своей основе подшипники с отверстиями специальной формы. Для этой задачи была разработана технология сверления отверстий с малым диаметром непосредственно в самом подшипнике вместо использования методов прессования или вклеивания сопел из драгметаллов. В PI уверены, что используемая технология снижает стоимость и сложность работ наряду с повышением стабильности и надёжности в пределах длительного периода. Тем не менее, сопла из драгметаллов используются в тех случаях, когда сверление отверстий невозможно из-за геометрии или в случае, когда требуются малые размеры отверстия (порядка 0.004 дюйма).

Роль геометрической формы подшипника

Из-за малых зазоров, необходимых для функционирования воздушных подшипников, самым важным фактором в их производстве является высокая точность геометрической формы. Любое изменение размеров деталей, прямолинейности, формы приводит к закрытию зазора, что в свою очередь означает повышение трения, уменьшение точности позиционирования и нагрузочной способности подшипника. Типичные величины допуска для прямоугольных подшипников, которые работают с воздушным зазором порядка 0.0005″, составляют ±0.0001″. Такой допуск применяется по всей длине подшипника, которая для некоторых моделей может составлять более 60 “.

Кроме того, геометрия компонентов определяет точность движения подшипника. Хотя локальные отклонения формы от заданного значения компенсируются воздушным зазором, общая точность определяется качеством изготовления отдельных компонентов подшипника.

Рис.5. Воздушный зазор невелирует локальные изменения формы подшипника

В связи с этим, компания PI разработала методы и оборудование, которые позволяют выполнить данные строгие требования в отношении геометрии с высокой повторяемостью и относительно небольшой стоимостью.

Точность, минимальный шаг и повторяемость

Вначале кратко обозначим разницу между точностью, шагом и повторяемостью. Под точностью понимается то, насколько близка реальная траектория движения к идеальной (заданной программно). Минимальный шаг показывает ту минимальную величину, на которую можно переместиться. Повторяемость – это показатель качества воспроизводимости перемещения в определённую координату.

Воздушные подшипники обеспечивают высокие показатели вышеперечисленных параметров. Отличная точность достигается благодаря минимальным отклонениям от заданной геометрической формы компонентов подшипника, а также компенсации этих отклонений с помощью воздушного зазора. Типичная линейная точность составляет 10 микродюйм/дюйм с максимальным отклонением 100 микродюймов/36 дюймов. Биение при вращении соответствует ±1 микродюйму. Наклон – 0.25 арксек/дюйм.

Поскольку в воздушных подшипниках отсутствует трение, достигаемый минимальный шаг при позиционировании ограничивается характеристиками двигателя, контроллера и датчика положения. Минимальный шаг порядка ±1 отсчёта энкодера можно легко получить при использовании линейных двигателей.

Воздушные подшипники обладают намного лучшей повторяемостью в сравнении с механическими аналогами по причине отсутствия контакта компонентов подшипника и соответственно износа. Тепловыделение в механических подшипниках в некоторых случаях требует времени для стабилизации после включения механизма. Кроме того, механическая преднагрузка на роликовые подшипники может изменяться с температурой и приводить, к примеру, к различному уровню трения, что ухудшает повторяемость. Таким образом, вышеприведённые примеры показывают, что использование механических подшипников для задач, связанных с высокоточным позиционированием, может быть ограничено в связи с ухудшением точности с течением времени. В связи с тем, что компоненты подшипников PI изготавливаются из одного материала в целях равномерного теплового расширения конструкции, они могут работать в течение нескольких лет без ухудшения точности. Кроме того, воздушные подшипники могут работать на высоких скоростях без периода предварительного включения (за исключением термоэффектов, связанных с двигателем) и поддерживать высокую точность.

Преднагруженные воздушные подшипники

Воздушные подшипники могут использоваться без преднагрузки, однако, чтобы максимизировать жёсткость и поддерживать постоянный воздушный зазор, обычно используют преднагрузку, применяя один из четырёх основных методов:

· использование дополнительной массы

· вакуумная преднагрузка

· магнитная преднагрузка

· использование двойного воздушного зазора

Самый простой метод заключается в использовании дополнительной массы (рис.6). Величина массы должна быть больше, чем ожидаемое изменение нагрузки на подшипник. Это приводит к тому, что воздушный зазор становится меньше, но более жёстким и устойчивым к внешнему воздействию со стороны нагрузки. Недостатком метода является необходимость добавления массы, однако его можно с успехом применять для систем, связанных с высокой нагрузкой (например, при инспектировании деталей или изделий). Кроме того, данный метод может быть использован в случае, если подшипник расположен горизонтально. 

Рис.6 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием дополнительной массы

Второй метод связан с использованием вакуума. Вакуум применяется для образования силы преднагрузки в подшипнике. Это достигается путём выделения области между поверхностями компонентов подшипника, где образуется вакуум (рис.7). Уровень вакуума в одной области и нагнетаемое давление в другом сегменте подбираются таким образом, чтобы зазор между компонентами подшипника оставался. Использование вакуума повышает жёсткость подшипника и помогает поддерживать постоянный воздушный зазор, без добавления дополнительной движущейся массы. Недостатком этого метода является необходимость в обеспечении большой площади подшипника, а также вакуумного насоса. 

Рис.7 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием вакуума

Третий метод основывается на применении магнита для создания прижимающей силы (рис.8). Магнитный материал располагается на неподвижной части подшипника, а магнит – на подвижной. Таким образом, создаётся сила преднагрузки, что повышает жёсткость системы. Этот метод хорошо подходит для линейных подшипников и является экономичным, так как не предполагает высоких требований к геометрической форме компонентов, как в случае с использованием дополнительной массы. Однако, поскольку многие воздушные подшипники изготовлены из немагнитных материалов, требуется использовать дополнительные материалы (к примеру, железо). Другим недостатком является то, что при высоких скоростях магнит генерирует вихревые токи в железе, которые добавляют силу сопротивления.

Рис.8 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием магнита

Последним методом является использование двойного воздушного зазора (рис.9). Данный метод используется в подшипниках, расположенных друг напротив друга. Этот метод обеспечивает вдвое большую жёсткость для одного воздушного подшипника, однако грузоподъёмность снижается почти наполовину. Данный метод применяется при изготавлении наиболее точных и надёжных подшипников. Поскольку при использовании данного метода задействованы два подшипника, имеет место эффект усреднения любых ошибок на каждом подшипнике, что повышает точность позиционирования в сравнении с другими методами, однако требует качественную прецизионную обработку поверхностей компонентов подшипников. Кроме того, при использовании данного метода подшипник может быть ориентирован произвольным образом. 

Рис.9 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием двойного воздушного зазора

Типы подшипников, принцип работы и виды установки

Главным условием безукоризненной работы фрезеровальных станков и их шпинделей является качественная работа всех узлов механизма. В этой статье речь пойдет о подшипниках, важнейших элементах шпинделя.

Подшипники обеспечивают условия для правильного функционирования вала. Они принимают на себя нагрузку, передают усилие опоре. Конструкция подшипников позволяет валу свободно вращаться и исключает его радиальные и осевые смещения.

Существует много типов, видов этих механизмов. Рассмотрим самые распространенные варианты. Подшипники классифицируются по нескольким признакам. Они различаются по материалам изготовления, формам элементов качения, типам нагрузок, другим показателям.

Подшипники изготавливаются из различных материалов, могут быть:

• стальными,

• керамическими,

• металлокерамическими,

• самосмазывающимися.

Изначально подшипники изготавливались исключительно из металлических сплавов. В настоящее время все большей популярностью пользуются изделия из керамики, у которых есть масса преимуществ. Распространены и гибридные модели со стальными кольцами и керамическими телами качения.

На шпинделе могут устанавливаться самосмазывающиеся подшипники. В производстве колец используется металлокерамическая масса, полученная технологией спекания. Полученный материал обладает мелкопористой структурой. Смазочное средство проникает в пустоты, удерживается в кольцах в течение всего периода эксплуатации. Поэтому механизмы не нуждаются в регулярном обслуживании, являются самосмазывающимися.

Подшипники классифицируются по типам воспринимаемых нагрузок, бывают:

• упорными,

• упорно-радиальными,

• радиально-упорными,

• радиальными.

Упорные виды отлично справляются с осевой нагрузкой, радиальные модели предназначены для восприятия радиальных нагрузок. Упорно-радиальные и радиально-упорные подшипники являются универсальными, воспринимают оба вида нагрузок.

Шпиндели оснащаются радиально-упорными элементами. В целях обеспечения возможности восприятия высоких осевых нагрузок устанавливается пара подшипников. При таком способе размещения элементы называются дуплексными. В их установке используются различные схемы:

Оснащение шпинделей выполняется по схеме тандем или спина к спине(DT).

Важно учитывать высокую скорость вращения вала этого узла, требующую установки высокоскоростных подшипников. Кроме того эти элементы должны быть высокоточными, так как к точности движения шпинделя предъявляются высокие требования.

В нашем ассортименте в любое время вы сможете подобрать для шпинделей высокоточные подшипники, а также смазочные материалы для этих элементов. Если возникают сомнения по поводу выбора марки подшипников, можно обратиться к нашим квалифицированным консультантам, которые дадут грамотную рекомендацию.

Можно установить подшипники в шпинделе самостоятельно, если имеется соответствующий опыт, навыки. Следует учесть, что в обычных мастерских провести эту операцию правильно достаточно сложно. Поэтому желательно воспользоваться услугами специалистов, которые произведут грамотную замену подшипников.

Установка подшипников выполняется посредством запрессовки. Требуется обеспечение максимальной точности положения элементов в шпинделе. Наличие малейших ошибок, перекосов приведет к снижению точности обработки, повысит биение вала, существенно сократит срок работы шпинделя.

Вопросы по выбору, замене подшипников вы можете задать по телефону: +7 (495) 505 77 25. Можно оставить заявку на обратный звонок на сайте. Мы поможем обеспечить вам бесперебойное производство.

Подшипники в велосипеде. Часть 1: виды, материалы

Во время ремонта своего велосипеда многие сталкивались с такой, очень деликатной, темой, как подшипники. Не уверен, что всех при этом интересует, какой вид подшипника расположен в том или ином узле… Но мы решили пролить свет на эту тему и рассказать всё самое необходимое и важное. Материал получился большой и мы разделили его на две части.

Зачем нужны подшипники?

Начать стоит с того, что подшипники всегда располагаются в подвижных узлах и соединениях. Служат они для того, чтобы эти самые узлы и соединения двигались и вращались с минимальными энергозатратами и с минимальными коэффициентами трения. 

Если, например, вы поднимите свой велосипед и придадите некоторое вращение колесу, то какое-то время оно будет вращаться по инерции. Остановка колеса не будет внезапной, сначала произойдет замедление, а потом плавная остановка. Плавность вращения обусловлена наличием внутри втулки подшипника. Сейчас мы не будем углубляться в вид применяемого там подшипника, а просто зафиксируемся на том, что он в колесе есть.

Вращение руля, педалей и шатунов (каретки) обладает плавностью, опять же, благодаря наличию внутри подшипников. Элементы подвески двухподвесного МТБ велосипеда реализованы на подшипниках всё ради той же плавности движения. Возможно, вы будете удивлены, но подшипники используются в амортизированных вилках, задних амортизаторах и телескопических подседельных штырях (дропперпостах). Принцип работы там несколько другой, но суть одна – снизить энергозатраты на перемещение элементов конструкции путем снижения коэффициента трения.

Допускаю, что еще больше вы удивитесь, когда узнаете, что манетки (рычаги переключения передач), тормозные ручки, тормозные калиперы с механическим приводом, цепи и переключатели скоростей напичканы подшипниками. То есть, любой подвижный элемент конструкции велосипеда содержит в себе подшипники. Их много. Очень много. Поэтому, кстати, обслуживание велосипеда в мастерской, порой, стоит довольно дорого. Ведь почти каждый подшипник требуется снять, разобрать, почистить, дефектовать, заменить/собрать, смазать, установить на место и грамотно собрать узел. Звучит долго, а на деле еще дольше. Такие дела.

Как работает подшипник?

Итак, мы разобрались, что для вращения требуется подшипник. А что будет без подшипников, колеса перестанут вращаться? Без подшипников не будет вращения, да. Почти. Ответ кажется очень банальным. Чтобы понять причины проведите простой эксперимент. Положите на стол книгу, например, и попробуйте сдвинуть этот предмет с места упираясь в его торец. Теперь положите под книгу два сравнительно одинаковых цилиндрических предмета параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Сойдет пара канцелярских ручек или, если вы технарь, пара сверел. Толкните теперь книгу перпендикулярно ручкам и вы почувствуете, что сдвинуть с места книгу в этот раз оказалось намного легче. Думаю, что она даже могла сама покатиться, пока все настраивали. Кстати, если вы технарь и у вас есть свёрла – не понимаю, зачем вы всё это читаете.

Когда книга лежит на столе и вы ее двигаете, возникают силы трения, которые мы ощущаем, как сопротивление движению. Когда под книгой лежит две ручки, то трения больше нет, предмет движется практически свободно. То же самое происходит и с узлами велосипеда, в которых расположены подшипники.

Однако вместо сил трения в игру теперь вступают силы сопротивления качению. Они значительно меньше по своим величинам, нежели силы трения, поэтому элементы перемещаются легче. Формируются силы сопротивления качению из возможности или невозможности упругой деформации тела качения и поверхности по которой оно катится.

Чем меньше у контактных поверхностей и тела качения упругость (чем они тверже), тем меньшее возникает сопротивление качению. По этой причине мы с вами пользуемся железной дорогой. Железные колеса катятся по железным рельсам – всё очень твердое, сопротивление качению минимальное. Среднестатистический человек самостоятельно может довольно легко толкнуть стоящий на ровной поверхности вагон весом более 20 тонн.

Вот и с подшипниками та же история, твердые сплавы металлов позволяют телам качения катиться по поверхности качения с минимальными энергозатратами, так как упругая деформация практически отсутствует.

Теперь, когда мы понимаем принцип работы подшипников, мы можем плавно перейти к их разновидностям. Информации много, она не всегда мною линейно излагается, но надеюсь, что в итоге все будет ясно.

Разновидности подшипников по направлению нагрузки

Радиальные

Радиальные подшипники в своем названии содержат всю суть. Как можно нагрузить подшипник вращения? Закрепить его, например в колесе и вставит в него ось. Ось эту мы можем нагрузить своим весом. Для этого нам потребуется поставить колесо ровно и равномерно с обеих сторон надавить на ось вращения. Получится, что нагрузка будет направлена строго вниз, вдоль радиуса колеса, а значит и вдоль радиуса подшипника. Другими словами, нагрузка будет прикладываться радиально. И всё, так вот просто. Применяются подшипники именно этого типа почти во всех узлах велосипеда. Исключение, в большинстве случаев, составляет рулевой стакан и втулки колес.

Радиально-упорные

Собственно, а вот и те исключения, где радиальный подшипник применяется реже. Давайте теперь представим, что колесо с подшипником и осью мы положим на бок и давим на нашу ось вдоль оси ее вращения (простите за тавтологию). Подшипник сможет вращаться, возможно, так же легко, но нагрузка с радиальной сменилась на упорную. То есть, вдоль радиуса подшипника мы уже не прикладываем силы, мы в него упираемся вдоль оси его вращения, то есть сбоку. Поднимаем колесо теперь так, чтобы оно оказалось под углом 45 градусов относительно пола. На ось воздействуем уже привычным способом, давим на нее в направлении пола и получается, что половина нагрузки радиальная, а половина упорная. Вот и она – радиально-упорная нагрузка.

Такие нагрузки постоянно возникают в колесах (при поворотах), каретке шатунов, рулевом стакане. В общем-то она есть везде, просто величина её в некоторых ситуациях допустима. В случае же с рулевым стаканом требуется особая конструкция, которая лучше справляется с боковыми нагрузками не разрушая рабочей поверхности подшипника, поэтому идеальное решение – радиально-упорная схема. Напомню, что нагрузка в рулевом стакане на подшипник приходится вдоль его оси вращения, перпендикулярно радиусу. Колеса в этом плане менее нагружены, так как в отличие от рулевого стакана радиально-упорные силы часто заменяются только радиальными (когда ровно едешь).

Подшипники скольжения

Бушинги, Plain bearing, Bushing

Название довольно странное, и тем не менее, подшипники именно этого типа располагаются в вилках, амортизаторах, тормозах, манетках, цепях, переключателях и реже в педалях. Подшипники скольжения выполняются в виде двух трущихся поверхностей, между которыми существует минимальный слой смазки. Слой смазки не дает этим двум поверхностям друг с другом соприкасаться и трение снижается. Сопротивление движению теперь создается самой смазкой. Чем она более жидкая, тем легче будут скользить поверхности. При этом слой жидкой смазки больше подвержен разрушению в сравнении с консистентной, так как у жидкой устойчивый к разрушению слой более тонкий. По этой причине в дешевых вилках при разборке вы обнаружите некоторое количество очень вязкой смазки. То же самое вы обнаружите при разборке дешевых педалей, которые вращаются на подшипниках скольжения.

Зачастую такие узлы выполняются из специальных материалов, коэффициент трения которых довольно низкий.

Ролики заднего переключателя могут использовать подшипники скольжения

Говоря о вилках, амортизаторах и дропперпостах среднего и верхнего сегмента, мы подразумеваем наличие специальных анодировок и метализаций поверхностей ног. Внутри вилки всегда располагаются ответные поверхности трения омываемые жидким маслом. Их две, выполняются они в виде колец запрессованных на некоторой глубине в штанах – бушинги. Вилки начального уровня выполняются с не очень твердым покрытием ног и с бушингами из обычного пластика смазанного вязкой смазкой. Так все и работает. Пластик довольно быстро разбивается, а металлизированное покрытие стирается. В вилках, дропперпостах и заднем амортизаторе подшипники скольжения работают с возвратно-поступательными движениями.

Система рычагов бюджетного двухподвесного велосипеда, к сожалению, часто реализуется на подшипниках скольжения. В соединениях рычагов вы обнаружите пластиковые или латунные втулки, которые под нагрузкой довольно быстро деформируются, а под натиском грязи стираются. Как итог – снижение жесткости заднего треугольника, он начинает весь гулять. С дешевыми педалями, параллелограммами переключателей, механизмами манеток и с моделями большинства тормозов та же история. Они разбалтываются и быстро выходит из строя.

Бушинги амортизированной вилки

Подшипники скольжения имеют по определению больше сопротивления при вращении или поступательных движениях, нежели они были бы реализованы на телах качения. Собственно, по этой причине минимальное количество таких подшипников вы встретите на профессиональной технике.

С другой стороны есть колеса Mavic, которые при внушительной стоимости в своих колесах использовали подшипник скольжения в барабане. В нем всего два подшипника. Один поближе к дропауту, а второй поближе к центру колеса. Тот, что ближе к дропауту, ходит очень долго, так как сделан на телах вращения. А вот тот, что ближе к центру колеса сделан в виде капролоновой (или фторопластовой) втулки. Я понимаю, инженеры хотели снизить вес и лучше распределить нагрузку по оси, чтобы кассета держала хороший момент вращения. Но. Обратная сторона медали – втулка эта очень плохо защищена от воздействия окружающей среды, в нее попадает пыль, которая довольно быстро делает свою абразивную работу. В результате на барабане появляется люфт. А корпус втулки колеса, ребята, сделан из алюминия, который стирается, чуть медленнее того капролона в барабане. То есть, стирается капролоновая вставка на барабане и тело корпуса втулки колеса. Ремкомплект есть в продаже, но он стоит денег, а установка требует навыков. Правда, установка ремкомплекта не всегда помогает. Диаметр поверхности скольжения корпуса втулки становится меньше из-за абразивного воздействия и восстановлению не подлежит. Народ выходит из положения устанавливая туда подшипники качения, хотя и проделывается такая операция не без токарей.

Втулка Mavic

Немного за рамками темы получится, но не лишним будет сказать и следующее. Подшипники скольжения для обеспечения вращения в рамках велосипеда используются редко, так как нет больших нагрузок, шарики или ролики прекрасно справляются со своими задачами. Те же, что на велосипед таки устанавливаются, обладают отвратительным качеством (в основном в бюджетных моделях), поэтому уважение к ним испытать проблематично. В то же время автомобильные моторы, их коленчатые валы, вращаются именно на подшипниках скольжения – вкладышах. Преимущество перед шариковыми заключается в большей площади контакта, что позволяет переваривать большие нагрузки. При грамотной эксплуатации мотора ходить они могут весьма и весьма долго.

И еще раз закрепляем, подшипники скольжения позволяют, как вы уже поняли, работать, как с вращательными, так и с возвратно-поступательными движениями.

Виды подшипников по виду тел качения

Во всех подшипниках (кроме подшипников скольжения) используются вращающие элементы обеспечивающие трение.

Роликовые подшипники

Встретить роликовые подшипники в современном велосипеде довольно сложно. Но уж если они там и появляются, то только в рулевом стакане и каретках шатунов. Суть конструкции роликового подшипника в том, что между двумя кольцами из высокопрочной стали находятся ролики из такой же твердой стали. Внешнее кольцо, например, закрепляется в кареточном узле, а во внутренне вставляется ось шатунов. Редко встречаются такие подшипники потому, что их вес и стоимость, в сравнении с другими типами, довольно высокие и рассчитаны они под очень серьезные нагрузки. Говоря про высокие нагрузки я пытаюсь сказать, что даже такие дисциплины, как BMX, например, роликовые подшипники не используют. Встречаются они чаще на тяжелой технике, совсем не велосипедной.

Однако в порядке исключения мне однажды попался в руки МТБ велосипед из 1980-х годов, собран он был на топовых запчастях тех лет. Я был очень удивлен, когда в рулевой колонке вместо привычных шариковых обнаружил роликовые подшипники. Что же до кареточных узлов, то такой эксперимент я видел тоже лишь однажды. В новостях, в начале января 2021-го года. То есть, массово роликовые подшипники на велосипедах не используются по вышеперечисленным причинам.

Роликовые подшипники могут быть радиальными и радиально-упорными. Обязательным условием в конструкции радиально-упорного варианта является наличие конусовидных поверхностей качения. То есть, поверхности качения расположены под некоторым углом относительно оси вращения. Внешние силуэты корпуса могут оставаться цилиндрическими.

Есть еще роликовые подшипники для линейных перемещений, они используются в вилках Lefty, о чем мы подробно рассказывали.

Шариковые подшипники

Подшипники данного типа наиболее распространенные, на современном велосипеде располагаются практически во всех узлах, где это только возможно. Конечно, речь идет о среднем и верхнем ценовых диапазонах.

Кроме колес, рулевой колонки, педалей и кареток, шариковые подшипники часто размещаются в роликах заднего переключателя и в рычагах задней подвески двухподвесного велосипеда. В качестве исключения, на шариковых подшипниках реализуются некоторые модели тормозов V-Brake. Рычаг тормоза с колодкой вращается не на втулке пивота, а на шариковом подшипнике. Стоит ли говорить, что ручка там ходит просто идеально?

Еще одно исключение встречается в некоторых моделях МТБ манеток высокого уровня, там один из рычагов также реализован на шариковом подшипнике.

Виды шариковых подшипников по конструкции

Насыпные подшипники с сепаратором

К данному типу относятся шариковые и роликовые подшипники. Сепаратор – это элемент внутренней конструкции подшипников, в виде кольца из металла или пластика с посадочными местами для шариков или роликов. Его цель заключается в соблюдении одинакового расстояния между телами качения в любой момент времени. Сепараторные подшипники бывают насыпные и неразборные (промышленные, промы).

Неразборные выглядят так, как выглядят самые обычные промышленные подшипники. Они бывают без пыльников и с пыльниками выполненными из стали или металлического кольца покрытого резиной. В большинстве случаев на велосипеде применяются модели подшипников с обрезиненным пыльником и внутренностей его не разглядеть. Если пыльник аккуратно снять, то вы сразу увидите шарики или ролики разделенные между собой сепаратором. Разумеется, если модель не предусматривает наличие пыльника, то сепаратор буден виден без лишних телодвижений.

Насыпные сепараторные подшипники выглядят…. даже не знаю как и рассказать. Вот когда разбираете рулевую колонку, снимаете проставочные кольца, потом распорное разрезное конусное кольцо, затем пыльник, то вашему взору предстает внутренняя часть насыпного сепараторного подшипника. Там лежит металлическое кольцо с шариками в чашке рулевой колонки. Вот нижняя часть этой чашки, где кольцо и лежит, является одной из поверхностей качения. Её обрабатывают термически особым образом, чтобы придать в этом месте металлу высокую твердость. Если вытащить кольцо и протереть все от старой смазки, то вы увидите беговую дорожку тех самых шариков подшипника. Она очень тонкая и выделяется повышенным блеском.
Вторая часть подшипника, которая прижимает шарики в сепараторе к чашке, имеет форму конуса и выполняется в виде отдельного кольца или совмещенной с пыльником. Если вытащить шток вилки, положить сепаратор обратно в чашку и сверху его прижать конусным кольцом, то получится собранный насыпной сепараторный подшипник.

Сепаратор с шариками должен укладываться определенной стороной, иначе конструкция работать не станет. Насыпные сепараторные подшипники в велосипеде выполняются радиально-упорными. Когда вы смотрите внутрь чашки, то вы можете обратить внимание, что беговая дорожка шариков расположена не на ровной её части, а смещена немного выше. То есть при прижиме конусом шарики пытаются как бы раздавить чашку. Конусное кольцо, в свою очередь также позволяет увидеть, в какую сторону направлены усилия прижима. А направлены они не вдоль оси вращения, но и не перпендикулярно ей. Другими словами, прижим направлен не строго вниз и не строго в сторону, но под каким-то определенным углом.
В рулевой колонке начального уровня такие подшипники применяются чаще всего, так как обладают довольно низкой стоимостью. Велосипеды подороже комплектуются промышленными подшипниками, которые неразборные с пыльником.

Насыпные подшипники без сепаратора

Loose bearing; Насыпь

Разборка колес на самом обычном среднестатистическом велосипеде обязательно столкнет вас насыпными подшипниками без сепаратора. Схема работы у них радиально-упорная, а отсутствие сепаратора позволяет разместить больше шариков увеличивая таким образом срок службы узла. Чем больше шариков, тем больше площадь контакта, тем меньше деформаций происходит во время качения.

Суть их конструкции точно такая же, как и в сепараторных насыпных вариантах из рулевой колонки. Рассматривая пример колеса, можно также обнаружить чашку и прижимной конус. Там все тоже самое, только диаметры шариков и конуса другие.В общем-то, не вижу смысла повторяться.

И, да, в чашку рулевого стакана можно насыпать шарики без сепаратора, тогда их там уместится больше, только обслуживать будет неудобно. Но если сильно надо, то можно..

Из чего делают подшипники

Подшипники скольжения изготавливаются из разных металлов, сплавов. полимеров и баббитов. Основное условие для этих материалов – низкий коэффициент трения. Среди прочего встречается чугун, алюминий, бронза, медные сплавы, серебро, фторопласт (тефлон), капролон, графит (он же карбон). На дешевых велосипедах, повторюсь, за качество таких подшипников переживают не сильно, поэтому в качестве материала иногда используется пластик. Вилки, дропперпосты и задние амортизаторы внутри конструкции содержат по два кольца на одну ногу. Тело колец выполняется из алюминия, а поверхность скольжения из какого-то полимера. К сожалению, не нашел информации по этому поводу, бытует мнение, что наносится туда тефлон.
Ноги перечисленных узлов покрываются хромосодержащим материалом или специальными анодировками.

Анодировка – контролируемый процесс окисления поверхности детали. Покрытие нанесенное методом анодировки обладает высокой твердостью и низким коэффициентом трения. По опыту могу сказать, что при желании зашлифовать в каком-то месте анодированную ногу вилки мелкой наждачкой вас ждет серьезное разочарование.

Подшипники качения изготавливаются из углеродистых и хромистых сталей, если говорить о кольцах. Примеси позволяют с помощью термической обработки цементировать поверхности качения. Цементация металла – особая термическая обработка в специальной среде повышающая твердость поверхности, а не всей детали. Шарики выполняются из нержавеющей или углеродистой стали.

Подшипники качения также выполняются из карбидов и оксидов циркония или алюминия, встречаются модели из нитрида кремния. Основная особенность керамических подшипников заключается в их чрезвычайной твердости, что сулит невероятно малый коэффициент сопротивления качению. Кроме того, керамические подшипники требуют либо очень небольшое количество смазки, либо могут обходиться и вовсе без нее. Стоит сказать также, что из керамики выполняются и подшипники скольжения.

Типы подшипников, основные характеристики|Mir-podshipnikov.info

В современной механике подшипник является одной из наиболее распространенных деталей. Все они используются в качестве опоры, на которую опирается вал или ось, но так как узлы вращения очень разнообразны, то существуют подшипники множества различных конструкций и исполнений. Выбор опорного элемента, характеристики  которого будут оптимальными для того или иного случая, возможен лишь в том случае, если специалист, занимающийся подбором, отлично ориентируется в различных типах подшипников и их классификация не вызывает у него затруднений.

Навигация по статье

Подшипники по принципу действия

Подшипники скольжения

Типы шариковых подшипников

Типы роликовых подшипников

Подшипники игольчатые подшипники

Комбинированные подшипники

Ролики опорные

Подшипники: разделение по принципу действия

Начиная разговор о типах подшипников, сразу же стоит напомнить, что делятся эти детали на две большие группы. Одна из них использует в работе качение, а другая – скольжение. Подшипники качения – это обширная категория опорных деталей, использующих для передачи нагрузки с внутреннего кольца на внешнее шарики или ролики. Шариковые подшипники укомплектованы телами качения сферической формы, которые могут располагаться в один или несколько рядов.

Современные роликовые подшипники также могут иметь один или несколько рядов тел качения. Но они более разнообразны за счет того, что в них могут использоваться ролики разной формы и длины. Эти элементы подшипников изготавливают в форме цилиндров, усеченных конусов, бочонков и даже игл. Такой выбор необходим для того, чтобы заставить изделие как можно эффективнее воспринимать нагрузку и противостоять различным сопутствующим негативным факторам.

Вторая группа опор, не менее востребованная в производстве и транспортной сфере – это подшипники скольжения. Такие детали не имеют тел качения, а нагрузка от вала воспринимается поверхностью, покрытой масляной пленкой. В идеале в таком узле происходит жидкостное трение и нагрузка компенсируется давлением масла, возникающем при вращении вала. Опора скольжения обладает более высокими скоростными характеристиками, чем шариковый и, тем более, роликовый подшипники. При этом стоит отметить, что эти детали не могут выдерживать высокие нагрузки, и очень требовательны к условиям эксплуатации и качеству масла.

Подшипники скольжения

Подшипники скольжения – это самые первые опоры вращения, придуманные человеком. Несмотря на тысячи лет, прошедшие с момента изобретения, их принцип работы не изменился, а востребованность в разных сферах человеческой деятельности остается на высоте. Такая деталь состоит из корпуса и основного рабочего элемента – втулки. Корпус, как впрочем и втулка, могут изготавливаться разъемными, что значительно упрощает монтаж и обслуживание такой опоры. Втулку производят из стойкого к внешним воздействиям материала с минимальным коэффициентом трения.

Работают такие подшипники, в зависимости от исполнения, в сухом или жидкостном режиме. В сухих опорах трение снижается за счет материала втулки или специального вещества, помещенного внутрь подшипника, например графита. Иногда внутренний элемент изделия производят из полимеров имеющих высокие антифрикционные свойства и умеренную цену. При износе втулки или вкладышей их просто заменяют на новые и опора продолжает эксплуатироваться.

С подшипниками скольжения, в которых используется не сухое, а жидкостное трение, все гораздо сложнее. В состоянии покоя вал с втулкой соприкасается с поверхностью корпуса, но в начале вращения в зазор между двумя деталями подшипника затягивается масло, давление которого позволяет уравновешивать вес вала и силы, прилагаемые к нему при работе механизма. В процессе работы поверхности подшипника разделяет слой жидкости и трение между ними полностью отсутствует. Такая работа опоры позволяет использовать их там, где валы вращаются с очень большой частотой.

Основные типы шариковых подшипников

В промышленности, транспорте и быту чаще всего встречаются шариковые подшипники разного типа и конструкции. Так как каждое их тело качения передает приложенную силу через одну точку, то нагрузка, которую они способны выдерживать, относительно невысока. Но зато принцип точечного контакта делает их очень быстроходными и относительно неприхотливыми к обслуживанию. По воспринимаемым нагрузкам эти опоры делятся на такие категории:

• Радиальные, воспринимающие силы, действующие перпендикулярно оси вала;
• Упорные подшипники, способные работать только с нагрузками, направленными вдоль оси вала;
• Упорно-радиальные и радиально-упорные подшипники, изготавливаемые для комбинированных нагрузок. В этом случае первое слово в названии говорит о преобладании той или иной силы;
• Четырехточечные – созданные для двухсторонних осевых нагрузок или самых сложных комбинированный усилий.

Также стоит упомянуть и самоустанавливающиеся подшипники, наружное кольцо которых имеет сферическую поверхность дорожки. Такая опора не только выдерживает нагрузки от вала, но и может компенсировать небольшой изгиб или провисание вала.

Основные типы роликовых подшипников

Благодаря тому, что элементы качения в таких деталях имеют вид роликов и нагрузка от вала передается на дорожки не точечно, а линейно, роликовые подшипники имеют более высокую грузоподъемность чем шариковые. Но за это преимущество приходится расплачиваться частотой вращения, и опоры с цилиндрическими телами качения относительно тихоходны. При этом изделия этого типа отлично выдерживают вибрации, моментные нагрузки и центробежные силы, что делает их максимально выносливыми и надежными.

Самым востребованным типом подшипников в промышленности и транспорте является цилиндрический роликовый подшипник, задача которого – противостоять серьезным радиальным и незначительным осевым нагрузкам. Эти детали могут являться однорядными или иметь несколько рядов тел качения, что существенно увеличивает их грузоподъемность и продольную жесткость. Это наиболее грузоподъемные и надежные опоры, используемые в мощном горнодобывающем и металлургическом оборудовании, насосах большой производительности, специальной и строительной технике.

В роликовых конических подшипниках тела качения расположены не параллельно оси вала, а под определенным углом. Благодаря такой компоновке этот вид опорных деталей может воспринимать не только радиальный тип нагрузки, но и осевой. Чем больше угол между осями роликов основной осью изделия, тем большие упорные усилия могут прикладываться к этому изделию. Для усиления эффекта производители устанавливают в такие модели ролики конусной формы, благодаря чему опора еще эффективнее работает с комбинированными нагрузками.

Широкое распространение в тяжелом машиностроении и горнодобывающей отрасли получили упорные роликовые подшипники. В этих опорах ролики могут располагаться как под углом к оси вала, так полностью перпендикулярно ей. Это идеальное решение для вертикальных валов и осей, подвергающихся большим нагрузкам. Такие опоры можно встретить на буровых колоннах и в поворотных узлах тяжелого металлургического оборудования.

В тех узлах вращения, где вал может провисать или деформироваться, не обойтись без двухрядных самоустанавливающихся роликовых подшипников. В этом типе деталей, как и в случае с шариковыми аналогами,  дорожка на внутренней части внешнего кольца имеет сферическую поверхность. Ролики расположены под небольшим углом друг к другу и могут смещаться вместе с сепаратором и внутренним кольцом по отношению к колцу внешнему. Основное преимущество этих опор – возможность самоустанавливаться, то есть работать при перекосах. Кроме этого нельзя не упомянуть и то, что этот вид подшипников, благодаря двойному ряду тел качения и массивным кольцам, способен выдерживать очень высокие нагрузки.

Игольчатые подшипники

Несмотря на то, что игольчатые подшипники принято относить к роликовым опорам, их устройство и принцип работы настолько отличается от классического роликового подшипника, что мы решили выделить их в отдельную главу. Главной особенностью игольчатых подшипников является то, что их ролики имеют соотношение диаметра к длине не менее 1 к 4, что делает эти элементы похожими на швейные иглы. Такой подшипник может состоять из тел качения и одного или двух колец. При этом в некоторых моделях не предусмотрен сепаратор.

Благодаря малому диаметру тел качения, радиальные размеры игольчатых моделей гораздо меньше чем у обычных. Это дает возможность применять опоры там, где свободное пространство вокруг вала очень ограничено. Большая длина таких подшипников обеспечивает им высокую продольную жесткость, но исключает работу там, где имеют место перекосы валов. Из всех типов подшипников игольчатые – наиболее грузоподъемные. При этом, в отличие от других роликовых деталей, эти опоры не только не уступают по скоростным характеристикам шариковым подшипникам, но иногда и превосходят их.
Все эти позитивные особенности игольчатых подшипников являются следствием особенностей их работы. Если в обычном роликовом подшипнике тела качения при работе вала вращаются вокруг своей оси, то в игольчатых плотно установленные иглы остаются неподвижными. Если в подшипнике достаточно качественной смазки, то при вращении вала иглы играют роль вкладыша между ним и наружным кольцом или опорой. При этом трение в таком узле, при его правильной работе, является жидкостным.

Комбинированные подшипники

У игольчатых моделей огромное количество преимуществ, что делает их наиболее востребованными во многих областях производства опорными узлами. Но есть у них и важный недостаток – полная беззащитность перед осевыми нагрузками. В том случае, если в механизме присутствует вероятность появления сил, направленных вдоль оси вала, игольчатый подшипник раньше усиливали дополнительно шариковым или роликовым упорным. Еще один опорный элемент существенно усложнял монтаж и обслуживание узла, поэтому появилось универсальное решение – комбинированный подшипник для осевых и радиальных нагрузок.

Такая деталь занимала в механизме несколько больше места, чем обычный игольчатый подшипник, но при этом эффективно работала как с радиальными, так и с упорными нагрузками. Производители наладили выпуск и двухсторонних моделей, способных противостоять радиальной и разнонаправленным осевым воздействиям.

Опорные ролики

Специально для использования в конвейерах и различных роликовых приводах, многие производители производят специальные детали, которые называются опорные ролики. Отличить от обычных подшипников эти изделия сможет даже неспециалист, так как наружная часть внешнего кольца такой опоры имеет выпуклую сферическую форму. Такое решение помогает снизить напряжения на кромках детали при больших нагрузках, а также обеспечивает выравнивание при перекосе кольца относительно направляющей плоскости. Вся конструкция опорного ролика способствует его максимальной выносливости и длительной службе. Кольца такого подшипника имеют значительную толщину, что позволяет ему выдерживать значительные радиальные нагрузки и даже удары. Чтобы исключить попадание внутрь подшипника различных загрязнений и сохранить высокое качество смазки, опорные ролики закрывают уплотнениями. Это один из наиболее неприхотливых типов подшипника – в условиях эксплуатации на конвейерах с сыпучими материалами, особенности его конструкции позволяют значительно увеличить ресурс детали.

Принципы трения и конструкции подшипников

Вы когда-нибудь скользили по катку без особых усилий? Или скользили по деревянному полу в носках? Если нет, то обязательно нужно. Если да, то вы испытали волнующую невесомость, вызванную низким трением. Хотя трение является важной силой в нашем материальном мире, оно может вызывать проблемы, особенно в машинах.

Воздушные компрессоры исправляют это за счет использования подшипников для уменьшения трения во время процесса сжатия, но не все подшипники одинаковы.Сегодня мы рассмотрим преимущества и недостатки трех типов подшипников, обычно используемых в компрессорах. Прежде чем мы начнем, давайте взглянем на физику трения.

Что такое трение?

Согласно словарю Мерриама-Вебстера, трение – это «сила, которая сопротивляется относительному движению между двумя контактирующими телами». Существует два типа трения: статическое трение и кинетическое трение. Статическое трение – это сила, необходимая для начала движения между двумя неподвижными объектами.Кинетическое трение – это сила сопротивления между двумя движущимися объектами.

Статическое трение больше кинетического. Подумайте о попытке толкнуть тяжелую коробку по полу. Вы должны приложить больше силы, чтобы начать движение, чем чтобы заставить коробку двигаться.

При определении трения между двумя объектами необходимо учитывать несколько факторов. Коэффициент трения определяет, насколько хорошо объекты сцепляются друг с другом (каждый объект имеет свой коэффициент), а нормальная сила прижимает объекты друг к другу.Крутящий момент и тяга вступают в игру, когда одним из движущихся объектов является вращающаяся шина.

Высокое трение может привести к нагреву и износу предметов. Попробуйте потереть руки, и вам сразу станет теплее. Тот же принцип справедлив и для деталей компрессора. Поскольку они постоянно трутся друг о друга и выделяют тепло, они изнашиваются быстрее, чем при меньшем трении. К счастью, такие элементы, как подшипники, обеспечивают меньшее трение для воздушных компрессоров, что позволяет им работать быстрее без износа.

Типы подшипников

В компрессорах используются три основных типа подшипников, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Подшипник роликовый

Роликовые подшипники обычно являются наименее дорогим типом подшипников. Они имеют радиальные нагрузки, то есть нагрузка действует под прямым углом к ​​оси вращения подшипника. Роликовые подшипники, как правило, имеют длительный срок службы и являются одной из самых ранних известных конструкций подшипников.

Конический роликоподшипник

.

Конические роликоподшипники – это роликовые подшипники конической формы.Часто они дороже роликовых подшипников, но могут выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки. Осевая нагрузка действует параллельно оси вращения. Поскольку конические роликоподшипники могут умеренно хорошо выдерживать обе нагрузки, они изнашиваются быстрее, чем роликовые подшипники.

Шариковые подшипники

Шариковые подшипники – самый дорогой тип подшипников. Они могут выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки, и обладают высокой надежностью. Есть много типов шариковых подшипников, в том числе радиально-упорные, осевые и радиальные.

В следующий раз, когда вы будете кататься на коньках или просто катаетесь по дому в носках, подумайте о физике, лежащей в основе веселья. Хотя низкое трение доставляет удовольствие, оно также позволяет вашей машине работать более эффективно на протяжении всего срока службы.

Какие подшипники используются в вашем компрессоре? Сообщите нам свои предпочтения в комментариях ниже.

Принципы конструкции подшипников скольжения

Назначение подшипника – выдерживать нагрузку.Прогиб шейки внутри подшипника может отрицательно повлиять на несущую способность подшипника. Этот прогиб можно значительно уменьшить, увеличив диаметр цапфы и уменьшив ее длину. Это приводит к короткому замыканию подшипника и, как следствие, большему потоку масла из концов подшипника. Этот отток масла передает тепло от подшипника и помогает снизить температуру подшипника.
Коэффициент, который определяет длину подшипника и диаметр шейки, известен как отношение L / D.При передаточных числах больше единицы результатом будет длинный подшипник, а при передаточных числах меньше единицы – короткий подшипник. Если шероховатость поверхностей скольжения уменьшается, грузоподъемность подшипника увеличивается. Требование очень хорошего качества отделки опорных поверхностей является важным средством увеличения несущей способности. Применение подходящей обработки поверхности является полезным дополнением к конструкции подшипника.

Зазоры должны быть достаточно малыми, чтобы подшипник мог выдерживать максимальную нагрузку.Если зазор слишком мал, температура подшипника будет слишком высокой, а минимальная толщина пленки будет слишком низкой. Поскольку подшипник изнашивается, необходимо учитывать его влияние на характеристики подшипника, так как это приводит к снижению температуры подшипника и увеличению потока масла через подшипник с детонационным воздействием на гидродинамическую и граничную смазку.

Смазка

Успех современных подшипников скольжения обусловлен пониманием того, что смазка, функция которой заключается в разделении поверхностей, является неотъемлемой частью конструкции подшипников скольжения.Опорный подшипник может подвергаться четырем типам смазки, а именно: гидродинамической, гидростатической, граничной и сплошной. Однако здесь мы будем рассматривать только гидродинамическую и граничную смазку.

Гидродинамическая смазка не зависит от подачи смазки под давлением, но требует постоянной подачи масла. Давление масляной пленки создается за счет того, что движущаяся поверхность увлекает смазочный материал в клиновидную зону с достаточно высокой скоростью, чтобы создать давление для разделения поверхностей.Внутри подшипника выделяется тепло из-за работы, выполняемой за счет срезания масляной пленки, когда шейка вращается в подшипнике. Система подачи под давлением используется для увеличения потока масла через подшипник для улучшения охлаждения. Гидродинамическую смазку иногда называют полнопленочной, жидкой или толстопленочной смазкой.

Граничная смазка возникает, когда создание полной смазочной пленки невозможно. Это может произойти при изменении условий эксплуатации, приводящих к очень высоким температурам подшипников, или во время периодов пуска и останова.Износ подшипника, возникающий в результате тонкопленочной смазки, также можно улучшить путем добавления присадок к смазке или обработки поверхности подшипника. Когда подшипник работает вместе в гидродинамических условиях и в условиях тонкой пленки, считается, что существует смешанная пленочная смазка.

Нестабильность масляной пленки, известная как масляный вихрь или масляное скольжение, здесь не рассматривалась, в то время как смазка твердой пленкой также игнорировалась.

Материалы подшипников

Материал подшипника должен обладать прочностью на сжатие, чтобы выдерживать нагрузку давлением газа, и усталостной прочностью, чтобы выдерживать циклическую нагрузку вращающейся шейки и колебания температуры.Он должен быть достаточно мягким, чтобы допускать износ и попадание посторонних частиц, но он также должен иметь низкий модуль упругости, чтобы допускать деформацию в пределах своего предела упругости. Скорость износа материала подшипника и низкий коэффициент трения также являются важными факторами, в то время как другие соображения, касающиеся материалов подшипника, включают надежность и коррозионную стойкость.

Типичными материалами подшипников для двигателей с высокими рабочими характеристиками являются медь-свинец и свинцово-бронзовая сталь.На некоторые медно-свинцовые подшипники можно нанести тонкое покрытие из чистого свинца, за которым следует еще более тонкая пленка индия. Свинец и индий диффундируют друг в друга, обеспечивая покрытие медно-свинцового подшипника. Это покрытие продлевает срок службы подшипника, способствует процессу приработки и обеспечивает защиту поверхности.

Автор Джон Смит.

Динамические характеристики трехосного магнитного подшипника с активным управлением с асимметричной структурой

Опорные силы магнитных подшипников ниже, чем у механических подшипников.Для решения этих проблем в данной статье предлагается новый трехосный магнитный подшипник с активным управлением (3-осевой AMB) с асимметричной структурой, в которой его ротор притягивается только в одном осевом направлении из-за отрицательного давления жидкости. Предлагаемый нами 3-осевой AMB может создавать большую силу подвески в одном осевом направлении из-за асимметричной конструкции. Характеристики предлагаемого нами 3-осевого AMB вычисляются с помощью трехмерного анализа методом конечных элементов.

1 Введение

Магнитные подшипники обеспечивают высокую скорость вращения, длительный срок службы, низкий уровень шума и беспыльную работу благодаря своей бесконтактной и безмасляной конструкции [1,2,3,4,5,6].Благодаря этим преимуществам магнитные подшипники практически используются в турбомашинах и высокоскоростных вращающихся машинах. Чтобы поддерживать вращающийся вал с помощью магнитных подшипников, необходимо пятиосное управление (три оси поступательного движения и две оси вращения, кроме оси вращения вала). Как правило, жесткость магнитных подшипников ниже, чем у механических подшипников. Поэтому система имеет тенденцию к увеличению, а критическая скорость вращения также имеет тенденцию к снижению.Кроме того, плоский диск, создающий осевые силы, усложняет производственный процесс и снижает предельную скорость вращения. Недавно были предложены 3-осевые AMB для увеличения критической скорости вращения и удаления плоского диска [7,8,9,10,11]. Однако их поддерживающая сила недостаточно высока.

В этой статье мы предлагаем новый 3-осевой AMB с асимметричной структурой для герметичного двигателя, в котором его ротор притягивается только в одном осевом направлении из-за отрицательного давления жидкости.Предлагаемый нами 3-осевой AMB может создавать большую силу подвески в одном осевом направлении из-за асимметричной конструкции. Характеристики предлагаемого нами 3-осевого AMB рассчитаны с помощью трехмерного анализа конечных элементов (3-D FEA), и его эффективность проверена.

2 Конструкция и принцип действия

2.1 Базовая конструкция

На рисунке 1 показан разрез предлагаемого трехосного магнитного подшипника. Этот магнитный подшипник состоит из радиального статора, трех упорных статоров и ротора.Радиальный статор в осевом направлении зажат между упорными статорами z1 и z2, а между упорными статорами z2 и z3 вставлен немагнитный материал. Радиальный статор с 8 электромагнитными полюсами образован листами из многослойной кремнистой стали и имеет 8 радиальных катушек. 2 соседние радиальные катушки намотаны в противоположном направлении друг другу и соединены последовательно. Следовательно, радиальные катушки состоят из 4 контуров: положительной и отрицательной катушек (x1, x2) для оси X и положительной и отрицательной катушек (y1, y2) для оси Y, как показано на рисунке 2 (a).Катушки тяги z1 и z2 включены последовательно. Ротор состоит из магнитного материала, в который вставлены 2 немагнитных материала (A и B), как показано на Рисунке 1 (b). Немагнитный материал A передает магнитные потоки от ротора к радиальному статору, как показано на рисунке 2 (b). Немагнитный материал B управляет магнитными потоками, так что осевая сила, создаваемая осевым статором z2 в положительном направлении оси Z, не создается.

Рисунок 1

Новый трехосный магнитный подшипник с асимметричной структурой

2.2 Принцип работы

Принцип работы предлагаемого нами магнитного подшипника показан на рисунке 2. Радиальная сила подвески создается магнитным потоком, создаваемым радиальными катушками. Магнитный поток, создаваемый одной группой возбужденных катушек, проходит через воздушный зазор (рис. 2 (а)). Этот магнитный поток создает силу магнитного притяжения между статором и ротором. Эта сила магнитного притяжения используется как радиальная сила подвешивания.

Положительная осевая сила тяги по оси Z создается магнитным потоком, создаваемым катушками тяги z1 и z2.Когда катушка z1 и катушка z2 возбуждаются в одном направлении, магнитный поток проходит через упорный статор, ротор, радиальный статор и воздушный зазор (рис. 2 (b)). Этот магнитный поток проходит через радиальный статор, чтобы не допускать попадания немагнитных частей в ротор, обращенных к радиальному статору. Следовательно, сила магнитного притяжения создается магнитным потоком, проходящим под углом между статором и ротором. Поскольку радиальная сила магнитного притяжения отменяется по окружности, остается только осевая сила магнитного притяжения.Эта сила магнитного притяжения используется как радиальная сила подвешивания.

Аналогичным образом, отрицательная осевая сила по оси Z создается магнитным потоком из-за осевой катушки z3. Отрицательная осевая ось Z использует силу магнитного притяжения на нижнем крае ротора.

3 Анализируемые результаты

3.1 Расчетный результат с помощью 3-D FEM

Мы провели 3-D FEA для оценки опорной силы предлагаемого 3-осевого AMB, где его технические характеристики показаны в таблице 1. Условия анализа показаны в таблице 2.

Таблица 1

Параметры анализа

		Наружный диаметр	130
	Статор	Внутренний диаметр	5012 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 901 75
Размер [мм]		Внешний диаметр	49,1
	Ротор	Внутренний диаметр 29120	Внутренний диаметр	5
		Высота	67,9
	Длина воздушного зазора	Радиальный	0,55 903 9011 9011		Intel (R) Xeon (R) CPU E5-2609 v2
Количество элементов	1,064,688
Количество узлов	181 147

Сила каждого подшипника была проанализирована путем изменения усилия ротора X – и смещения по оси Z, радиальный ток по оси X и положительный ток по оси Z.Влияние смещения оси X на радиальную силу подвески по оси X показано на рисунке 3. В этом случае максимальная радиальная сила подвески составляла около 180 Н, а когда ротор движется в положительном направлении оси X, длина радиального воздушного зазора уменьшается, а радиальная сила подвески увеличивается. Кроме того, наблюдается, что скорость увеличения сил подвески уменьшается по мере увеличения плотности тока. Это происходит из-за магнитного насыщения статора и ротора (рис. 4).

Рисунок 3

Радиальная сила подвески в зависимости от плотность тока радиального катушка

Рисунок 4

Плотность магнитного потока при возбуждении радиальных катушек x1

В таблице 3. показаны расчетные силы подвески, когда каждая катушка возбуждается независимо. Плотность тока катушек составляет 12 А / мм2, ротор зафиксирован в исходном положении. Из таблицы 3 видно, что сила подвески в положительном направлении оси Z значительно выше, чем другие силы из-за асимметричной структуры.

Таблица 3

Характеристики анализа

	Сила подвески
Катушка возбуждения
	Направляющая сила	Сила [Н]
9011	радиальная
Упорная катушка (+ z)	+ z	830
Упорная катушка (-z)	-z	131

3.2 Активное управление

Исследована управляемость предлагаемого 3-х осевого AMB при позиционном управлении. Система управления с обратной связью по положению с использованием ПИД-регулятора создана для достижения стабильной управляемости в направлениях осей X и Z, как показано на рисунке 5. Силы подвески определяются из таблицы данных силы подвески по каждой оси, рассчитанной из 3-D. ВЭД. Максимально допустимые смещения по осям X и Z составляют 0,1 мм и 0,15 мм соответственно, а максимальная плотность тока в катушках составляет 12 А / мм2.

Рисунок 5

Блок-схема управления с обратной связью по положению

Для проверки управляемости предлагаемого 3-осевого AMB смещения в направлениях X и Z были смоделированы при приложении внешней силы от 0 до 600 N, как показано на рисунке 6. В этом моделировании начальные положения по осям X и Z равны 0 и 0,15 мм соответственно.

Рисунок 6

Результат моделирования управления положением оси Z

Моделируемое смещение в направлениях осей X и Z показано на рисунке 6.На рисунке 6 смещение в направлении оси X почти равно 0, и радиальные катушки не используются. Кроме того, наблюдается, что смещение в направлении оси Z сходится к 0. В этом моделировании максимальная плотность тока осевого напора была меньше 12 А / мм2. Из этих результатов можно сделать вывод, что предлагаемый 3-осевой AMB может создавать достаточную силу тяги и эффективен для герметичного двигателя.

Затем исследуется возможность управления положением в установившемся режиме, когда мгновенная внешняя сила приложена в направлении оси X.Внешняя сила 175 Н была приложена в отрицательном направлении оси абсцисс. Смещения показаны на рисунке 7. Смещение увеличивается по оси X из-за внешней силы, однако его можно контролировать в пределах допустимого смещения. Плотность тока также была в пределах допустимого значения. В это время смещение также увеличивается в направлении оси Z, однако его можно контролировать в пределах допустимого значения. Это связано с тем, что смещение оси X повлияло на силу тяги из-за магнитной структуры.

Рисунок 7

Управляемость при приложении внешней силы по оси X

Аналогично, в установившемся состоянии внешняя сила применялась только по оси Z. Смещение показано на рисунке 8. В этом случае смещение по оси Z можно контролировать в пределах допустимого смещения и плотности тока.

Рисунок 8

Контроль возмущения оси Z

Наконец, внешние силы были одновременно приложены по осям X и Z. Смещение показано на рисунке 9.Смещение каждой оси можно контролировать в пределах допустимого смещения и плотности тока.

Рисунок 9

Управляемость при приложении внешних сил по осям X и Z

Исходя из этих результатов, предлагаемый магнитный подшипник может управляться в пределах допустимого смещения и плотности тока против мгновенных внешних сил.

4 Заключение

В этой статье мы предложили новый трехосный магнитный подшипник с активным управлением с асимметричной структурой для увеличения его осевой силы.Был описан принцип работы и оценены основные характеристики силы подвески предлагаемых магнитных подшипников с использованием 3D-FEM. Размещая части из немагнитного материала в роторе и управляя потоком магнитного потока, можно было создать большую осевую силу в одном направлении.

Кроме того, мы проверили управляемость предлагаемого AMB, выполнив имитацию управления с использованием ПИД-регулирования. Было проверено, что предлагаемый подшипник может управлять смещением в пределах допустимого смещения и плотности тока при приложении мгновенных внешних сил.

В будущих работах мы будем выполнять динамический анализ в сочетании с 3-D FEM и моделированием. Кроме того, рассчитанные характеристики будут проверены путем проведения измерений на прототипе.

Ссылки

[1] Кашитани Ю., Шимомура С., Новая синхронная машина с возбуждением от скольжения без обмотки, in Proc. 2011 14-я Международная конференция по электрическим машинам и системам, 2011, 1-6. Искать в Google Scholar

[2] Okada Y., Sagawa K., Suzuki E., Kondo R., Разработка и применение гибридного магнитного подшипника параллельного типа PM, Сделки JSME, 2009, 4, 3, 530-539 Поиск в Google Scholar

[3] Асама Дж., Чиба А., Фукао Т., Дизайн и характеристики Оценка упорного магнитного подшипника без сердечника с цилиндрическим двигателем с постоянным магнитом, IEEJ Transactions on IA, 2009, 129, 11, 1085-109110.1541 / ieejias.129.1085 Поиск в Google Scholar

[4] Но, MD, Cho S., Kyung J ., Проектирование и реализация отказоустойчивых магнитных подшипниковых систем для турбомолекулярного вакуумного насоса, IEEE / ASME Transactions on Mechatronics, 2005, 10, 6, 626-63110.1109 / TMECH.2005.859830 Поиск в Google Scholar

[5] Швейцер Г., Маслен Э. Х., Магнитные подшипники – теория, конструкция и применение во вращающемся оборудовании, Springer, 2009 г. Поиск в Google Scholar

[6] Чиба А., Fukao T., Ichikawa O., Oshima M., Takemoto M., Dorrell DG, Magnetic Bearings and Bearingless Drives, Elsevier, 2005 Search in Google Scholar

[7] Hijikata K., Kobayashi S., Takemoto M., Basic Характеристики активного упорного магнитного подшипника с цилиндрическим сердечником ротора, IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44, 11, 4167-417010.1109 / TMAG.2008.2002628 Поиск в Google Scholar

[8] Хиджиката К., Такемото М., Огасавара С., Поведение нового упорного магнитного подшипника с цилиндрическим ротором при высокоскоростном вращении, IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45 , 10, 4617-462010.1109 / TMAG.2009.2022178 Искать в Google Scholar

[9] Сайто Т., Масудзава Т., Накаяма Н., Разработка нового магнитного подшипника гибридного типа и его применение в центробежных насосах с малым рабочим колесом для искусственного сердца. Общество технологий жизнеобеспечения, 2006, 18, 4, 19-24. Поиск в Google Scholar

[10] McMullen P.Т., Хьюн К.С., Хейс Р.Дж., Комбинированный радиально-осевой магнитный подшипник, Seventh International Symp. по магнитным подшипникам (23-25 ​​августа 2000 г., Цюрих, Швейцария), ETH Zurich, 2000 г. Поиск в Google Scholar

[11] Цучида К., Такемото М., Огасавара С., Новая структура 3-осевого активного управления Тип Магнитный подшипник с цилиндрическим ротором, Международная конференция по электрическим машинам и системам (10-13 октября 2010 г., Инчхон, Корея), Songdo Convensia, 2010 г. Поиск в Google Scholar

Получено: 2017-11-01

Принято : 12.11.2017

Опубликовано в Интернете: 08.03.2018

© 2018 Atsushi Nakajima et al., опубликовано De Gruyter

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 License.

Основные виды и причины износа подшипников качения

Впервые опубликовано в сентябрьском выпуске журнала Quarry Management за 2015 год как «Неудача – не вариант»

В этой статье д-р Стив Лейси, технический менеджер Schaeffler UK, описывает основные типы и причины износа подшипников качения, дает рекомендации по их устранению и исследует, как выбор наиболее подходящей смазки может предотвратить преждевременный выход из строя подшипников

Износ возникает, когда поверхности скользят друг относительно друга, а смазка недостаточна или отсутствует, чтобы разделять их.Если всегда будет сохраняться полная гидродинамическая пленка смазки, износа не произойдет. В действительности, однако, это случается очень редко, поэтому износ почти всегда неизбежен.

В отличие от других причин выхода из строя подшипников качения, таких как усталость, коррозия и перегрузка, износ проявляется во многих различных формах, которые не могут быть рассмотрены в этой статье. Вместо этого в этой статье будут обсуждаться четыре основных типа износа подшипников качения: абразивный износ, адгезионный износ, фреттинг-износ / коррозия и ложное бринеллирование.

Абразивный износ

Абразивный износ возникает, когда твердая шероховатая поверхность скользит по более мягкой, вспахивая ряд канавок и удаляя материал. Это также может происходить, когда абразивные частицы попадают между поверхностями скольжения или когда деталь перемещается через абразивную среду.

Абразивный износ подшипников качения, часто называемый «трехэлементным» износом, представляет собой удаление материала с трех основных областей подшипника качения: дорожек качения, торцевых поверхностей тел качения и ребер / сепараторов.Абразивный износ обычно имеет вид глянцевой (т. Е. Полуглянцевой) поверхности с зеркальной структурой поверхности. Этот тип износа обычно приводит к увеличению осевого люфта или внутреннего зазора, что может снизить усталостную долговечность и привести к перекосу подшипника.

Абразивный износ может также повлиять на другие части машины, в которой используются подшипники. Посторонние частицы могут попасть в смазку через сильно изношенные или неисправные уплотнения. Неправильная первоначальная очистка корпусов и деталей, неэффективная фильтрация или неправильное обслуживание фильтра также могут привести к накоплению абразивных частиц.

Основными причинами абразивного износа подшипников качения являются: недостаточное образование масляной пленки; в смазке присутствуют посторонние частицы (такие, как песок, мелкий металл в результате шлифования и т. д.); или недостаточное количество смазки. Кроме того, увеличение количества частиц износа в смазке еще больше ускоряет процесс повреждения подшипников.

Абразивный износ можно ограничить несколькими способами. Поверхности могут быть покрыты или обработаны для придания им большей твердости, чем абразивные частицы.Schaeffler, например, предлагает обширный модульный ряд концепций покрытий, которые позволяют точно подогнать поверхности компонентов и систем к конкретному применению.

Если используется циркулирующая смазка, абразивные частицы могут быть удалены фильтрованием. В качестве альтернативы доступны системы масляных датчиков, такие как система FAG Wear Debris Check – система контроля уровня масла, которая указывает на повреждение или износ подшипников, сепараторов и шестерен. В системе используется индуктивный счетчик частиц (датчик), который может различать частицы черных и цветных металлов, которые могут присутствовать в смазочном масле.Датчик предоставляет информацию о количестве частиц, присутствующих в масле, а затем классифицирует их в соответствии с их физическим размером. Такой анализ масла позволяет гораздо раньше обнаружить повреждения и износ.

Абразивный износ также можно ограничить, используя комбинацию твердой и мягкой поверхности, чтобы абразивные частицы могли погрузиться в более мягкий материал.

Адгезионный износ

Когда две поверхности скользят друг по другу, происходит износ из-за сдвига, деформации и выдергивания материала в точках сцепления; эти точки прилипания возникают на пиках шероховатости.При адгезионном износе степень износа обычно пропорциональна нагрузке и расстоянию, на котором поверхности скользили, и обратно пропорциональна твердости поверхности, на которой происходит износ.

Адгезионный износ подшипников качения часто называют «смазывающим» или «двухэлементным» износом. Это связано с переносом материала между участниками качения и вызвано действиями скольжения внутри подшипника, в первую очередь из-за углового ускорения тел качения при входе в зону нагрузки.Это приводит к перемещению материала между дорожками качения колец и телами качения. Этот контакт металла с металлом может проявляться в виде «задиров» или «задиров» на опорных поверхностях.

В случае серьезных повреждений происходит абразивный износ по мере отделения перенесенных частиц. В этом случае существует риск ошибочно принять это за «серое пятно» – форму усталости подшипников, при которой крошечные, очень плоские ямки появляются при относительно низкой нагрузке и одновременном проскальзывании. Эти ямки встречаются в большом количестве и выглядят как «пятна» на дорожке качения подшипника.

В случае адгезионного износа наилучшие результаты обычно достигаются, если детали имеют твердую поверхность. Твердые поверхности могут быть получены путем изготовления деталей из твердых материалов или соответствующей обработки поверхности. Некоторые распространенные виды обработки поверхности для предотвращения износа включают хромирование и никелирование, науглероживание и азотирование. Однако в зависимости от области применения возможны различные подходы к проектированию. Например, можно изменить тип подшипника или конструкцию сепаратора или нанести черное оксидное покрытие на некоторые компоненты подшипника.

Фреттинг-износ / коррозия

Фреттинг-износ, который часто называют «трибокоррозией», представляет собой образование фреттинг-коррозии на дорожках качения подшипников. Обычно это происходит в отверстиях, наружных диаметрах и поверхностях дорожек качения. Обычно фреттинг-коррозия вызывается недостаточной смазкой, что приводит к металлическому контакту и, как следствие, к окислению (обычно наблюдается красный или черный оксид железа) дорожек качения.

Четырьмя основными причинами фреттинг-коррозии являются: микродвижение или очень небольшие перемещения между установленными компонентами; отклонения формы / геометрической формы деталей; прогиб вала / деформация корпуса; и где нет предварительной осевой нагрузки.Большинство случаев фреттинг-коррозии можно устранить, следуя инструкциям производителя подшипника по монтажу, содержащим соответствующие рекомендации по установке.

Фреттинг-коррозия также может проявляться в виде фрикционной коррозии. Это может произойти в результате динамической нагрузки на подшипник, вызванной чрезмерным качением. Здесь возникают микроскопические перемещения между подогнанными деталями из-за упругой деформации колец подшипника.

Меры по устранению фреттинг-коррозии включают обеспечение функции плавающего подшипника на кольце с точечной нагрузкой; использование посадочных мест подшипников максимально плотно; сделать вал (корпус) более жестким для предотвращения изгиба; или покрытие посадочных мест подшипников.

Ложный бринеллинг

Ложный бринеллинг – это, как следует из названия, не настоящий бринеллинг, а фактический истирающий износ, вызванный небольшим осевым перемещением тел качения при неподвижном подшипнике. Когда подшипник не вращается, масляная пленка не может образоваться для предотвращения износа дорожек качения. Изнашиваемые углубления или канавки изнашиваются в дорожке качения из-за скольжения тел качения вперед и назад по дорожке качения. Вибрация является причиной этих скользящих движений.Поверхности вмятин часто становятся коричневыми (коррозия) и сильно затвердевают, особенно в случае шариковых подшипников. Эти отметки также можно определить по их четкой границе с окружающей поверхностью.

Бывают случаи, когда ложный бринеллинг невозможно предотвратить, например, когда транспортные средства или другие типы оборудования или машин отправляются морским фрахтом. Присутствующая вибрация может вызвать достаточное движение, чтобы вызвать этот ложный бринеллинг. Его можно значительно уменьшить или исключить, уменьшив возможность относительного перемещения и уменьшив статический вес во время транспортировки или хранения.Другие меры включают выбор большего радиального зазора для вращающихся нагрузок или использование смазочных материалов, содержащих противоизносные присадки.

Подшипники качения также проявляют ложное бринеллирование при использовании в положениях, где наблюдается очень небольшое реверсирование или угловые колебания (т. Е. Менее одного полного оборота тела качения). Ложный бринеллинг можно отличить от истинного бринеллинга, исследуя углубление или зону износа. Ложный бринеллинг фактически стирает текстуру поверхности, тогда как исходная текстура поверхности остается в углублении настоящего бринелля.

Выбор подходящей смазки для подшипников качения

Выбор правильного смазочного материала является решающим фактором в обеспечении функциональной надежности и оптимального срока службы подшипника качения. Статистика отказов показывает, что значительная часть преждевременных отказов подшипников качения прямо или косвенно связана с используемым смазочным материалом. Основные причины выхода из строя – неподходящие смазочные материалы (20%), старые смазочные материалы (20%) и недостаточная смазка (15%).

Хотя смазочные масла (например, минеральные масла и синтетические масла) иногда рекомендуются для использования с подшипниками качения в экстремальных условиях эксплуатации (например, при высоких температурах), большинство производителей подшипников рекомендуют использовать консистентные смазки.

При выборе подходящей смазки для подшипника качения необходимо учитывать ряд факторов, связанных с применением. К ним относятся тип подшипника, рабочая скорость, температура и нагрузка. Другие факторы, такие как монтажное положение, уплотнение, удары и вибрация, также могут потребоваться во внимание.

Характеристики и класс смазки

Характеристики пластичной смазки в основном зависят от следующих трех свойств:

Тип и вязкость базового масла
Вязкость базового масла отвечает за образование смазочной пленки.В качестве базового масла обычно используются минеральные масла или синтетические масла. Важно, чтобы синтетические масла дифференцировались по типу (полиальфаолефин, полигликоль, сложный эфир, фторсодержащее масло и т. Д.), Поскольку они обладают очень разными характеристиками.

Загустители
Типичные используемые загустители включают мыла с металлическими или комплексными металлическими соединениями. Все большее значение приобретают органические или полимерные загустители, такие как поликарбамид.

Присадки
Все смазки содержат присадки.Различают присадки, которые влияют на само масло (ингибиторы окисления, улучшители индекса вязкости, детергенты и т. Д.), И присадки, которые влияют на подшипник или металлическую поверхность (например, противоизносные присадки, ингибиторы коррозии, коэффициент трения). модификаторы).

Смазки классифицируются по основным компонентам: загуститель и базовое масло. Консистентные смазки производятся различной консистенции, которые относятся к классу NLGI. Они определяются «проникновением» смазки в соответствии с ISO 2137.Чем выше марка NGLI, тем тверже смазка. Для подшипников качения предпочтительны смазки с классом NGLI 1, 2 или 3.

Факторы, влияющие на выбор пластичной смазки

Тип подшипника
Следует различать точечный контакт (шариковые подшипники) и линейный контакт (игольчатые роликоподшипники и цилиндрические роликоподшипники).

В шарикоподшипниках каждое перекачивающее движение в зоне контакта качения вызывает нагрузку только на относительно небольшой объем консистентной смазки.Кроме того, кинематика качения шарикоподшипников демонстрирует лишь относительно небольшие пропорции движения скольжения. Следовательно, удельная механическая нагрузка на пластичные смазки в подшипниках с точечным контактом значительно меньше, чем в подшипниках с линейным контактом. Обычно используются пластичные смазки с вязкостью базового масла ISO VG от 68 до 100.

В подшипниках качения с линейным контактом к консистентной смазке предъявляются повышенные требования. Мало того, что большее количество смазки в контакте подвержено растяжению, но также следует ожидать скольжения и трения о ребра.Это предотвращает образование смазочной пленки и, следовательно, приводит к износу. В качестве контрмеры следует выбирать консистентные смазки с более высокой вязкостью базового масла (ISO VG от 150 до 460 или выше). Также могут потребоваться противоизносные присадки, консистенция обычно соответствует NLGI 2.

Скорость
Параметр скорости подшипника всегда должен соответствовать параметру скорости смазки. Это зависит от типа и пропорции загустителя, типа базового масла и пропорции базового масла.Параметр скорости смазки не является параметром материала, а зависит от типа подшипника и требуемого минимального времени работы.

В качестве общего руководства для подшипников качения, вращающихся на высоких скоростях или с низким требуемым пусковым моментом, следует выбирать смазку с высокоскоростным параметром. Для подшипников качения, вращающихся на малых оборотах, рекомендуется смазка с тихоходным параметром.

Температура
Диапазон температур консистентной смазки должен соответствовать диапазону возможных рабочих температур в подшипнике качения.Диапазон рабочих температур зависит от типа и пропорции загустителя, типа и пропорции базового масла, а также качества производства и производственного процесса. Стабильность смазки при высоких температурах также зависит в первую очередь от качества производства и производственного процесса.

Для обеспечения надежной смазки и приемлемого срока службы консистентной смазки обычно рекомендуется выбирать консистентные смазки в соответствии с температурой подшипников, которая обычно наблюдается в стандартном рабочем диапазоне.

Другие факторы, которые следует учитывать, включают верхнюю рабочую температуру смазки, точку каплепадения (т.е. температуру, при которой медленно нагретая смазка переходит из полутвердого в жидкое состояние, и первая капля консистентной смазки падает со стандартного ниппеля для определения точки каплепадения. ) и более низкой рабочей температуре.

Нагрузка
Для соотношения нагрузок C / P <10 или P / C> 0,1 рекомендуются консистентные смазки с более высокой вязкостью базового масла и противоизносными присадками. Эти добавки образуют на поверхности металла реакционный слой, обеспечивающий защиту от износа.Эти смазки также рекомендуются для подшипников с повышенной долей скольжения (включая медленный ход) или линейным контактом, а также при комбинированных радиальных и осевых нагрузках.

Вода и влага
Если установка выполняется во влажной среде, влага может попасть в подшипник. Вода может конденсироваться внутри подшипника при резких перепадах температуры между теплом и холодом. Это особая проблема, если в подшипнике или корпусе имеются большие полости.

Вода может вызвать серьезное повреждение смазки или подшипника и часто происходит из-за старения или гидролиза, разрыва смазочной пленки и коррозии. Мыльные консистентные смазки на основе бария и кальция хорошо зарекомендовали себя в этих условиях, поскольку они обеспечивают хорошую водостойкость и отталкивают воду. На антикоррозионный эффект смазки также влияют присадки.

Колебания, удары и вибрации
Колебательные нагрузки могут иметь значительное влияние на структуру загустителей в консистентных смазках.Если механической стабильности недостаточно, консистенция может измениться. Это приводит к размягчению, обезжириванию на изолированной основе, но также и к затвердеванию пластичной смазки с соответствующим снижением смазывающей способности. Поэтому рекомендуется выбирать консистентную смазку, механическая стабильность которой проверена соответствующим образом. Варианты здесь включают расширенное рабочее проникновение, испытание роликовым корпусом в соответствии с ASTM D 1831 и испытательный запуск на испытательном стенде FAG AN42.

Уплотнения
Если твердые частицы загрязнителя проникают в подшипник, это приведет не только к повышенному шуму, но и к износу.Соответствующее уплотнение подшипника должно предотвратить это. Смазка может способствовать этому уплотнительному эффекту, образуя устойчивую манжету на уплотнении. В этом случае более подходящими являются более твердые смазки, поскольку слишком мягкие смазки имеют тенденцию способствовать выведению смазки.

Монтажное положение и смежные компоненты
Даже если ось вращения вертикальна или наклонена, смазка должна оставаться в точке смазки. В дополнение к соответствующим уплотнениям, утечку смазки можно предотвратить, используя более вязкую смазку.Если несколько точек смазки расположены близко друг к другу, может произойти непреднамеренный контакт. Поэтому следует обращать внимание на совместимость смазочных материалов друг с другом. Однако по возможности оптимальным решением является использование только одной смазки, которая также должна быть совместима с материалом клетки и уплотнения.

Новая публикация

Новая публикация теперь доступна у производителей прецизионных подшипников Schaeffler UK. «Смазка подшипников качения» содержит множество полезной информации для инженеров, которые хотят больше узнать о принципах, методах, выборе и испытании смазочных материалов для подшипников качения.

Подробная 200-страничная публикация начинается с рассмотрения основных принципов и теорий смазки подшипников качения, а также основных соображений по конструкции, таких как коэффициент вязкости, теория усталости, толщина смазочной пленки, грузоподъемность, расчет номинального срока службы. , а также влияние трения, скорости и рабочей температуры на характеристики смазочного материала.

Глава «Методы смазки» включает смазку консистентной и масляной смазкой, а также советы и рекомендации по выбору наиболее подходящего метода.В конце этой главы приводятся примеры как индивидуальных (одиночный подшипник), так и централизованных методов смазки (несколько подшипников).

«Выбор смазки» предоставляет подробную информацию о том, как выбрать наиболее подходящую консистентную смазку (или смазочное масло) для подшипников качения. Сюда входит информация о влияющих факторах, таких как скорость, температура, нагрузка, вода и влажность, удары и вибрация, условия вакуума, монтажное положение, тип подшипника, а также правовые и экологические нормы, которые также могут потребоваться.

Другие главы включают «Подача смазки для подшипников», в том числе о смешиваемости смазочных материалов и различных типах систем подачи смазки и методах мониторинга состояния смазочных материалов.

Раздел «Загрязнения» касается твердых посторонних веществ, жидких загрязняющих веществ, газообразных загрязняющих веществ и очистки загрязненных подшипников качения.

Другие разделы включают испытания смазочных материалов; хранение и обращение с подшипниками качения; сухой ход и смазка сред; и покрытия для подшипников качения, включая защиту от износа, трения и проскальзывания.

Для получения дополнительной информации или бесплатного экземпляра «Смазка подшипников качения» (публикация TPI 176) свяжитесь с отделом маркетинга Schaeffler UK: [электронная почта защищена]

Подшипник скольжения | КСБ

Подшипник скольжения – это элемент, часто используемый в конструкции центробежных насосов, который позволяет подвижному компоненту скользить внутри неподвижного компонента. Различают радиальные подшипники скольжения для радиальных сил (поперечные силы) и осевые (или упорные) подшипники скольжения для осевых сил (продольные силы).
См. Рис.1 Подшипник скольжения Рис.1 Подшипник скольжения (схема)

Радиальный подшипник скольжения

В радиальных подшипниках скольжения подвижной частью является палец или шейка оси или вала; неподвижная часть – вкладыш подшипника.

Вкладыши подшипника и другие варианты

• a Цилиндрический вкладыш подшипника
  см. Рис. 2 a Подшипник скольжения
• b Двусторонний вкладыш подшипника с цилиндрическим отверстием
  см. Рис.2 b Подшипник скольжения
• c Двусторонний радиально смещенный вкладыш подшипника
  см. Рис. 2 c Подшипник скольжения
• d Трехсторонний вкладыш подшипника См. Рис. 2 d Подшипник скольжения
• e Трехсторонний и многосторонний торцевой вкладыш подшипника со смазочными канавками или гнездами
  см. рис. 2 e Подшипник скольжения
• f Резиновый подшипник
  см. рис. 2 f Подшипник скольжения
• г Многопозиционный подшипник с наклонными радиальными накладками
  см. рис. 2 g Подшипник скольжения

Инжир.2 Подшипник скольжения: различные типы вкладышей (см. Описание «Вкладыши подшипников и другие варианты», от a до g)

Этот широкий диапазон конструкций подшипников необходим для обеспечения динамических рабочих характеристик, характерных для роторов центробежных насосов. Вибрационные характеристики роторов с подшипниками скольжения в значительной степени зависят от массы ротора, распределения массы, жесткости вала и демпфирующих характеристик подшипников при заданной нагрузке.

Соответствующая конструкция подшипников ротора позволяет устранить или снизить до приемлемого для машины уровня оба типа боковых колебаний ротора (принудительные и самоиндуцированные).Коэффициенты динамического подшипника можно оптимизировать. Выбор подшипников является ключевым элементом этой оптимизации, поскольку каждый подшипник имеет разные рабочие характеристики.
Зазор подшипника достигается за счет соответствующего подбора размеров и взаимной регулировки как подвижных, так и неподвижных компонентов подшипника.

Он заполнен жидкой или твердой (консистентной) смазкой во избежание трения скольжения. Когда шейка подшипника достигает достаточной окружной скорости, зазор подшипника позволяет смазке образовывать несущий клин.Смазочный клин отделяет скользящие поверхности друг от друга, что означает, что подшипник работает в режиме полной смазки. Этот процесс типичен для гидродинамических подшипников скольжения.

Преимущества и недостатки гидродинамических подшипников скольжения

Преимущества:

• Простота изготовления; смазка подается в подшипник без давления или под очень низким давлением во время работы

Для системы маслоснабжения требуется очень мало или совсем не требуется энергии

Недостатки:

• Во время запуска и выбега, Полная смазка жидкой пленкой невозможна, что приводит к износу рабочих поверхностей (полусухое трение), см. рис.4 Подшипник скольжения

Другой тип подшипника – гидростатический подшипник скольжения. Здесь жидкая смазка под высоким давлением подается в отдельные гнезда подшипников.

Усилия поглощаются в результате разницы давлений:

• Высокое статическое давление в карманах на нагруженной стороне рабочей поверхности (небольшой зазор во время работы, поэтому очень небольшое снижение давления в слое смазки)
• Низкое статическое давление давление в карманах ненагруженной стороны рабочей поверхности (большой зазор во время работы, следовательно, значительный перепад давления в слое смазки)

Преимущества и недостатки гидростатических подшипников скольжения:

• Преимущество: постоянная смазка жидкой пленкой , включая пуск и износ, поэтому нет чрезмерного риска износа
• Преимущество: меньшие размеры и меньшие потери на трение по сравнению с гидродинамическими подшипниками одинаковой грузоподъемности
• Недостаток: дороже в производстве, чем гидродинамические подшипники скольжения (несколько производственных операций)
• Недостаток: дороже в эксплуатации, так как Для смазочного материала требуется повышение давления, что ведет к увеличению капиталовложений и затрат на электроэнергию.

Можно комбинировать гидродинамический и гидростатический типы.В случае подшипников скольжения, которые работают гидродинамически в установившемся режиме, повышенное трение во время пуска и выбега, а также связанный с ним износ можно уменьшить, обеспечив вспомогательную гидростатическую смазку под высоким давлением через продольные канавки, которые не расширяются. к краю вкладыша подшипника.

Подача вспомогательной смазки отключена во время нормальной работы, чтобы гарантировать поддержание гидродинамического давления в зазоре смазочного зазора.

Условия трения в подшипнике скольжения

См. Рис.3 Подшипник скольжения:

а. Сухое трение:
без разделительного слоя смазки между неподвижными и подвижными частями

b. Смешанное трение:
сочетание сухого и жидкостного трения

c. Гидравлическое трение:
с разделяющим слоем смазки (идеальная ситуация)

Рис.3 Подшипник скольжения: различные условия трения в подшипнике скольжения

Инжир.4 Подшипник скольжения: коэффициент трения как функция скорости (кривая STRIBECK). Нижний индекс ü указывает точку перехода

Все три типа трения могут возникать в гидродинамических подшипниках скольжения на трех этапах работы: пуск, работа, износ. Пуск – это этап работы от состояния покоя до полной рабочей скорости. По мере увеличения скорости скольжения гидродинамические подшипники скольжения испытывают смешанное трение, при этом количество сухого трения постепенно уступает место жидкостному трению при дальнейшем увеличении скорости.Наконец, точка перехода достигается, когда поверхности отделяются друг от друга и достигается полная смазка жидкой пленкой с минимальными потерями на трение.

При дальнейшем увеличении скорости скольжения толщина смазочной пленки также увеличивается, но потери на трение снова немного возрастают.
См. Рис.5 Подшипник скольжения Рис.5 Подшипник скольжения: положение шейки при различных скоростях n, ho толщина смазочной пленки в самом узком месте зазора

Это трение было предметом исследования Стрибека. См. Рис. 4 Подшипник скольжения

Когда машина останавливается, подшипники скольжения подвергаются тому же процессу, который описан выше для запуска, но в обратном порядке (см. Процесс запуска).

Подшипник скольжения обычно должен иметь устойчивую рабочую точку во время фазы полной смазки жидкой пленкой. Если при продолжительной работе присутствует полусухое трение, можно ожидать чрезмерного износа поверхностей подшипников. Особое внимание следует уделить правильному выбору и соответствию двух материалов, поверхности которых требуют смазки (износ, отвод тепла).

Многие насосы оснащены направляющими подшипниками вала, которые смазываются перекачиваемой жидкостью. В этих случаях особенно важен выбор материалов подшипников, поскольку каждая жидкость имеет свои характеристики как смазка. Если в качестве смазки используется чистая вода, доступны несколько материалов подшипников с подходящими трибологическими свойствами. К ним относятся металлические сплавы, эластомеры, твердая резина, электрографит со связующими смолами или без них, твердый графит со связующими смолами или без них или пропитка сурьмой.

Если перекачиваемая жидкость используется в качестве смазки и загрязнена или содержит твердые частицы, такие как песок, материалы подшипников должны быть изготовлены из твердых металлов или керамических материалов (например, карбида кремния). Использование одного и того же материала для втулок подшипников и защитных втулок вала позволяет получить подшипник
, не требующий обслуживания.

Керамические подшипники, армированные волокном, используются все чаще и чаще из-за их способности противостоять растяжению и трещинам. См. Рис.6 Подшипник скольжения

Инжир.6 Подшипник скольжения: керамический подшипник (материал: втулка, армированная керамическим волокном, «монолитная» керамическая втулка)

Трение преобразуется в тепло, которое частично передается в окружающий воздух через корпус подшипника или вал. Подшипник скольжения не должен превышать макс. рабочая температура подшипника. При необходимости необходимо предусмотреть систему охлаждения подшипника или смазки (обычно водяное охлаждение).

Конструкция гидродинамических подшипников скольжения включает решение сложной задачи, которая учитывает ряд факторов, таких как геометрия и размер подшипника, нагрузка на подшипник, вязкость смазки, скорость скольжения, характер потока в подшипнике ( см. Механика жидкости) и взаимодействие между этими факторами.

Цель конструкции подшипника скольжения – обеспечить надежную смазку жидкой пленкой во время работы. Процесс проектирования включает теоретические принципы и экспериментальные данные с учетом множества взаимосвязанных характеристических коэффициентов (т.е. относящихся к радиальным подшипникам скольжения): см. Рис. 7 Подшипник скольжения

Рис.7 Подшипник скольжения: Относительная толщина смазочной пленки как функция числа Зоммерфельда So и отношения подшипника B / d для радиального подшипника скольжения с ламинарным потоком (согласно DECKER)

Подшипники скольжения, смазка которых не проявляет чисто ламинарных характеристик потока (т.е.е. подшипники с очень высокими скоростями и одновременно очень низкой вязкостью смазочного материала), как правило, имеют более высокую несущую способность, но также и более высокие потери на трение. Здесь качественное различие между ламинарным и турбулентным потоком играет решающую роль, наряду с уже упомянутыми характеристическими коэффициентами для подшипников скольжения. Конструирование подшипников скольжения с турбулентным потоком смазочного материала намного сложнее, чем конструирование подшипников с ламинарным потоком смазочного материала.

Упорный (упорный) подшипник скольжения

Подвижной частью упорного (упорного) подшипника скольжения является упорное кольцо или пластина.

Стационарная часть и ее варианты

См. Рис.8 Подшипник скольжения:

Рис.8 Подшипник скольжения: варианты неподвижной части упорного подшипника скольжения

1. Кольцо упорного подшипника
2. Кольцо упорного подшипника с механически обработанными клиновыми поверхностями
3. Кольцо упорного подшипника со ступенчатым демпфирующим зазором
4. Эксцентрично поддерживаемые наклонные подушки или часто центрально поддерживаемые наклонные подушки (например.грамм. где насос охлаждающей воды должен вращаться в обратном направлении (режим турбины) из-за обратного потока из трубопровода)

В зависимости от конструкции осевые (упорные) подшипники скольжения подразделяются на гидродинамические, гидростатические и комбинированные гидростатико-гидродинамические подшипники скольжения для специальных Приложения. Оба основных типа конструкции должны обеспечивать достаточное осевое перемещение вала, чтобы соответствовать толщине смазочной пленки, которая изменяется в зависимости от нагрузки, вязкости смазочного материала и скорости скольжения.Те же аргументы, что и в отношении радиальных подшипников скольжения, применимы к преимуществам и недостаткам гидродинамических по сравнению с гидростатическими осевыми (упорными) подшипниками скольжения. Рис. 9 Подшипник скольжения иллюстрирует смазываемый продуктом угольный подшипник в циркуляционном насосе.

Рис.9 Подшипник скольжения: насос со спиральным корпусом для перекачивания горячей воды / термальных масел, с подшипником скольжения со стороны насоса

Гидродинамический подшипник: конструкция, работа и преимущества гидродинамических подшипников

Гидродинамические подшипники названы так из-за принципа смазки, используемого в подшипниках.Помимо конструкции, которая действует как подшипник, смазка играет очень важную роль в конструкции, выступая в качестве подшипника.

Прежде чем мы перейдем к рассмотрению того, что такое гидродинамический подшипник, расскажите нам о гидродинамической смазке.

Гидродинамическая смазка образуется в основном за счет динамического движения или действия движущихся частей. Когда достаточное количество смазки присутствует между двумя поверхностями, в которых, по меньшей мере, одна поверхность имеет тенденцию к перемещению, относительная скорость движущихся поверхностей имеет тенденцию перекачивать смазку между двумя поверхностями, разделяющими две поверхности динамической пленкой смазочного материала.

Типичные конструктивные особенности гидродинамического подшипника:

Типичный гидродинамический подшипник состоит из следующих элементов:

1. Вращающийся элемент – вал

2. Опорный подшипник – внешняя втулка

3. 9057 Смазка

   Принцип работы гидродинамического подшипника:

   1. Перед тем, как вал начнет вращаться, вал и внешняя втулка находятся в контакте из-за собственного веса, как показано ниже на рисунке.
   2. Поскольку вал имеет тенденцию вращаться, смазка между валом и втулкой имеет тенденцию сжиматься и в конечном итоге образует граничную смазку между валом и втулкой, но все же остается небольшое количество контакта металла с металлом, как показано на рисунке.
   3. Поскольку вал имеет тенденцию к быстрому вращению, жидкая смазка перекачивается валом. Поверхность смазки рядом с валом имеет скорость, которая отличается от скорости поверхности масла возле втулки.Это вызывает перекачивание смазки. Перекачиваемая смазка обеспечивает отсутствие контакта вала и втулки. Это явление перекачивания смазки для предотвращения контакта двух сопрягаемых поверхностей называется «гидродинамическая смазка », отсюда и название «гидродинамический подшипник ». См. Рисунок ниже.

   Этот принцип гарантирует, что вал остается вне контакта, когда это необходимо, то есть во время работы. Но в этом есть проблема: масло между втулкой и валом имеет тенденцию течь к вам или от вас, когда вы смотрите на него.Следовательно, необходимо обеспечить обильный и непрерывный поток смазки, чтобы подшипник работал идеально, компенсируя потери смазочного материала.

   Применение гидродинамических подшипников:

   Хотя все мы, возможно, не видели гидродинамические подшипники, они, как правило, работают в некоторых из суровых и хорошо известных нам сред.

   · Подшипники коленчатого и распределительного валов в автомобильном двигателе – очень хороший пример гидродинамического подшипника

   · Все ручные насосы смазочного масла действительно имеют гидродинамические подшипники.

   Аспекты проектирования и выбора:

   Это тип подшипника, все параметры которого должны быть выбраны проектировщиком для проектирования подшипника. Это скорее подшипник, предназначенный для применения, а не тот, который снимается с полки.

   · Важное замечание по конструкции гидродинамических подшипников: гидродинамические подшипники хорошо справляются с радиальными нагрузками, но не способны выдерживать осевые нагрузки. Следовательно, при проектировании гидродинамических подшипников необходимо принять необходимые меры предосторожности для восприятия создаваемых осевых нагрузок.

   ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОДШИПНИКА – Концепции и принципы машиностроения

   Мы обсудили 8 причин выхода из строя подшипников в наш предыдущий пост, теперь мы обсудим здесь полный фундаментальный принцип и терминология в подшипниках и их применениях. Я наблюдал, когда инженер-механик входит в в области технического обслуживания, он сначала проявляет интерес к изучению основ подшипников, поэтому, учитывая этот момент, я собираюсь начать один пост особенно для основ подшипников и их приложений.

   Посмотрим, что мы получим после тщательного чтение этого поста

   1. Основные рабочие компоненты подшипников 4. Установка подшипников. 5. Условия эксплуатации подшипника. 6. Кондиционирование и контроль подшипников. 7. Профилактическое обслуживание подшипников. 8. Устранение неисправностей подшипников. Подшипник в основном определяется как устройство, которое используется чтобы обеспечить поддержку, а также предоставить руководство для колеблющийся, вращающийся или скользящий вал, а также вращение колеса успешно.Всякий раз, когда нам требуется, чтобы вал вращался или колесо вращалось, вращать, нам обязательно понадобится подшипник, чтобы обеспечить желаемую работу. Принцип применения подшипника заключается в уменьшении трения между двумя объекты, находящиеся в относительном движении друг с другом.
   Базовый рабочие узлы подшипников В основном есть четыре компонента, они очень важно для бесперебойной работы подшипников.
   Наружный кольцо Наружное кольцо подшипника также называется наружным кольцом. и он защищает внутренние компоненты подшипников.Наружное кольцо подшипника будет фиксироваться корпусом подшипника во время установки подшипника и, следовательно, внешнее кольцо должно быть обработано точно и плавно.
   Внутренний кольцо Внутреннее кольцо подшипника также называется внутренним кольцом. и он будет закреплен на листе подшипника на валу во время установка подшипника.
   Прокатка элементы Элементы качения подшипника очень важны компонент подшипника. Он будет удерживать внутреннее и внешнее кольца подшипника в расстояние и обеспечит плавное перемещение вала в корпусе подшипника.Элементами качения могут быть шарики или ролики в зависимости от типа нагрузки и условия эксплуатации, а также по типу применения. По форме тел качения подшипники, они подразделяются на две основные категории: роликовые подшипники и шарикоподшипники. Если рассматривать шариковые подшипники, то будет проточка. выполнен по внешней поверхности внутреннего кольца и по внутренней поверхности внешнего кольцо, и эти канавки будут называться траекторией шара как тела качения, т.е. шарики в случае шарикового подшипника будут вращаться в пределах этой траектории шарика.Если рассматривать роликовые подшипники, ролики будут вращаться. по плоской поверхности, предусмотренной над обеими дорожками, и эти плоские поверхности будут называться роликовой дорожкой. Давайте посмотрим на фигуру подшипника, где мы можем легко отличить внешнее кольцо, внутреннее кольцо, сепаратор и тела качения подшипники.