СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ, ДОСТОИНСТВА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

​АННОТАЦИЯ

В статье приведена сравнительная характеристика двух видов подшипников: качения и скольжения. Рассмотрены принцип действия, основные характеристики и область применения подшипников.

ABSTRACT

The article provides a comparative description of two types of bearings: rolling and sliding. The principle of operation, the main characteristics and scope of bearings are considered.

Ключевые слова: подшипник, подшипник качения, подшипник скольжения, принцип действия, сравнительная характеристика, машиностроение.

Keywords: bearing, rolling bearing, plain bearing, principle of operation, comparative characteristics, mechanical engineering.

Современные модификации подшипников широко применяются в механике и как основные составляющие в системах машиностроения.

Подшипник – это опора или направляющая, которая принимает нагрузки и допускает относительное перемещение частей механизма в требуемом направлении. Также, подшипник называют узлом системы, обеспечивающим вращение с минимальным сопротивлением. Его цель – передать усилие от подвижного узла на другие части.

Существуют различные классификации и варианты подшипниковых соединений. В зависимости от вида трения подшипники делят на два типа: скольжения и качения. В подшипниках скольжения рабочие поверхности вала и подшипника, полностью или частично разделенные смазочным материалом, скользят одна касательно другой.

В современной механике подшипники качения определяют как детали, которые применяются там, где есть вращающиеся валы и оси [3] (рис. 1).

Рисунок 1. Узел с подшипником качения, выполненным без внутреннего кольца.

Переходным моментом в борьбе с трением стало изобретение колеса, позволившего сменить процесс скольжения на качение. Это значительно облегчило жизнь человека.

Ключевым материалом для первых подшипников было дерево, но сделанные из него механизмы не обладали необходимой прочностью. Поэтому на замену дереву пришел металл. Первый металлический подшипник качения был установлен в 1780 году в Англии, в Спровстоне. Устройство располагалось в опоре ветряка и состояло из двух чугунных дорожек качения, между которыми располагались 40 чугунных шаров.

В XIX веке решению этой проблемы посодействовал Фридрих Фишер, который сконструировал машину для шлифования металлических шариков. Он создал первый полностью автоматизированный фрезерный станок, благодаря которому шарики приняли наконец-то идеальную форму [7].

В основном все подшипники качения состоят из внутреннего и внешнего колец, посреди которых находятся шарики либо ролики. Могут состоять они и исключительно из тел качения – в этом случае тот узел, в котором поставлена деталь, будет являться элементом, удерживающим обеспечивающие движение тела. Для того чтобы исключить блокировку в ходе работы, как шариковый, так и роликовый подшипник снабжаются сепараторами, фиксирующими в проектном положении его элементы (рис. 2)

В машиностроении широко применяются также закрытые подшипники, основной признак которых – защитная крышка. Эта деталь предотвращает утечку смазки и может являться хорошей защитой от загрязнений. Если обычному, открытому изделию нужно устраивать обслуживание – периодическую смазку и очистку, то модели закрытого типа в таком вмешательстве человека не нуждаются [8].

Рисунок 2. Подшипник качения (устройство)

(1-наружное кольцо, устанавливаемое в корпусе, 2-внутреннее кольцо, насаживаемое на цапфу вала, 3-тела качения, обкатывающие при работе подшипника по беговым дорожкам наружного и внутреннего колец, 4-сепаратор, разделяющий тела качения друг от друга)

Основным аспектом классификации деталей подобного типа является их конструкция.

Важными характеристиками таких видов изделия могут выступать форма, которую имеют тела качения. Различают шариковые и роликовые модели. Роликовые отличаются по форме ролика (игольчатые, короткие, длинные, конические и даже крученые ролики). По направлению нагрузки, которое принимает устройство, есть радиальные, которые рассчитаны на работу с радиальными нагрузками, упорные, для осевых нагрузок, а также комбинированные, которые способны воспринимать оба вида нагрузок. По количеству рядов, которые применяются телами качения выпускаются одно-, двух- и четырехядные модели [5].

В механике используются несамоустанавливающиеся изделия, не предполагающие перекоса вала и самоустанавливающиеся, которые могут качественно работать при перекосах до 3°.

Для внутреннего кольца может быть использована цилиндрическая или конусная форма.

Во внутреннем подшипниковом кольце создаются траектории качения, а придаваемая им форма зависит от тел качения, используемых в данном устройстве. Для уменьшения радиальных размеров служит подшипник качения, где отсутствует одно кольцо, а траектория качения в таком устройстве создается на валу или корпусе.

В некоторых подшипниках качения может отсутствовать сепаратор (бессепараторные приспособления). Эти механизмы имеют множество тел качения, придающих большую величину грузоподъемности. Высокие моменты трения, понижают предельную скорость вращения подшипников качения без сепаратора.

Радиальные однорядные шарикоподшипники являются особенно распространенными подшипниками качения и используются практически во всех типах оборудования. Дорожки качения внешнего и внутреннего колец имеют дуги чуть большего радиуса по сравнению с шариками. Кроме радиальных нагрузок возможно приложение осевых нагрузок в двух направлениях.

Помимо открытого типа, данные подшипники могут быть закрыты с одной или обеих сторон металлическими шайбами или резиновыми уплотнения, и заполнены консистентной смазкой. Также, они иногда применяются со стопорными кольцами. Что касается сепараторов, чаще всего данные подшипники применяются со стальными сепараторами.

Подшипники качения имеют множество способов применения, их рабочие условия и условия окружающей среды также очень разнообразны.

Область применения во многом зависит от вида и характеристик подшипника. Кроме того, разные типы подшипников обладают своими преимуществами. Основные типы подшипников качения представлены в таблице 1 [2].

Таблица 1

Основные типы подшипников качения

Подшипник качения используется во множестве вращающихся машин, обладающих большой степенью производительности, и функционирующих на высоких величинах вращения. Данные устройства эксплуатируются довольно длительный период, в разнообразных условиях окружающей среды.

Подшипник скольжения – это такая опора механизма, в которой трение происходит за счет скольжения сопряженных поверхностей. Конструктивно его можно представить в виде корпуса с втулкой и смазывающим устройством [4]. Между корпусом и втулкой предусмотрен зазор, который содержит смазку или заполняется ею в процессе работы [5].

Важную роль в совершенствовании подшипников скольжения сыграла гидродинамическая теория смазки, разработанная в конце 19 века. Исследуя гидродинамический эффект, ученые пришли к выводу, что при большой частоте вращения вала в масле автоматически вырабатывается давление, которое удерживает вал словно в невесомости, препятствуя его соприкосновению с металлом подшипника. Это позволило создать подшипники скольжения с очень малым трением.

В 1945 году, благодаря использованию металлокерамики, появились первые безмасляные подшипники скольжения, состоящие из насыщенного смазкой пористого металла.

В эпоху индустриальной революции началось глобальное внедрение подшипников скольжения в станках и машинах. Технология их производства начала быстро развиваться.

Современные подшипники скольжения - высокотехнологичные изделия, в них применяются современные достижения физики, химии, гидродинамики, новейшие материалы и методы обработки.

Подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, который позволяет свободно вращаться валу.

Конструктивно подшипники скольжения выполняют в виде цельной или составной втулки; последняя состоит из двух половинок (вкладышей), разъем — горизонтальный. Внутренняя поверхность втулки покрыта слоем антифрикционного сплава — баббита (антифрикционный литейный сплав на основе олова с добавлением легирующих компонентов, который заливается или напыляется по корпусу вкладыша подшипника). В подшипниках скольжения применяют предпочтительно кольцевую систему смазки [6].

Между втулкой и шейкой вала имеется зазор, размер которого зависит от диаметра и скорости вращения вала: чем они больше, тем большим должен быть зазор.

Рисунок 3. Устройство подшипника скольжения

(1-маслоспускная пробка, 2-торцевая крышка корпуса, 3-винт, 4-крышка масляной камеры,  5-корпус подшипника, 6-втулка, 7-маслоулавливающие канавки, 8-канавка в корпусе, 9-маслосточное отверстие, 10-распределительная смазочная канавка, 11-смазочное кольцо, 12-масляная камера)

В зависимости от воспринимаемой нагрузки, выделяют такие типы подшипников скольжения [6]:

• радиальные;
• упорные (осевые).

По видам используемой смазки выделяют следующие виды подшипников скольжения:

• газостатические;
• гидростатические;
• гидродинамические;
• газодинамические;
• с твердой смазкой.

Основная классификация подшипников скольжения по конструктивному исполнению:

• сегментные;
• самоустанавливающиеся;
• самосмазывающиеся;
• разъемные и неразъемные;
• с регулируемым и нерегулируемым зазором;
• шарнирные и др.

Также можно выделить основные типы подшипников скольжения по форме рабочей поверхности:

• коническая;
• плоская;
• сферическая;
• цилиндрическая.

Известно множество типов подшипников скольжения, различающихся особенностями устройства и работы, но общий принцип одинаков и заключается он в следующем. Для сопряжения вала и корпуса, между которыми происходит относительное вращение, надо выполнить соприкасающиеся детали из материалов с низким коэффициентом взаимного трения, либо нанести на соприкасающиеся поверхности покрытие или пленку из материала с низким коэффициентом трения по отношению к материалам вала и корпуса. Обычно подшипником скольжения считается вставка между валом и корпусом, более правильно называть её втулкой скольжения.

Подшипником называют весь узел с трением через смазочный или антифрикционный слой, отдельная металлическая (пластмассовая или из другого материала) часть которого называется вкладыш скольжения.

Применение подшипников скольжения играет очень важную роль как в конструировании, так и в эксплуатации технических устройств, энергетике, нефте- и газодобывающих отраслях.

Применение подшипников скольжения оправдано в случаях [1]:

а) действия на узел большой статической или совмещенной нагрузок;

б) вращение/трение в жидкой среде, где не работают подшипники качения;

в) конструктивной особенности для монтажа;

г) экстремальные условия с высокими частотами вращения до 100 тыс. оборотов в минуту при перепадах температуры, давления и высокой коррозионной активности.

Данные подшипники находят свое применение в разных областях промышленности, они используются как основной составной компонент оборудования на производствах, грузового и сельскохозяйственного транспорта.

Использование подшипников скольжения можно объяснить тем, что они имеют большую способность выдерживать ударные или статические нагрузки и подходят многим деталям, которые сопротивляются таким воздействиям.

Выбор подходящего подшипника зависит от различных критериев.

Если сравнивать подшипники качения и скольжения, то основным преимуществом первых будет более низкий коэффициент трения.

Подшипниками качения именуются опоры для качающихся либо вращающихся деталей, в конструкциях которых применяются тела качения различной геометрии. Принцип работы основан на реализации трения качения.

В подшипниках скольжения, это трение скольжения. Две поверхности, разделённые, как правило, третьей средой, перемещаются друг относительно друга.

При сравнении достоинств этих видов подшипников, можно выделить некоторые наиболее важные.

Достоинствами подшипников качения можно назвать: простоту обслуживания и малые расход смазочного материала, полная взаимозаменяемость, меньшие моменты трения при пуске, меньшие осевые габаритные размеры, меньшая стоимость и меньший расход металлов.

Выделяя достоинства подшипников скольжения, можно выбрать такие как: малые радиальные размеры, сохранение работоспособности при высоких скоростях вращения и угловых скоростях валов, устойчивость к радиальным нагрузкам и вибрациям, разъемная конструкция, а также, возможность использования в агрессивной среде и в загрязненных условиях.

Чтобы качественно подойти к выбору подходящего подшипника, нужно рассмотреть его и с другой стороны, сравнить имеющиеся недостатки.

Основными недостатками для подшипников качения могут являться: большие радиальные габаритные размеры, ограниченную быстроходность, высокую стоимость подшипников, переменную радиальную жесткость по углу поворота из-за циклического перекатывания тел качения через нагруженную зону.

В подшипниках качения, в следствие переменных напряжений сдвига, в зоне действия контактной нагрузки может возникать усталостное напряжение дорожек и тел качения, что зачастую является причиной трещин, которые со временем распространяются к поверхности.

Основным недостатком комплектующих подшипников скольжения является быстрый износ по причине трения сопряженных поверхностей. Также из отрицательных сторон можно выделить частый расход смазочного материала и необходимость регулярного обслуживания, которое предполагает очистку вкладышей.

Простейший способ создать опору для вала в узле вращения - обеспечить взаимное скольжение прилегающих частей. На этой идее, возраст которой составляет несколько десятков тысяч лет, основана конструкция подшипников.

Выбор подшипников зависит от трех основных факторов: нагрузки, скорости и срока службы.

Как только эти параметры определены и вычислены, необходимо соотнести возможности различных типов подшипников с требованиями конкретного применения. Чтобы правильно выбрать подшипник, учитывайте не только условия эксплуатации, но и требования по техническому обслуживанию, а также совокупную стоимость.

Подшипники скольжения используются в основном там, где требования к грузоподъемности и максимальной скорости невелики и точность не слишком важна. Среди преимуществ можно назвать малые первоначальные и сборочные затраты.

Подшипники качения могут выдерживать более высокие нагрузки и скорости. Они имеют наименьшее трение и энергозатраты на вращение. Характер нагрузки обычно определяет тип подшипника качения для конкретного применения.

По сравнению с подшипниками качения подшипники скольжения проще по конструкции и установке, требуют меньшего обслуживания, сравнительно дешевле. Но при этом, имеют свои недостатки – больший момент трения, особенно при начале работы, и меньшие скоростные возможности.

Тем не менее, в высокоскоростных механизмах используются, по сути, именно подшипники скольжения. Возможность, при определенных условиях, использовать в качестве смазки жидкости, газы и даже электромагнитное поле вывели подшипники скольжения на совершенно новый уровень.

Выбирая подшипниковый узел, нужно учитывать особенности его опорных элементов и окружающих конструкций, равно как прочностные требования.

Также нужно принимать во внимание факторы, влияющие на установку, такие как зазоры и дополнительные детали, требующиеся для монтажа. В большинстве случаев корпус передает нагрузку на монтажную конструкцию через опорную и контактную поверхность, а крепежные болты обеспечивают только крепление и фиксацию. Если с корпуса на крепежные элементы передается нагрузка, то нужно внимательно рассчитать их размер, конфигурацию крепежных отверстий, процедуру установки, прочность корпуса и другие параметры, влияющие на грузоподъемность конструкции в целом.

Список литературы:

1. Alberis - подшипники, корпуса. URL: http://www.podshipnick.ru/vybor_podshipnikov.shtml
2. Большая советская энциклопедия. Подшипник качения. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/121712/%D0%9F%D0%BE%D0%B4%D1%88%D0%B8%D0%BF%D0%BD%D0%B8%D0%BA
3. ГОСТ 3478-79 Подшипники качения. Основные размеры (с Изменениями N 1, 2) / ГОСТ от 25 декабря 1979 г. № 3478-79.
4. ГОСТ ИСО 4379-2006 Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов от 25 декабря 2008
5. Дроздов Ю.Н. Прогнозирование трибологической надежности подшипников скольжения на стадии проектирования// Вестник машиностроения - 1997 - №6
6. Классификация подшипников скольжения. URL: https://www.mkt-rti.ru/stati/klassifikatsiya_podshipnikov_skolzheniya/
7. Подольский М.Е. Подшипники качения. Основы теории, расчета и конструирования. - СПб. : СПбГМТУ, 1996. - 36 с.
8. Спришевский А.И. Подшипники качения - 1969.