3.3 Предельная частота вращения подшипника

Работа подшипника сопровождается потерей мощности на преодоление сопротивления вращению в самом подшипнике. Составляющие этих потерь связаны с трением качения, скольжения шариков или роликов о кольца и сепаратор, колец об уплотнения при их наличии, а также с гидродинамическим сопротивлением смазочного материала. Сопротивление вращению прямо зависит от нагрузки на подшипник. Работа, затраченная на преодоление сопротивления вращению, преобразуется в теплоту.

Фирмой СКФ (Швеция) для нагрузки, соответствующей расчетной долговечности 150 тыс. ч, были определены для различных типов и размеров подшипников со стандартной комплектацией предельно допустимые частоты вращения i_np, которые не приводят к их перегреву. Эти и близкие к ним данные приводятся в приложении 1 на отечественные подшипники.

По данным фирмы СКФ влияние возрастания нагрузок на значение i_пр становится существенным только у подшипников со средним диаметром d_m < 100 мм и при расчетных нагрузках, соответствующих расчетной долговечности L_l0h < 75000 ч. Для повышенных нагрузок значения i_пр по каталогу уменьшаются на коэффициент i (рис. 8).

Рис. 10. Зависимость коэффициента скольжения предельной частоты вращения от среднего диаметра подшипника d_m = 0,5(D + d) и нагрузки, соответствующей различной долговечности L_10h (ч): 1 - 75000; 2-30000, 5-15000, 4 - 7500, 5 - 3000

Минимально необходимые нагрузки.

В нормально работающем подшипнике момент трения скольжения М_В, возникающий при взаимодействии вращающегося кольца с комплектом тел качения, должен быть равным сумме моментов сопротивления вращению:

, (18)

где _М1 - момент трения скольжения тел качения о сепаратор;

М₂ - момент трения тел качения о другое (неподвижное) кольцо;

М₃ - момент гидродинамического сопротивления перемещению смазочного материала;

ΔM - другие возможные моменты сопротивления вращению.

Таблица 14

Коэффициент k для шариковых подшипников

Подшипник	Серия	k
Радиальный однорядный	1000800 1000900; 7000100 10;200 300 400	15 20 25 30 35
Двухрядный сферический	1200; 1300 1500 1600	30 40 50

Если М_В < M, то между вращающимся кольцом и комплектом тел качения возникнет проскальзывание. В результате тела качения будут быстро изнашиваться. Процесс изнашивания сопровождается повышением температуры. Все это может привести к быстрому выхода из строя подшипника или его заклиниванию.

Таким образом, чтобы предотвратить проскальзывание, необходимо, чтобы соблюдалось равенство М_В = М.

Моменты М_В, М₁ и М₂ зависят от нагрузки на подшипник, причем момент М_В зависит в большей степени. Если нагрузка отсутствует, то М_В = 0 и, значит, проскальзывание неизбежно. Увеличение нагрузки от нулевого значения приводит к тому, что при достижении ей некоторого значения устанавливается равенство (18) и проскальзывание прекращается.

Если вращается внутреннее кольцо, а наружное неподвижно, то повышение частоты вращения приводит к возрастанию суммы моментов сопротивления вращению. Центробежные силы, действующие на тела качения, суммируются с силами, передаваемыми через них от кольца к кольцу. В результате возрастает момент М₁ и, значит, значение минимально необходимой нагрузки должно быть увеличено.

Чтобы предотвратить проскальзывание, подшипник должен быть нагружен силой, равной или превосходящей некоторую минимально необходимую нагрузку (радиальную) или F_am (осевую). Точный расчет ее затруднен из-за многофакторности, в частности влияния изменяющейся вязкости смазочного материала на все компоненты равенства (18). Ориентировочный расчет может быть выполнен по следующим формулам.

Для однорядных радиальных, двухрядных сферических и сдвоенных однорядных радиально-упорных подшипников, установленных по схемам Х и О [5]:

, (19)

где п - частота вращения, мин^-1;

v- кинематическая вязкость масла при рабочей температуре, мм²/c,

d_m - средний диаметр подшипника;

dm=0,5(D+d)

k_r - коэффициент (табл. 14, 15).

Для единичных и сдвоенных по схеме тандем радиально-упорных шариковых подшипников [5]:

, (19)

где k_a - коэффициент (табл. 15).

Таблица 15

Коэффициенты к_а и к_r для радиально-упорных шариковых подшипников

Серия	кa	кr
36200	1,4	95
46200	1,2	80
36300	1,6	100
46300	1,4	90

Таблица 16

Коэффициент k_r для шариковых подшипников

Подшипник	Серия	kr
Радиальный однорядный	1000800 1000900, 7000100 100, 200 300 400	15 20 25 30 35
Двухрядный сферический	1200 1300, 1500 1600	30 40 50

Для однорядных радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами [5]:

, (20)

где n_пр - предельная частота вращения, приведенная в каталоге, мин^-1;

k_r-коэффициент (табл. 16).

Для радиальных игольчатых, двухрядных сферических и однорядных конических роликоподшипников:

F_rm=0,02С, (20)

где С - динамическая грузоподъемность.

Значение минимально необходимой осевой нагрузки для упорных шариковых подшипников можно приближенно определить по формуле:

(21)

Таблица 17

Коэффициент k_r для радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами

Серия	кr
32100	100
32200, 32300, 32400	150
32500	200
32600	250

Пример 5. Определить минимально необходимую радиальную нагрузку для однорядного радиального подшипника с короткими цилиндрическими роликами серии 32122. Смазочный материал жидкий, частота вращения внутреннего кольца п = 3000 мин ^-1.

По каталогу для этого подшипника d_m = 0,5 (170 + 110) = 140 мм, = 4500 мин ^-1 . В соответствии с табл. 16 k_r =100. Подставив эти данные в формулу (20), получим:

Результаты экспериментов свидетельствуют [4], что при радиальной нагрузке Р = 2000 Н, т.е. большее отношение измеренной частоты вращения сепаратора к теоретической составило 0,993, а при Р = 1000 Н = 0,6. Таким образом, При P<F_r имеет место существенное проскальзывание комплекта роликов с сепаратором относительно вращающегося кольца.

Высокоскоростные подшипники. Некоторые механизмы должны работать при существенно более высоких частотах вращения чем i_пр, например: газотурбинные двигатели, центрифуги, стоматологические бормашинки и др. Применение для этих целей подшипников нормальной точности со стандартной комплектацией часто не представляется возможным по следующим причинам. Большинство подшипников нормальной точности имеют штампованные сепараторы, которые при превышении i_пр могут разрушаться. Недостаточная точность изготовления деталей подшипников при высоких частотах вращения приводит к вибрации ввиду дисбалансных нагрузок. Смазочный материал, обычно применяемый при п < i_пр, при повышенных частотах вращения (высоких температурах) быстро окисляется и становится неэффективным. Это приводит к росту температуры и заклиниванию. Для частот вращения, превышающих i_пр, применяют подшипники повышенного и высокого классов точности или прецизионные с массивными сепараторами.

Критерием оценки быстроходности подшипников обычно служит произведение диаметра его отверстия на частоту вращения d_n (иногда d_mn, где _dm=0,5(D+d)).

Для подшипников нормальной точности максимальное значение d_n =(0,2…0,5)10⁶ мм/мин.

Для высоких частот вращения (n>n_пр) обычно применяют следующие типы подшипников: радиальные однорядные шариковые; радиально-упорные шариковые, в том числе двух-, трех- и четырехточечные; радиальные с короткими цилиндрическими роликами. Сепараторы этих подшипников изготовляют массивными из бронзы, алюминиевых сплавов, стеклонаполненных полиамидов, текстолита. Металлические сепараторы подшипников, предназначенных для высоких частот вращения (dn >2·10⁶) с целью повышения антифрикционных свойств изготовляют со специальными покрытиями. К ним относятся оловянно-свинцовые покрытия, серебрение, глубокое анодирование.

В высокоскоростных узлах наиболее распространены радиально-упорные шариковые подшипники. Их сепараторы чаще всего базируют по бортикам наружных колец (рис. 9). Если смазывание осуществляется масляным туманом, то скос может иметь наружное кольцо (рис. 9, а). С целью улучшения отвода теплоты может применяться жидкое масло. В этом случае скос делается у внутреннего кольца (рис. 9, б). В образовавшуюся щель масло впрыскивается из форсунки, а центробежными силами отбрасывается к наружному кольцу. Но при высоких частотах вращения отток масла от желоба наружного кольца затруднен. В этом случае, чтобы избежать дополнительного нагрева из-за гидравлического сопротивления, делают скос и на наружном кольце (рис. 9, в).

При высоких частотах вращения центробежные силы вызывают существенное увеличение контактных напряжений у наружных колец и тел качения и соответствующее повышение температуры. С целью снижения центробежных сил тела качения могут иметь уменьшенные размеры (рис. 9, в). Одним из направлений снижения действия центробежных сил является снижение массы тел качения за счет изготовления их полыми или применения материалов малой плотности. Перспективным материалом является, например, нитрид кремния, плотность которого в 2 раза ниже чем стали. Благодаря этому могут быть достигнуты значения dn=3,5·10⁶ мм/мин.

а) б) в)

Рис. 9. Высокоскоростной радиально-упорный подшипник

В некоторых конструкциях подшипниковых узлов используют совмещенные опоры. Вал узла несет одновременно функцию внутреннего кольца. Это позволяет уменьшить радиус от оси вала до окружности центров тел качения и соответственно снизить действующие на них центробежные силы.