3.4 Статическая грузоподъемность

В кольцах и телах качения подшипников при средних нормальных контактных напряжениях, превышающих приблизительно 2 ГПА (для радиальных шарикоподшипников это соответствует максимальным герцевским напряжениям 3 ГПА), появляются пластические деформации. У неподвижных подшипников на кольцах образуются лунки, а на телах качения – участки смятия. У вращающихся подшипников на кольцах перед телами качения появляется бегущая упругопластическая волна. При снятии нагрузки у невращающихся подшипников отпечатки остаются, у вращающихся, если нагрузка снимается плавно, отпечатков не остается, хотя результат пластической деформации проявляется в виде изменения радиусов кривизны контактирующих поверхностей. При ударной нагрузке, действующей на медленно вращающийся подшипник, на телах качения и кольцах могут возникнуть отпечатки, как у неподвижного подшипника.

В большинстве случаев если суммарная остаточная деформация дорожки и тела качения в наиболее нагруженной зоне не превышает 0,0001 диаметра тела качения D_w, то она не приводит к ухудшению работы подшипников (если к ним не предъявляется специальных требований по плавности вращения и малошумности). В некоторых случаях для медленно вращающихся подшипников может быть допущена несколько большая остаточная деформация. Например, фирма Роте Эрде для подшипников опорно-поворотных устройств подъемных кранов допускает суммарную остаточную деформацию, равную 0,0003D_w при статической нагрузке.

Статическая нагрузка, превышение которой вызывает появление недопустимых пластических (остаточных) деформаций, называется статической грузоподъемностью.

Приведенные в справочной литературе ориентировочные расчетные значения статической грузоподъемности С_о (каталожные) вызывают появление суммарной остаточной деформации, приблизительно равной 0,0001D_w. Для радиальных и радиально-упорных подшипников они получены при действии только радиальной нагрузки (т.е. при отсутствии осевой составляющей), а для упорно-радиальной и упорных – при действии только осевой нагрузки. Это базовые, или основные значения. Они соответствуют расчетным максимальным герцевским контактным напряжениям в наиболее нагруженной зоне контакта:

4600 МПа для радиальных шариковых двухрядных сферических подшипников;

4200 МПа для всех других типов радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников;

4000 МПа для всех типов радиальных и радиально-упорных роликовых подшипников.

Формулы для расчета базовых значений статической грузоподъемности приведены в ГОСТ 18854. Они приемлемы для подшипников хромистых сталей, термообработанных на высокую твердость в соответствии с ГОСТ 520.

Если на выбранный радиальный или радиально-упорный подшипник должна воздействовать только радиальная нагрузка или на упорно-радиальный или упорный- только осевая, то она не должна превосходить каталожного значения С_о, а если предъявляются особые требования к малошумности и плавности вращения, то она может быть существенно меньше. Во многих случаях на подшипник действует комбинированная нагрузка, состоящая из радиальной F_r и осевой F_а составляющих. В этом случае с каталожным значением С_о сравнивается эквивалентная нагрузка. В формуле для ее определения используются коэффициенты, учитывающие перераспределения нагрузки по телам качения. Рассчитанная эквивалентная нагрузка вызывает приблизительно такую же деформацию, как и совместно действующие на подшипник нагрузки _.F_r и F_а.

Для радиальных и радиально-упорных подшипников эквивалентная статическая радиальная нагрузка определяется по формуле:

P_0r= X₀F_r+Y₀F_a; (22)

P_0r= F_r при α=0⁰, (23)

где X_0, Y₀ – коэффициент соответственно радиальной и осевой статической нагрузки (таб. 17);

α – угол контакта.

Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников значение P_or берется большим из двух, определяемых по формулам (17) и (18)

При расчете грузоподъемности комплектов из двух (и более) одинаковых радиальных и радиально-упорных подшипников принимается во внимание следующее. Радиально-упорные и роликовые подшипники могут комплектоваться по различным схемам. Рассмотрим два одинаковых конических роликоподшипника, сидящих на одном валу, скомплектованных таким образом, что узкие торцы наружных колец направлены друг к другу (схема «Х»). При воздействии, помимо радиальной, осевой нагрузки один из подшипников окажется разгружен. Поэтому нагрузка будет восприниматься в основном только одним подшипником.

Если подшипники будут скомплектованы широкими торцами наружных колец друг к другу (схема «О»), то и в этом случае один из подшипников под воздействием осевой составляющей нагрузки окажется разгруженным.

Таблица 18

Коэффициент радиальной и осевой нагрузок

Подшипник	Подшипник
	Однорядный Xo/Yo	Двухрядный Xo/Yo
Шариковый: Радиальный радиально– упорный с углом кон- такта,º	0,6/0,50	0,6/0,50
12	0,5/0,47	1/0,94
15	0,5/0,46	1/0,92
20	0,5/0,42	1/0,84
25	0,5/0,38	1/0,76
26	0,5/0,37	1/0,74
30	0,5/0,33	1/0,66
35	0,56/0,29	1/0,58
36	0,5/0,28	1/0,56
40	0,5/0,26	1/0,52
Сферический с с углом контакта α не равным 0º	0,5/0,22ctga	0,5/0,44ctga
Роликовый радиально- упорный	0,5/0,22ctga	0,5/0,44ctga

То же самое произойдет при комплектации радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников по схемам «Х» и «О». Если одинаковые подшипники установлены по схеме «тандем», то нагрузку воспринимают оба подшипника.

Базовая статическая радиальная грузоподъемность для двух одинаковых однорядных радиальных или радиально-упорных шариковых либо роликовых подшипников, установленных рядом на одном валу и образующих общий подшипниковый узел при расположении широкими или узкими торцами друг к другу, равна удвоенной номинальной грузоподъемности одного однорядного подшипника.

При расчете статической эквивалентной радиальной нагрузки для двух одинаковых однорядных радиальных шариковых и радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников, установленных рядом на одном валу при расположении широкими или узкими торцами друг к другу и образующих общий подшипниковый узел, используют значения Xo и Yo для двухрядных подшипников, а значения F_r и F_a принимают в качестве общей нагрузки, действующей на весь комплект.

Если два таких подшипника установлены последовательно (по схеме «тандем»), то в случае их точного изготовления и равномерного распределения нагрузки базовая статическая грузоподъемность образованного ими подшипникового узла равна номинальной грузоподъемности одного однорядного подшипника, умноженной на число подшипников. В этом случае при расчете эквивалентной статической радиальной нагрузки используют величины Xo и Yo для однорядных подшипников. При расчете эквивалентной статической осевой нагрузки величины F_r и F_a принимают в качестве общей нагрузки, действующей на комплект.

Для упорных и упорно-радиальных подшипников эквивалентную статическую осевую нагрузку подсчитывают по формулам:

P_0a=F_a + 2,3 F_r tgα; (24)

P_0a=F_a ghb α=90^º. (25)

Формула (24) справедлива при всех отношениях радиальной нагрузки к осевой для двойных шариковых и роликовых подшипников. Для одинарных подшипников формула действительна, если F_r/F_a ≤ 0,44 ctgα, и дает приемлемые значения при F_r /F_a ≤ 0,67 ctgα.

Каталожные значения базовой статической грузоподъемности рассчитаны для стандартных подшипников с развалом желоба у радиально – упорных подшипников не более 0,52D_w, у наружных – не более 0,53D_w, а для колец упорных и упорно-радиальных подшипников – не более 0,54D_w. Статическая грузоподъемность подшипников с радиусом желоба, превышающим указанные, уменьшается.

После определения эквивалентной нагрузки подшипник выбирают таким образом, чтобы его базовая статическая грузоподъемность была не менее того значения. При этом необходимо учитывать такие требования к узлу, например как малошумность и плавность хода.

Фирма СКФ (Швеция) предлагает учитывать эти требования специальным коэффициентом [5]. В этом случае расчет требуемой статической грузоподъемности производится по формуле

C_0r = S₀P_0r, (26)

или

C_0a = S₀P_0a, (27)

где S₀ – статический коэффициент запаса (табл. 19).

Значения C_0r и C_0a не должны превышать каталожных значений на выбранные подшипники.

Пример 6. Требуется выбрать подшипник для следующих условий работы: вращение эпизодическое при радиальной составляющей статической нагрузки 10кН; во время остановок кратковременно действует нагрузка с составляющими F_r = 18,3 кН и F_a = 1 кН; требования к малошумности и плавности хода высокие.

Учитывая преобладание радиальной нагрузки, выбираем: шариковый радиальный подшипник; по табл. 17 принимаем X₀ = 0.6 и Y₀ = 0,5.

Подставив эти значения в (22), получим P_0r = 18,3·0,6 + 1·0.5 = 11,4 кН. В соответствии с (23) P_0r = F_r = 18,3 кН. Принимаем наибольшее значение P_0r = 18,3 кН.

Для шариковых подшипников с высокими требованиями к малошумности и плавности хода S₀ = 2 (см табл. 19). Таким образом, C_0r = S₀P_0r = 2·18,3 = 36,6 кН.

Из каталога находим подшипники 118, 214, 310, 409. Выбираем одних из них в зависимости от конструкции узла и требований к долговечности.

Таблица 19

Ориентировочные значения статического коэффициента запаса S₀ подшипников

Работа подшипника	Вращающихся, требования по малошумности			Невращающихся
	низкие	обычные	высокие
Плавная без вибраций	0,5/1	1/1,5	2/3,0	0,4/0,8
Обычная	0,5/1	1/1,5	2/3,5	0,5/1,0
С ударными нагрузками,	1,5/2,5	1,5/3,0	2/4,0	1,0/2,0
Примечания: 1. Для упорно-радиальных роликовых сферических подшипников S0 ≥4. 2. Значения S0, приведенные в таблице для ударных нагрузок, используются в случае, когда нагрузки определены точно. Если они определены приближенно, то следует значения S0 увеличить. 3. В числителе даны значения для шариковых, а в знаменателе для роликовых подшипников.

Пример 7. На подшипник при его вращении действует радиальная составляющая нагрузки F_r = 28 кН, а при эпизодических остановках F_r = 18,3 кН.

В этом случае подшипник на статическую грузоподъемность не проверяется, так как динамическая нагрузка превышает её.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Подшипники производства стран СНГ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Подшипники SKF

Подшипники производства SKF

Компания SKF 100 лет назад изобрела самоустанавливающийся подшипник и в процессе своего развития превратилась в компанию инженерных решений, использующую уникальный потенциал знаний, накопленный в пяти областях, с целью создания уникальных решений для своих клиентов. Эти пять областей охватывают не только подшипники, подшипниковые узлы и уплотнения, но и смазочные материалы и системы смазывания, критичные для обеспечения долговременной работы подшипников; мехатронные узлы, интегрирующие знания в области механики и электроники в более эффективные системы линейного перемещения и подшипники с встроенными датчиками; а также широкий спектр услуг – от проектирования и управления запасами до мониторинга состояния оборудования и создания систем надежности. Несмотря на расширение сферы деятельности, SKF продолжает сохранять мировое лидерство в области разработки, производства и маркетинга подшипников качения, а также сопутствующих изделий, например, манжетных уплотнений. Кроме того, SKF удерживает прочные позиции на расширяющемся рынке систем линейного перемещения, прецизионных подшипников для аэрокосмической отрасли, шпинделей для станков и услуг по техническому обслуживанию промышленного оборудования.

Группа SKF получила сертификат ISO 14001, международный стандарт по охране и рациональному использованию окружающей среды, а также OHSAS 18001, стандарт по здравоохранению и мерам безопасности. Отдельные службы получили сертификат качества в соответствии с ISO 9000 и QS 9000.

Имея в своем составе около 100 предприятий и торговых компаний в 70 странах мира, SKF является крупнейшей международной компанией.

Однорядные радиалные шарикоподшипники

Однорядные радиальные шарикоподшипники обладают очень ограниченной способностью компенсировать перекос. Допустимый угловой перекос между внутренним и наружным кольцами, не создающий неприемлемо высоких дополнительных напряжений в подшипнике, зависит от

• внутреннего радиального зазора подшипника в процессе эксплуатации;

• размера подшипника;

• внутренней конструкции подшипника;

• сил и моментов, действующих на подшипник.

Так как взаимосвязь между этими факторами очень сложная, то точные допустимые величины перекосов привести невозможно, однако при нормальных условиях эксплуатации они составляют обычно от 2 до 10 угловых минут. Следует отметить, что любой перекос вызывает заметное повышение уровня шума подшипника и уменьшает срок его службы.