5.6. Последовательность расчета подшипников следующая.

1. Производят предварительный выбор материала подшип­ника исходя из коррозионных, абразивных и других свойств ок­ружающей среды, ее температуры, характера динамической на­грузки.

2. Рассчитывают длину подшипника l и корректируют ее в зависимости от отношения l/d для выбранного материала и выбирают толщину стенки s по справочным рекомендациям.

3. Подсчитывают несущую способность подшипника р сравнивают с предельно допускаемым, давлением [р]

4. Вычисляют скорость скольжения на поверхности шейки вала v сравнивает с предельно до­пустимой скоростью скольжения для выбранного материала

5. Определяют значение pv и сравнивают с предельно допу­скаемым \pv\ по соотношению.

6. Уточняют размеры подшипника l и d , не выходя за пределы рекомендованных отношений l/d.

7. Подсчитывают температуру подшипника сравнивают с предельно допускаемой температу­рой [t] для выбранного материала.

8. Уточняют материал подшипника.

9. Выбирают величину оптимального зазора в соединении.

После проведения указанного расчета используют рекомен­дации по конструктивному оформлению подшипникового узла, нормативные документы и имеющиеся отраслевые стандарты, например на подшипники из силицированиого графита — ОСТ 26-06-760—73, вкладыши металлокерамические — ТУ 16-509.015—75 и др.

В случае невозможности разработки подшипников сухого трения из известных материалов для экстремальных условий вновь создаваемого оборудования, выбор новых, не изученных ранее антифрикционных материалов и пар трения производят путем проведения специальных исследовательских работ с уче­том конкретных условий эксплуатации подшипникового узла. Другим решением является использование подшипников жид­костного трения с усложнением конструкции (вынос подшипни­ковых узлов из зоны высоких температур, применение уплотнительных устройств для отделения коррозионной среды и т. п.).

Методика расчета подшипников жидкостного трения изло­жена в трудах М. И. Яновского, А. К. Дьячкова, М. В. Коровчинского, Д. С. Коднир, М. Г. Ханович и др., а также в работе С. А. Чернавского.

Особое место занимают опоры трения приборов. От их пра­вильного выбора с минимальными моментами трения в значи­тельной мере зависит точность приборов и усилия, действующие на их подвижные детали. Наиболее широкое распространение получили опоры с одноразовым смазыванием маслом при сборке или ремонте. В опорах скольжения приборов применяют и твер­дые смазки, а также самосмазывающиеся композиционные ма­териалы Описание типовых конструкций опор скольжения и качения приборов, методики их расчета и рационального вы­бора материалов пар трения изложены в специальной литера­туре.

6. Работа подшипника качения в условиях сухого трения

К подшипникам качения, предназначенным для работы в специальных условиях, современная техника предъявляет особые требования. В условиях вакуума, повышенной температуры, коррозионных сред смазывание подшипников минеральными смазывающими веществами невозможно, а материалы подшипников должны дополнительно обладать коррозионной стойкостью в различных жидкостях, парах и газах, необладающих смазывающими свойствами, но являющихся рабочими средами и проникающими к подшипникам.

Известно, что для уменьшения трения и лучшего отвода тепла от трущихся поверхностей обычные подшипники качения смазывают жидкими или пластинчатыми нефтяными смазывающими веществами, так материалы шариков, колец и сепара­торов не обладают достаточной антифрикционностью в режиме сухого трения. Это подтверждается многочисленными фактами из практики эксплуатации, а также дан­ными специальных исследовании.

В МИЭМ (Московский институт элек­тронного машиностроения) была изучена работа на долговечность стандартных ша­рикоподшипников 36205 с массивными се­параторами из различных материалов в ус­ловиях работы без смазки в атмосфере при частоте вращения 8500 об/мин, радиальной нагрузке 10 кгс, осевой нагрузке 1 кгс. Подшипники без сепа­ратора при данном режиме работали 2 ч. В связи с резким увеличением темпера­туры испытания были прекращены. Под­шипники с сепараторами из бронзы БрАЖМцЮ-3-1,5 работали со смазкой удо­влетворительно, а без смазки 10 мин. При нагреве до 31 °С подшипник заклинивался (начальная температура 17°С). Такие же неудовлетворительные результаты получили для подшипников с сепараторами из латуни ЛС59-1. Долговечность их составила от 23 мин до 1 ч 35 мин. После испытания шарики и дорожки ка­чения были покрыты тонким слоем латуни, что искажало раз­меры желобов, быстро уменьшало рабочий зазор и подшипники заклинивали. Отрицательные результаты подшипники с сепараторами из стали Ст3, у которых через 20 мин работы появлялся сильный шум (свист), затем следовало их заедание. Подшипники с сепаратором из текстолита работали 2,5 ч. Подшипники с сепаратором из бронзы БрОЦС5-5-5 проработали 45ч. При разборке обнаружено большое количество продуктов износа в виде бронзовой пыли. Сепараторы имели также большой износ в гнездах и в местах трения их о борта наружного кольца. Шарики и дорожки качения оказались покрытыми тонким слоем бронзы, что способствовало уве­личению срока службы по сравнению с другими материалами из-за избирательного переноса меди на поверхности трения стальных деталей.

Испытания показали, что основной причиной быстрого вы­хода стандартных шарикоподшипников при работе без смазки в атмосфере является механическое разрушение сепараторов (разрыв по перемычкам, обрыв заклепок) или защемление вследствие попадания продуктов износа между трущимися по­верхностями в рабочие зазоры.

В США фирма «Шелл» испытывала шарикоподшипники 206 со штампованным стальным сепаратором при температуре 315°С без смазки при радиальной нагрузке 13,6 кгс и 10 000 об/мин. Подшипники на этом режиме выходили из строя через несколько секунд. Быстрый выход из строя стандартных подшипников на­блюдается и при их работе в жидких средах, не обладающих смазывающими свойствами. Автором испытывались шарикопод­шипники 308 со штампованным клепаным стальным сепаратором в рабочих условиях реактора при 1570 об/мин и контакт­ных напряжениях не выше 10 000 кгс/см². Смазывание под­шипников осуществлялось исходным сырьем рабочего процесса реактора — углеводородными фракциями типа 55-125 крекинг-бензина Б –70.

После 79 ч работы, в течение которых было 30 пусков и остановов, появился звук, характерный для подшипника, близкого к заклиниванию. Подшипник вышел из строя через 86ч вследствие, заклинивания от попадания в зазоры мел­ких частиц металла, образовавшихся при изнашивании сепа­ратора.

Второй подшипник проработал в этих условиях 107 ч. На внутреннем и особенно на наружном кольце наблюдались натиры, имеющие вид блестящего желобка. Остальные места ко­лец и другие детали были покрыты бурым налетом. Наблю­дался ярко выраженный износ подшипника при сухом трении с отделением микрочастиц металла (шелушение) и химическим превращением железа в окисел, выпадающий в осадок. Частицы интенсивного коррозионно-механического изнашивания, попадая в зазоры подшипника, заклинивали его.

В результате этих испытаний был сделан вывод о том, что подшипники из стали ШХ15 со штампованными стальными се­параторами непригодны для работы в условиях смазывания жидкими углеводородами легких фракций. Их срок службы даже при низких контактных напряжениях (менее 10 000 кгс/см³) не превышает 100 ч.

К таким же результатам приводят испытания стандартных подшипников в дистиллированной воде. По данным шведской фирмы СКФ их долговечность снижается в 10 раз, а по экспериментам ВНИПП, — иногда в 100раз. Отсюда использование в режиме сухого трения стандартных шарикоподшипников невозможно.

В последние годы во ВНИПП проф. Н. А. Спицыным и его учениками были разработаны конструкции и иссле­дованы опытные партии шарикоподшипников, способных рабо­тать достаточно долговечно без подвода нефтяных смазываю­щих веществ при сухом трении в нормальных условиях в атмо­сфере и в вакууме при повышенных температурах и частотах вращения. Сотрудниками ВНИПП и автором были иссле­дованы новые шарикоподшипники для работы в коррозионных средах без смазки.

К решению проблемы создания таких шарикоподшипников подходят несколькими путями. Одним из них является разра­ботка конструкции подшипников, смазываемых в процессе ра­боты твердыми смазывающими веществами, другим — изыска­ние конструкционных самосмазывающихся материалов для се­параторов, способных в условиях сухого трения обеспечивать смазывание трущихся элементов подшипника твердыми плен­ками. Кроме того, важным этапом разработки шарикоподшип­ников без смазки является исследование и применение новых коррозионно-стойких и жаропрочных подшипниковых сталей и сплавов для колец и шариков. К шарикоподшипникам, имею­щим постоянный запас смазывающего материала на весь период эксплуатации, относятся также стандартные шарикоподшипники с двусторонними встроенными уплотнениями по ГОСТ 8882—58, которые здесь не рассматриваются.

7. Материалы и конструктивные особенности подшипников качения для режима сухого трения в вакууме.

Использование обычных смазок в подшипниках, работающих в вакууме рентгеновских спектрометров, электровакуумных устройств и другой аппаратуре неприемлемо. Вследствие высокой упругости паров большинство жидкостей и смазок в вакууме испаряется и теряет свои смазывающие свойства. Действие температуры еще более усугубляет этот процесс. В данном случае никакие уплотнения не способны поддержать вакуум на определенном уровне. Поэтому применение подшипников без подвода смазок в условиях вакуума является актуальным вопросом вакуумной техники.

Разработка шарикоподшипников для вакуума до 10^-9мм.рт.ст. с температурой от –100 до +500 ºС при воздействии магнитных полей и индуктивных электрических токов, вибраций с высокими частотами вращения и нагрузок представляет собой трудности. В этих условиях нефтяные смазочные материалы оказываются совершенно неработоспособными, а попытки применения шарикоподшипников с твердосмазочными покрытиями не увенчались успехом из-за недостаточного срока службы. Одним из путей создания подшипника качения без смазки в этих условиях является использование самосмазывающихся сепараторов. Эти подшипник качения имеют особенности в конструкции самого подшипника, а также в подборке антифрикционных композиционных материалов для сепараторов, обеспечивающих возможность работы без вводимого извне смазочного материала, фактически являющихся твердой смазкой для подшипника.

В качестве твердосмазочных покрытий для шарикоподшипников могут быть использованы металлические пленки из золота, серебра, свинца, висмута и других мягких материалов. Особенно такие покрытия эффективны в вакууме из-за низкой упругости паров.

Трущиеся поверхности шарикоподшипников могут также покрываться фторопластом и различными композиционными покрытиями с металлическими и иными добавками.

1– золото

2 – серебро

3 – серебро с дисульфидом молибдена

4 – серебро с сульфидной пленкой

5 – свинец

6 – свинцовый висмут

8 – фторопласт

Подшипник 1 вышел из строя.

Подшипники 2,3,4 работа прекращена из-за резкого возрастания момента трения.

Подшипники 5 вышел из строя через 1000ч.

Подшипник 6 вышел из строя через 1650ч.

Подшипник 7 опыт прекращен через 1240ч, мог работать и больше.

Подшипник 8 опыт прекращен через 2200, мог работать и больше.

Твердосмазочные покрытия для шарикоподшипников не получили широкого распространения вследствие невозможности их восстановления в процессе эксплуатации, а так же из-за ограничения по частотам вращения и нагрузкам.

В качестве материалов для работы в глубоком вакууме, исследовались большое количество различных композиций на основе фторопласта с наполнителями марок МС-13 (с медью и дисульфидом молибдена) и других композиций по ОСТ В 6-05-5018-73, а так же металлополимерные материалы на основе капрона с дисульфидом молибдена и других материалы на основе фторопласта-4: металлофторопластовые марки ФН-202 (ОСТ В 6-05-5018-73), содержащий никель и дисульфид молибдена, графитофторопластовой марки АФГ-80ВС по ОСТ 48-75-73, содержащий графит, а также группа материалов АМАН на основе материалов с высоким содержанием дисульфида молибдена (АМАН-6, АМАН-24, ТЕСАН-2) и бронзовая металлокерамика ВАМК-24 с дисульфидом молибдена. Применяют самосмазывающиеся сепараторы из композиций фторпласт-4 + дисульфид молибдена + стекловолокно (Ф4Г20М5С10 и Ф-4С15).

Шарикоподшипник 36205 с сепараторами из фторопласт-4, фторопласт-40 м бронзой (Ф40Б70). Например однорядный радиальный подшипник с материалом сепаратора – стальной штампованный без смазки с покрытием дисульфидом молибдена, работает до 400ºС, или корончатый массивный бронзовый (БрАЖМц 10-3-1,5 с ………. Дисульфидом молибдена), до 400ºС. АМАН-24, ФН-202 до 500ºС. Для радиально-упорного подойдут АМАН-24, ФН-202, до 250ºС.

На основе ШХ-15:

АМАН-4 (материал на основе термостойкой смолы и дисульфида молибдена)

Пористая бронза металлокерамики марки ВАМК-1, пропитанный дисульфидом молибдена.

Бронза БрАЖМц 10-3-1,5 с запрессованной смазкой (50% - фторопласт-4 + 50% дисульфид молибдена)

Ф40К20 (фторопласт-40 с 20% коксовой муки)

Ф40Б30 (фторопласт-40 с 30% бронзовой пудры)

Подшипники качения с самосмазывющимися сепараторами для работы в жидких агрессивных средах.

Подшипники должны быть (или или):

• С защитой подшипниковых узлов герметичными уплотнениями и обеспечением шарикоподшипниковой или циркуляционной системой.

• С применение коррозионно-стойких шарикоподшипников со смазывающей рабочей средой (или одним из её компонентов) без уплотнительных устройств.

Для 1-го подойдет ШХ-15.

Для 2-го - Нержавеющая сталь 95Х18Ш :

с сепараторами из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 , где скорость вращения до 1000 об/мин.

с сепараторами из текстолита и фторопласта-4, где скорость вращения до 3000об/мин.

Материал детали радиального или радиально-упорного шарикоподшипника		Агрессивная среда	Смазывающее вещество	Контактное напряжение, δmax, кг/см2	κ
кольца	сепараторы
Сталь 95Х18	БрАЖМц 10-3-1,5	Вода дистиллированная	Пластичная смазка	10000-30000	0,25
95Х18	Сталь 12Х18Н9	Влажный воздух с попадание воды	Влагостойкой минеральное масло	–	0,8
ШХ-15	Бронза или текстолит	Водяной пар	Влагостойкой минеральное масло	12000	1,0
95Х18	Фторопласт-4 + 15% стекловолокна (Ф4С15)	Криогенные жидкости (кислород, водород)	Криогенные жидкости	15000	0,15 – 0,2
ШХ-15	БрАЖМц 10-3-1,5	Керосин Т-1 , Т-2	керосин	До 20000	1,0
ШХ-15	Бронза с запрессованной твердой смазкой (50% фторопласт-4, 50% дисульфид молибдена)	Воздух	Без смазки	10000 - 18000	0,1 – 0,3
Х32Н8	Фторопласт-4	Азотная кислота	Азотная кислота	10000	0,1

Ф40С15М1,5 ; Ф40М30 ; Ф40Г20 ; Ф40Б70 – композиции фторопласта-40П с ситалитом, дисульфидом молибдена, графитом, бронзой