12.6. Виды повреждений в подшипниках и способы расчетной оценки работоспособности подшипников

1. Разрушение (раскалывание) колец и тел качения – возникает при ударных и вибрационных нагрузках, нарушениях правил эксплуатации.

2. Образование вмятин на дорожках качения – типично для тяжело нагруженных подшипников, работающих без вращения.

3. Разрушение сепараторов – вызывает значительный процент выхода из строя подшипников и наблюдается в быстроходных машинах от действия центробежных сил, нарушений технологии изготовления и сборки.

4. Усталостное выкрашивание – основной вид повреждения подшипников. Наблюдается после длительного времени работы подшипника в нормальных условиях и, чаще всего, на дорожке качения внутреннего кольца.

5. Износ сепаратора, дорожек и тел качения – также основная причина выхода из строя подшипников качения автомобильных, тракторных, горных, строительных и многих других машин; возникает при недостаточной смазке, не надежном креплении подшипника, вследствие чего в смазку попадают абразивные частицы.

6. Внешними признаками повреждений подшипника являются, как правило, шум, вибрации, нагрев, стуки и др.

12.7. Методика выбора подшипников качения

Выбор подшипников производится по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного выкрашивания рабочих поверхностей и по статической грузоподъемности для предупреждения недопустимых остаточных деформаций в деталях подшипника.

При выборе подшипников по динамической грузоподъемности частота вращения должна быть , но не более предельно допустимой для данного подшипника.

При в расчете принимают .

Выбор по статической грузоподъемности производится, если частота вращения , а также, если подшипник совершает качательное движение.

Исходные данные для выбора подшипников качения

При выборе подшипников качения для заданных условий работы необходимы следующие данные:

1. Величина и направление нагрузки (радиальная, осевая или комбинированная).

2. Характер нагрузки (постоянная, переменная или ударная).

3. Число оборотов вращающегося кольца подшипника.

4. Необходимая долговечность или ресурс (желаемый срок службы в часах или миллионах оборотов).

5. Диаметр шейки вала.

6. Условия работы (температура, влажность, запыленность и др.).

7. Особые требования к подшипнику, предъявляемые конструкцией узла (самоустановка колец, осевая фиксация вала или ее отсутствие, снижение габаритов и т.д.).

Порядок выбора подшипников по динамической грузоподъемности

1. Предварительно намечается тип подшипника с учетом характера действующих эксплуатационных нагрузок и конструкции узда. В зависимости от требований к жесткости подшипникого узла выбирают шариковый или роликовый подшипник:

при - радиальный;

при – радиально-упорный;

при действии только F_a - упорный подшипник.

2. Назначается ориентировочно серия подшипника из условия требуемого срока службы:

t < 10 000 часов - легкая;

t > 10 000 часов - средняя;

t > 20 000 часов - тяжелая.

3. Определяется типоразмер подшипника, удовлетворяющий величине и направлению действующих нагрузок, числу оборотов, требуемому сроку службы, диаметру шейки вала.

4. С учетом вышеизложенного, в том числе диаметра шейки вала, из [1] определяется типоразмер (номер) подшипника и выписываются его характеристики. Для радиальных и радиально-упорных однорядных шариковых подшипников - их статическая и динамическая грузоподъемность и . Для радиально-упорных роликовых подшипников - параметр осевого нагружения и коэффициент , как и для радиальных сферических шариковых и роликовых подшипников (параметр ). Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников параметр е определяется по соотношению .

5. Определяется отношение и сравнивается с параметром . В зависимости от соотношения этой величины с е определяются ко­эффициенты радиальной и осевой нагрузок X и Y.

6. Назначается класс точности подшипника с учетом особых требо­ваний. Если таковых нет, то принимается нормальный класс точности - (0).

Типоразмер подшипника уточняется следующим образом:

1. По заданным радиальным и осевым нагрузкам на подшипник вычисляется эквивалентная динамическая нагрузка Р.

Под эквивалентной динамической нагрузкой понимается такая на­грузка, которая, будучи приложена к подшипнику при вращении внутреннего кольца и неподвижном наружном кольце, обеспечила бы такие же ресурс и надежность, какие достигает подшипник в действительных условиях нагружения и вращения.

2. По эквивалентной динамической нагрузке, числу оборотов подшипника и требуемому сроку службы рассчитывают необходимую динамическую грузоподъемность С, являющуюся основной характеристикой подшипника, и сравнивают ее с паспортной (каталожной) величиной динамической грузоподъемности, .е. С < [С], [1].

Помимо динамической грузоподъемности С в справочниках по подшипникам приводятся данные о предельном числе оборотов _пред (для О-го класса точности) и статической грузоподъемности С₀ [1].

Расчет долговечности подшипника

Под номинальным ресурсом L (расчетным сроком службы под­шипников) понимается число оборотов, которое делает одно из колец относительно другого, при котором не менее 90% подшипников дан­ной группы, работающих при одинаковых условиях нагружения, не дают признаков усталости материала колец или тел качения.

Связь между номинальным ресурсом L, выраженным в миллионах оборотов, эквивалентной расчетной нагрузкой Р и динамической гру­зоподъемностью С устанавливается эмпирической зависимостью:

, (12.5)

в которой показатель степени принимается равным:

а = 3 - для шарикоподшипников (ШП);

а = 3,33 -для роликоподшипников (РП).

Из этого соотношения находим:

, (12.6)

Формула справедлива при Р 0,5С, а частота вращения подшипника находится в диапазоне 10 минֿ¹ .

При 1 ... 10 минֿ¹ расчет ведется для = 10 минֿ¹.

При < 1 минֿ¹ действующая нагрузка рассматривается как статическая и при выборе подшипника она сравнивается со статической грузоподъемностью С₀ для данного типоразмера.

Номинальный ресурс может быть выражен в часах:

Из уравнения (12.5) следует, что при увеличении приведенной на­грузки вдвое, ресурс подшипника уменьшается соответственно в 10 или 8 раз. Отношение позволяет определить долговечность подшипника в миллионах оборотов, либо в часах. Для шариковых и роликовых подшипников эти данные приведены в таблицах. См. табл.29,30,31, а также ГОСТ 18854-94 и ГОСТ 18855-94.

В ряде случаев целесообразно, оценив долговечность подшипника, дать рекомендацию о его замене при ремонте данного подшипникового узла.

Эквивалентная динамическая нагрузка

В общем случае формулы для определения эквивалентной динамической нагрузки для радиальных однорядных шарикоподшипников и радиально-упорных однорядных шариковых и роликовых подшипников имеет вид:

при , (12.8)

при , (12.9)

здесь обозначено:

- радиальная нагрузка

- осевая нагрузка;

- коэффициент радиальной нагрузки;

- коэффициент осевой нагрузки;

- коэффициент вращения;

- коэффициент безопасности;

- температурный коэффициент.

Значения коэффициентов нагрузки X и Y

Значения коэффициентов нагрузки X и Y либо приводятся непо­средственно в таблицах каталога для каждого типоразмера подшипника, для радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников с углом контакта 15°, либо по отношению находится , а затем, как указывалось ранее, из соотношения или находят коэффициенты X, Y и С₀ - статическую грузоподъемность (табл.32,33,34). Небольшие осевые нагрузки не оказывают отрицательного влияния на долговечность радиальных и радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников. Поэтому при выборе однорядных радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников, а также однорядных конических роликоподшипников следует иметь в виду, что осевые усилия не оказывают влияния на величину эквивалентной динамической нагрузки до тех пор, пока значения не превысят табличного значения е - параметра осевого нагружения.

В случае , осевую нагрузку, действующую на однорядный шарикоподшипник, учитывать не надо, т.е. X = 1 и Y = 0.

Для радиально-упорных конических и сферических роликоподшипников значения коэффициентов X, Y, е определяются при известном значении угла контакта по табл. 33.

Значения коэффициента V

Коэффициент V=1 при вращении внутреннего кольца подшипника относительно вектора нагрузки и V= 1,2 в случае вращения на­ружного кольца при неподвижном внутреннем.

Значение коэффициента безопасности К_б

Общий диапазон возможных значений К_б = 1... 3.

1. Спокойная нагрузка без толчков К_б = 1.

1. Легкие толчки; кратковременные перегрузки до 125% от номинальной нагрузки К₆= 1,0 ... 1,2.

2. Умеренные толчки; кратковременные перегрузки до 150% от номинальной нагрузки К_б = 1,3 ... 1,5.

3. Нагрузки со значительными толчками; кратковременные перегрузки до 200% от номинальной нагрузки К_б = 1,8 ... 2,5.

4. Нагрузки с сильными ударами; кратковременная перегрузка до 300% от номинальной нагрузки К_б - 2,5 ... 3,0.

В большинстве случаев, включая редукторы 7 и 8 степени точности всех конструкций, значение К₆ колеблется в пределах 1 ... 1,5.

Значение коэффициента

Таблица 28

Рабочая температура подшипника, С°	112,5	115,0	117,5	120,0	122,5	125,0
Температурный коэффициент	1,05	1,10	1,15	1,25	1,35	1,4

Величина для различных значений

ресурса подшипников в миллионах оборотов

Таблица 29

Ресурс L, млн. оборотов	Отношение
	Шарикоподшипники	Роликоподшипники
0,5	0,793	0,812
1,0	1,00	1,00
2,0	1,26	1,24
5,0	1,71	1,62
10	2,15	2,00
20	2,71	2,46
30	3,11	2,77
50	3,68	3,23
100	4,64	3,98
200	5,85	4,90
300	6,69	5,54
400	7,37	6,03
500	7,94	6,45
800	9,28	7,43
1000	10,0	7,94

Величина для различных ресурсов (в часах) и частот вращения

шариковых подшипников

Таблица 30

Ресурс	Число оборотов в минуту
	10	40	100	200	320	500	1000	1600	2000	3200
100	-	-	-	1,06	1,24	1,45	1,823	2,12	2,29	2,67
500	-	1,06	1,45	1,82	2,12	2,47	3,11	3,63	3,91	4,56
1000	-	1,34	1,82	2,29	2,67	3,11	3,91	4,56	4,93	5,75
1250	-	1,45	1,96	2,47	2,88	3,36	4,23	4,93	5,32	6,20
1600	-	1,56	2,12	2,67	3,11	3,63	4,56	5,32	5,75	6,70
2000	1,06	1,68	2,29	2,88	3,36	3,91	4,93	5,75	6,20	7,23
2500	1,15	1,82	2,47	3,11	3,63	4,23	5,32	6,20	6,70	7,81
3200	1,24	1,96	2,67	3,36	3,91	4,56	5,75	6,70	7,23	8,43
4000	1,34	2,12	2,88	3,63	4,23	4,93	6,20	7,23	7,81	9,11
5000	1,45	2,29	3,11	3,91	4,56	5,32	6,70	7,81	8,43	9,83
6300	1,56	2,47	3,36	4,23	4,93	5,75	7,23	8,43	9,11	10,6
8000	1,68	2,67	3,63	4,56	5,32	6,20	7,81	9,11	9,83	11,5
10000	1,82	2,88	3,91	4,93	5,75	6,70	8,43	9,83	10,6	12,4
20000	2,29	3,63	4,93	6,20	7,23	8,43	10,6	12,4	13,4	15,6

Величина для различных значений ресурса (в часах) и частот вращения роликовых подшипников Таблица 31

Ресурс	Число оборотов в минуту
Lh, ч	10	40	100	200	320	500	1000	1600	2000	3200
100	-	-	-	1,05	1,21	1,39	1,71	1,97	2,11	2,42
500	-	-	1,39	1,71	1,97	2,26	2,78	3,19	3,42	3,92
1000	-	-	1,71	2,11	2,42	2,78	3,42	3,92	4,20	4,82
1250	-	1,05	1,83	2,26	2,59	2,97	3,66	4,20	4,50	5,17
1600	-	1,13	1,97	2,42	2,78	3,19	3,92	4,50	4,82	5,54
2000	1,05	1,21	2,11	2,59	2,97	3,42	4,20	4,82	5,17	5,94
2500	1,13	1,30	2,26	2,78	3,19	3,66	4,50	5,17	5,54	6,36
3200	1,21	1,39	2,42	2,97	3,42	3,92	4,82	5,54	5,94	6,81
4000	1,30	1,49	2,59	3,19	3,66	4,20	5,17	5,94	6,36	7,30
5000	1,39	1,60	2,78	3,42	3,92	4,50	5,54	6,36	6,81	7,82
6300	1,49	1,71	2,97	3,66	4,20	4,82	5,94	6,81	7,30	8,38
8000	1,60	1,83	3,19	3,92	4,50	5,17	6,36	7,30	7,82	8,98
10000	1,71	1,97	3,42	4,20	4,82	5,54	6,81	7,82	8,38	9,62
20000	2,11	2,42	4,20	5,17	5,94	6,81	8,38	9,62	10,3	11,8

Значения коэффициентов е, Х и У для радиальных и радиально-упорных

шариковых подшипников

Таблица 32

		Подшипники							е
		однорядные			двухрядные
		X		У	X	У	X	У
0	0,014	0,56		2,30	1,0	0	0,56	2,30	0,19
	0,028			1,99				1,99	0,22
	0,056			1,71				1,71	0,26
	0,085			1,55				1,55	0,28
	0,110			1,45				1,45	0,30
	0,170			1,31				1,31	0,34
	0,280			1,15				1,15	0,38
	0,420			1,04				1,04	0,42
	0,560			1,00				1,00	0,44
12	0,014	0,45		1,81	1,0	2,08	0,74 ,7	2,94	0,30
	0,029			1,62		1,84		1,63	0,34
	0,057			1,46		1,69		2,37	0,37
	0,086			1,34		1,52		2,18	0,41
	0,11			1,22		1,39		1,98	0,45
	0,17			1,13		1,30		1,84	0,48
	0,29			1,04		1,20		1,69	0,52
	0,43			1,01		1,16		1,64	0,54
	0,57			1,00		1,16		1,62	0,54
	0,015			1,47		1,65		2,39	0,38
	0,029			1,40		1,57		2,28	0,40
	0,058			1,30		1,46		2,11	0,43
	0,087			0,23		1,38		2,00	0,46
15	0,12	0,44		1,19		1,34	0,72	1,93	0,47
	0,17			1,12	1,0	1,26		1,82	0,50
	0,29			1,02		1,14		1,66	0,55
	0,44			1,00		1,12		1,63	0,56
	0,58			1,00		1,12		1,63	0,56
18, 19,	-		0,43	1,00		1,09	0,70	1,63	0,57
20, 24,	-		0,41	0,87		0,92	0,67	1,44	0,68
25, 26,	-		0,39	0,76	1,0	0,78	0,63	1,24	0,80
30, 35,	-		0,37	0,66		0,66	0,60	1,07	0,95
36,40	-		0,35	0,57		0,55	0,57	0,93	1,14

Значения коэффициентов X и У для радиально-упорных и радиальных сферических роликовых подшипников

Таблица 33

Подшипники
однорядные е = 1,5 tg а.				двухрядные e = 1,5tga.
X	У	X	У	X	У	X	У
1	0	0,4	0,4ctg а	1	0,45ctga	0,67	0,67ctga

Значения коэффициентов Х₀ и Y₀

Таблица 34

Подшипники	Однорядные		Двухрядные
Шариковые радиальные	0,6	0,5	0,6	0,5
Шариковые радиально-упорные	0,5	0,55-0,35 tg a	1,0	1,1 -0,70tga
Конические радиально-упорные, Шариковые и роликовые самоустанавливающиеся	0,5	0.33/e	1.0	0.66/e
Упорно-радиальные	2,3 tg a	1	-	-
Упорные	0	1	-	-

Эквивалентная динамическая нагрузка для сферических шариковых и роликовых подшипников определяется по формуле (12.8).

Эквивалентная динамическая нагрузка для однорядных и двухрядных роликовых радиальных подшипников определяется по формуле (12.9).

Радиальные роликовые подшипники типа 12000 и 42000, имеющие бортики (рис.104), способны вследствие контактов торцов роликов воспринимать непостоянно действующие осевые нагрузки небольшой величины. Поэтому принято считать, что эти нагрузки в допустимых пределах не вызывают уменьшения долговечности. Подшипники с цилиндрическими роликами типа 12000 и 4200 и подшипники с игольчатыми роликами не нагружаются в осевом направлении, так как у этих под­шипников одно из колец не имеет опорных бортиков.

Тип 12000

Тип 4200

Рис. 104.

Эквивалентная динамическая нагрузка для однорядных и двухрядных подшипников с короткими цилиндрическими роликами, не обладающими осевой грузоподъемностью, определяются по формуле:

В отличие от подшипников всех других типов для упорных шариковых или роликовых эквивалентная динамическая нагрузка опреде­ляется как:

В тихоходных передачах случайная осевая нагрузка не должна превосходить 40% от .