7 Подшипники качения и скольжения

Подшипники качения и скольжения являются опорами вращающихся осей и валов и воспринимают действующие на них нагрузки. Надежность работы подшипников определяет работоспособность и долговечность машин.

7.1 Практический расчет (подбор) подшипников качения

7.1.1 Общие сведения

При курсовом проектировании механических передач в качестве опор вращающихся деталей используют, как правило, стандартные подшипники качения – шариковые и роликовые. Они состоят из наружного 1 и внутреннего 3 колец, тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4, который разделяет и направляет тела качения (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Подшипник качения

Основными параметрами, характеризующими типоразмер подшипника, являются: динамическая (С) и статическая (С₀) грузоподъемность, предельная частота вращенияn.

Условные обозначения подшипников характеризуют его внутренний диаметр, серию, тип и конструктивные особенности:

первые две цифры справа,умноженные на пять, определяют внутренний диаметр, начиная сd= 20 мм;

третья цифра справауказывает серию подшипника: 1 – особо легкая, 2 – легкая, 3 – средняя, 4 – тяжелая, 5 – легкая широкая, 6 – средняя широкая, 8, 9 – сверхлегкая;

четвертая цифра справаобозначает тип подшипника (рисунок 7.2):

0 – шарикоподшипники радиальные однорядные;

1 – шарикоподшипники радиальные двухрядные сферические;

2 – роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими роликами;

3 – роликоподшипники радиальные двухрядные сферические;

4 – роликоподшипники радиальные с длинными цилиндрическими роликами;

Рисунок 7.2 – Основные типы шарикоподшипников, роликоподшипников и тел качения

5 – роликоподшипники с радиальными витыми роликами;

6 – шарикоподшипники радиально-упорные однорядные и сдвоенные;

7 – роликоподшипники радиально-упорные конические однорядные;

8 – шарикоподшипники упорные однорядные и сдвоенные;

9 – роликоподшипники упорные;

пятая и шестая цифры справахарактеризуют конструктивные особенности исполнения внутреннего или наружного колец;

первая цифра через дефисуказывает класс точности подшипника (0, 6, 5, 4, 2);

цифра перед классом точностиобозначает диаметральный зазор подшипника.

Например, условное обозначение подшипника 3-0-42116 означает: внутренний диаметр d= 16·5 = 80 мм, особо легкой серии, радиальный с короткими цилиндрическими роликами, однорядный, класс точности – 0, диаметральный зазор – по ряду 3.

На рисунке 7.3 приводятся сравнительные параметры подшипников различных типов и серий при внутреннем диаметре d= 80 мм, нагрузочная способность которых зависит от типа и серии подшипника. С увеличением диаметра подшипника нагрузочная способность возрастает, а предельная частота вращения снижается. Роликоподшипники в сравнении с шарикоподшипниками имеют более высокую несущую способность, но обладают меньшей быстроходностью и более чувствительны к перекосам осей колец.

Рисунок 7.3 – Сравнительные параметры подшипников различных типов и серии при внутреннем диаметре d = 80 мм: – масса G; – динамическая грузоподъемность С; – предельная частота вращения n

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники качения разделяют:

на радиальные– предназначены для чисто радиальной нагрузки; они способны также воспринимать небольшие осевые нагрузки и фиксировать валы в осевом направлении;

радиально-упорные– воспринимают комбинированную радиальную и осевую нагрузки;

упорные– предназначены для восприятия осевой нагрузки;

упорно-радиальные– воспринимают осевую и небольшую радиальную нагрузку (см. ГОСТ 3395-75).

Шариковыеподшипники широко распространены в машиностроении. Они наиболее простые и дешевые, допускают небольшие перекосы вала, могут воспринимать небольшие осевые нагрузки.

Роликовые радиальныеподшипники допускают бóльшие нагрузки, чем шариковые, плохо работают при перекосах вала; не воспринимают осевой нагрузки; потери и износ в них меньше, чем в шариковых.

Шарикоподшипники в среднем более быстроходны. Роликоподшипники имеют более высокую (в среднем на 50–70 %) грузоподъемность.

Шариковый радиально-упорныйподшипник предназначен для восприятия совместно действующих радиальных и односторонне осевых нагрузок. Применяется преимущественно при средних и высоких частотах вращения (n > 1500 об/мин).

Роликовый радиально-упорный коническийподшипник предназначен для восприятия совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок при средних скоростях на валу (обычно до 15 м/с) [32, с. 344]. Он имеет весьма широкое применение в машиностроении. Отличается удобством сборки, разборки и регулировки зазоров. По сравнению с шариковыми радиально-упорными подшипниками они дешевле, более грузоподъемные, обеспечивают большую жесткость валов [18, с. 108].

При проектировании машин подшипники качения не конструируют и не рассчитывают, а подбирают из числа стандартных по условным формулам. Методика подбора стандартизована (ГОСТ 18854-73 и ГОСТ 18855-73).

При выборе подшипников необходимо принимать во внимание не только конструктивные, но и экономические соображения. При d < 60 мм самыми дешевыми являются радиальные однорядные шарикоподшипники, которые благодаря этому нашли широкое распространение. Однако использование этих подшипников не всегда приводит к рациональному и наиболее дешевому варианту конструкции. Замена шарикоподшипников более дорогими роликоподшипниками часто позволяет существенно снизить размеры и массу опорного узла или увеличить промежуток времени между заменой подшипников.

7.1.2 Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности (при n> 1 об/мин)

Радиальные и радиально-упорные подшипники воспринимают при вращении радиальную нагрузку, при которой в течение 1 млн оборотов на контактирующихся поверхностях шариков и беговых дорожек колец (внутреннего и наружного) не должно появляться признаков усталостного выкрашивания.

Подбор подшипников производят по наиболее нагруженной опоре вала по условию

С_p≤С,

где С_p– расчетная (потребная) динамическая грузоподъемность, Н;С– паспортная динамическая грузоподъемность, Н; берется по справочнику [31, с. 424].

Величину С_pможно определять, используя зависимость

или ,

где f_h– коэффициент долговечности (определяется в зависимости от заданного срока службы подшипникаL_hв часах) (приложение А.6) [31, с. 127, 128];f_n– коэффициент частоты вращения (определяется в зависимости от частоты вращения валаn, об/мин) (приложение А.7) [31, с. 125, 126];L– долговечность подшипника, млн об (L = 60L_hn / 10⁶);р– показатель степени (отношение долговечности сравниваемых подшипников равно отношению их динамических грузоподъемностей в степени 3 и 3,33 соответственно для шарикоподшипников и роликовых подшипников);Р– эквивалентная динамическая нагрузка, Н (постоянная радиальная нагрузка для радиальных и радиально-упорных подшипников, при которой долговечность подшипников с вращающимся внутренним и неподвижным наружным кольцами такая же, как и при фактических условиях нагружения и вращения);

Р = (VXF_r + YF_a) К_бК_т,

где V– коэффициент вращения (при вращении внутреннего кольца подшипникаV= 1, наружного –V= 1,2) [31, с.112–115];F_rиF_a– соответственно радиальная и осевая нагрузки на подшипник, Н;XиY– соответственно коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипника и оте– параметра осевого нагружения подшипника (безразмерная величина), характеризующего соотношение осевого и радиального усилий (таблица 7.1) [31, с. 113–115, 424].

XиYразличны в зависимости от отношенияF_a/VF_r. Объясняется это тем, что до некоторых пределов, равных коэффициенту этого отношенияе, дополнительная осевая нагрузка не ухудшает условия работы подшипника. Она уменьшает радиальный зазор в подшипнике и выравнивает распределение нагрузки (в том числе радиальной) по телам качения.

Как видно из таблицы 7.1, числовые значения XиYдля радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников определяются в зависимости от величиныiF_a/C₀(C₀– статическая грузоподъемность принимаемого к установке подшипника [31, с. 424–432];i– число рядов тел качения в подшипнике);

К_б– динамический коэффициент (коэффициент безопасности), зависящий от вида нагрузки: спокойная, легкая или со значительными толчками, вибрациями, перегрузки – до 200 % (при спокойной нагрузкеК_б= 1) [31, с. 115] (таблица 7.2);

К_т – температурный коэффициент, учитывающий влияние температурного режима работы на долговечность подшипника (при Т < 125 °С, К_т = 1) [31].

Таблица 7.1 – Числовые значения коэффициентов X и Y для радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников

Вид подшипника			е 1)	Подшипник однорядный 2)				Подшипник двухрядный 3)
				X 1)	Y 1)	X	Y	X	Y	X	Y
Шариковый радиальный однорядный 4)		0,014 0,028 0,056 0,084 0,110 0,170 0,280 0,420 0,560	0,19 0,22 0,26 0,28 0,30 0,34 0,38 0,42 0,44	1	0	0,56	2,30 1,99 1,71 1,55 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00	1	0	0,56	2,30 1,99 1,71 1,55 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00
Шариковый радиально-упорный 4)	α = 12	0,014 0,029 0,057 0,086 0,110 0,170 0,290 0,430 0,570	0,30 0,34 0,37 0,41 0,45 0,48 0,52 0,54 0,54	1	0	0,45	1,81 1,62 1,46 1,34 1,22 1,13 1,04 1,01 1,00	1	2,08 1,84 1,69 1,52 1,39 1,30 1,20 1,16 1,16	0,74	2,94 2,63 2,37 2,18 1,98 1,84 1,69 1,64 1,62
	α = 15	0,015 0,029 0,058 0,087 0,120 0,170 0,290 0,440 0,580	0,38 0,40 0,43 0,46 0,47 0,50 0,55 0,56 0,56	1	0	0,44	1,47 1,40 1,30 1,23 1,19 1,12 1,02 1,00 1,00	1	1,65 1,57 1,46 1,38 1,34 1,26 1,14 1,12 1,12	0,72	2,39 2,28 2,11 2,00 1,93 1,82 1,66 1,63 1,63
	α = 26 α = 36 α = 40		0,68 0,95 1,14	1	0	0,41 0,37 0,35	0,87 0,66 0,57	1	0,92 0,66 0,55	0,67 0,60 0,57	1,41 1,07 0,93
Шариковый сферический двухрядный Роликовый конический однорядный Роликовый сферический двухрядный			1,5tgα 1,5tgα 1,5tgα	1 1 1	0 0 0,45 ctgα	0,40 0,40 0,67	0,40 ctgα 0,40 ctgα 0,40 ctgα	1 1	0,45 ctgα 0,45 ctgα	0,65 0,67	0,67 ctgα 0,67 ctgα
1) Значения X, Y и е для нагрузок или углов контакта, не указанных в таблице 7.1, определяют линейной интерполяцией. 2) Для однорядных подшипников при Fa/YFr < e принимают X = 1, Y = 0. 3) Только для двухрядных подшипников симметричной конструкции. 4) Допускаемое максимальное значение Fa/С0 зависит от конструкции подшипника.

Таблица 7.2 – Зависимость коэффициента безопасности К_б от характера нагрузки и долговечности L_h

Машины, оборудование и условия их эксплуатации	Характер нагрузки на подшипник	Lh, ч	Кб
Машины для кратковременной или прерывистой эксплуатации: строительные и монтажные краны и машины, тракторы	Спокойная нагрузка, толчки отсутствуют	(3...8)·103	1,0 – 1,1
То же, но с повышенными требованиями к надежности: подъемники и краны для штучных грузов, автомобили, комбайны, сельхозтехника	Легкие толчки. Кратковременные перегрузки до 125 %	(8...12) ·103	1,1 – 1,2
Машины для односменной работы, эксплуатируемые не всегда с полной нагрузкой: стандартные электродвигатели, редукторы, авиадвигатели	Умеренные толчки, вибрация, кратковременные перегрузки до 135 %	(10...15) ·103	1,2 – 1,3
То же, но работающие с полной нагрузкой: металлорежущие и деревообрабатывающие станки, печатные и текстильные машины	То же	(20...30) ·103	1,3 – 1,4
Машины для круглосуточной работы: приводы прокатного оборудования, компрессоры, шахтные подъемники, транспортные буксы, локомотивы	Умеренные толчки, кратковременные перегрузки до 150 %	(50...50) ·103	1,5 – 1,8
Трубопрокатные станы, эскалаторы; наиболее ответственные круглосуточно эксплуатируемые агрегаты: крупные электрические машины, бумагоделательные машины, шахтные насосы, коренные подшипники судовых двигателей	Нагрузка со значительными толчками и вибрацией, кратковременные перегрузки до 200 %	(60...100) ·103	1,8 – 2,5