Почему подшипник разрушается от слишком малой нагрузки

Кажется логичным, что чем меньше нагрузка на подшипник, тем дольше он должен работать. Для усталостной долговечности это действительно часто так, но только до определённого предела.

Подшипнику качения необходима минимальная рабочая нагрузка, обеспечивающая нормальный контакт шариков или роликов с дорожками качения. Если нагрузка становится слишком маленькой, тела качения могут начать не катиться, а частично скользить по поверхности.

Такое скольжение способно вызвать задиры, повреждение дорожек, перегрев и ускоренный износ подшипника. Особенно чувствительны к этому высокоскоростные узлы и роликовые подшипники.

Почему при малой нагрузке возникает скольжение

Во время нормальной работы кольца подшипника передают усилие через тела качения. Нагрузка прижимает шарики или ролики к дорожкам и обеспечивает необходимое сцепление.

Когда давление в контакте становится слишком небольшим, ситуация меняется.

На тела качения при этом продолжают воздействовать:

• силы инерции;

• сопротивление смазки;

• трение в сепараторе;

• ускорения и замедления;

• центробежные силы при высокой скорости.

Если контактного усилия недостаточно, шарик или ролик может не успевать вращаться с необходимой скоростью и начинает скользить относительно дорожки.

NSK отдельно указывает, что при очень малой нагрузке цилиндрического роликового подшипника недостаточное контактное давление вызывает значительное скольжение между роликами и дорожками. Такое повреждение в тяжёлых случаях способно закончиться даже заклиниванием.

Что происходит с поверхностью подшипника

При проскальзывании возникает интенсивное трение на небольшой площади.

В результате могут появиться:

Размазывание металла — smearing. Поверхность локально нагревается, материал переносится с одного участка на другой и образуются характерные полосы и задиры.

Царапины и риски. На дорожках и телах качения появляются продольные следы скольжения.

Микропиттинг. Поверхностный слой постепенно разрушается с образованием множества мелких дефектов.

Перегрев. Из-за повышенного трения температура подшипника растёт.

Повреждение сепаратора. Неравномерное движение тел качения создаёт дополнительные нагрузки на сепаратор.

Schaeffler описывает типичное повреждение при недостаточной нагрузке как пятнистые следы размазывания или глубокие царапины, иногда сопровождающиеся микропиттингом роликов и дорожек.

Почему особенно опасны высокие обороты

Чем выше скорость вращения, тем сильнее влияние инерционных и центробежных сил.

При большой нагрузке это компенсируется достаточным контактом между телами качения и дорожками. При очень лёгкой нагрузке ролики или шарики могут начать проскальзывать.

SKF отмечает, что соблюдение минимальной нагрузки становится особенно важным при быстрых разгонах и остановках, а также когда рабочая скорость превышает примерно половину предельной скорости подшипника.

Поэтому ситуация «большой подшипник + высокая скорость + практически отсутствующая нагрузка» может оказаться значительно хуже, чем кажется.

Особенно чувствительны роликовые подшипники

Проблема минимальной нагрузки существует у разных типов подшипников, но особенно важна для роликовых конструкций.

У ролика больше площадь контакта с дорожкой, а его движение сильнее зависит от правильного соотношения сил в зоне нагрузки.

В качестве общего ориентира SKF приводит минимальную нагрузку порядка:

• 0,01 C для шариковых подшипников;

• 0,02 C для роликовых подшипников,

где C — динамическая грузоподъёмность.

При этом это только общее правило. Для конкретного типа и размера необходимо использовать данные производителя.

Schaeffler также задаёт собственные рекомендации по минимальной нагрузке для разных типов подшипников, причём значения различаются для шариковых, цилиндрических, конических, сферических и игольчатых конструкций.

Почему слишком большой подшипник тоже может быть проблемой

Иногда конструктор выбирает подшипник с большим запасом грузоподъёмности по принципу «чем мощнее, тем надёжнее».

Но если фактическая нагрузка намного ниже той, на которую рассчитан подшипник, он может постоянно работать в зоне недостаточной нагрузки.

Подобная ситуация встречается, когда размер подшипника определяется не усилием, а, например:

• диаметром вала;

• требованиями к жёсткости;

• конструктивными размерами корпуса;

• необходимостью использовать стандартный посадочный размер.

SKF прямо отмечает, что если размер подшипника определяется другими конструктивными факторами, он может оказаться слишком слабо нагруженным относительно своей грузоподъёмности. В этом случае вместо классической усталости основным механизмом повреждения становятся скольжение, размазывание дорожек и повреждение сепаратора.

В каких узлах риск выше

Проблема недостаточной нагрузки особенно актуальна для:

• высокоскоростных электродвигателей;

• насосов;

• компрессоров;

• шпиндельных узлов;

• вентиляторов;

• турбомашин;

• приводов с частыми пусками и остановками;

• оборудования с резко изменяющейся скоростью.

Например, для радиально-упорных шариковых подшипников недостаточная осевая нагрузка способна вызвать скольжение шариков и различие их орбитальных скоростей. Это увеличивает нагрузку на сепаратор и может привести к его повреждению.

Как понять, что причиной была недостаточная нагрузка

Однозначно определить причину только по внешнему виду не всегда возможно.

На проблему могут указывать:

• блестящие или матовые полосы на дорожке;

• размазанные участки металла;

• продольные риски;

• локальный перегрев;

• микропиттинг;

• повреждение сепаратора;

• необычный шум после выхода оборудования на высокие обороты.

Но похожие следы могут возникнуть и из-за недостаточной смазки, неправильного зазора или загрязнения.

Поэтому анализируют одновременно состояние дорожек, роликов, сепаратора, смазки и реальные условия работы оборудования.

Почему смазка имеет большое значение

Смазка должна разделять металлические поверхности и уменьшать трение. Однако при очень малой нагрузке её сопротивление само становится одним из факторов, влияющих на движение тел качения.

Особенно критично сочетание:

малой нагрузки + высокой скорости + неподходящей смазки.

Schaeffler отмечает, что недостаточная нагрузка особенно опасна при плохих условиях смазывания.

Поэтому попытка решить проблему только использованием «более густой» смазки может, наоборот, ухудшить ситуацию.

Тип смазки, её вязкость и количество должны соответствовать скорости, температуре и конструкции конкретного подшипникового узла.

Как обеспечить минимальную нагрузку

Способ зависит от конструкции оборудования.

Возможные решения включают:

Использование подшипника меньшей размерной серии. Если подшипник значительно превышает необходимую грузоподъёмность, меньшая конструкция может работать в более подходящем диапазоне нагрузок.

Создание преднатяга. В некоторых узлах необходимую минимальную нагрузку обеспечивают пружинами или соответствующей схемой установки подшипников.

Корректировку внутреннего зазора. Применяется только там, где это предусмотрено расчётом и рекомендациями производителя.

Изменение схемы смазки. Иногда требуется другая вязкость масла, другое количество пластичной смазки или специальный режим приработки.

Применение специальных исполнений подшипников. Для сложных высокоскоростных условий существуют покрытия, специальные материалы и гибридные конструкции.

SKF среди возможных решений при невозможности обеспечить минимальную нагрузку называет применение меньшей размерной серии подшипника, изменение условий смазывания, использование специальных покрытий и создание предварительной нагрузки.

Не нужно искусственно нагружать любой подшипник

Важно не воспринимать минимальную нагрузку как универсальное число.

Для разных типов подшипников она рассчитывается по-разному и зависит от:

• конструкции;

• размера;

• скорости вращения;

• вида нагрузки;

• смазки;

• внутреннего зазора;

• расположения вала;

• условий работы.

Например, для цилиндрических роликовых подшипников NSK рассчитывает необходимую минимальную нагрузку с учётом динамической грузоподъёмности, рабочей и предельной скорости. Производитель отдельно предупреждает, что стандартный расчёт неприменим без корректировки при ряде специальных условий эксплуатации.

Поэтому задавать дополнительную нагрузку «на глаз» так же неправильно, как и полностью игнорировать её отсутствие.

Что учитывать при подборе подшипника

При выборе подшипника необходимо проверять не только максимальную допустимую нагрузку и расчётный ресурс.

Важно знать также:

• минимальную рабочую нагрузку;

• реальные обороты;

• режим пуска и остановки;

• радиальные и осевые усилия;

• внутренний зазор;

• способ смазывания;

• рабочую температуру.

Особенно это важно, если устанавливается крупный подшипник на быстро вращающийся вал с небольшой внешней нагрузкой.

Если подшипник регулярно выходит из строя при отсутствии видимой перегрузки, причиной может оказаться именно противоположная ситуация — нагрузка для него слишком мала.

Специалисты «Пром-Комплект» помогут подобрать подшипник с учётом не только размеров и максимальной грузоподъёмности, но и фактического режима работы оборудования.