Работа подшипников качения

В современном мире  без подшипников не может работать ни один механизм, конструкция которого предусматривает вращение вала или оси. При этом наиболее распространенным узлом сегодня является подшипник качения, работа которых важна как для бытовой техники, так и для тяжелого промышленного оборудования. В связи с этим можно говорить о том, что любая машина будет работать эффективно и надежно лишь в том случае, если такая деталь будет своевременно заменяться на новую, до того, как она полностью выйдет из строя и разрушится.

Подшипники качения – долговечность, как один из основных показателей

Опоры, использующие в своей работе принцип качения, имеют множество достоинств и по многим параметрам превосходят те, в которых происходит скольжение. Трение в них сопровождается минимальными потерями и незначительным нагревом. Кроме этого, важная особенность этих узлов заключается еще и в том, что они менее требовательны к количеству и качеству смазочного материала. Безупречная работа подшипников качения возможна в течение очень продолжительного времени, а число оборотов или количество часов, в течение которых деталь может уверенно эксплуатироваться в определенных условиях, называют долговечностью изделия. Это важная характеристика, которую используют механики во всем мире, чтобы избежать внезапных поломок техники и, как следствие, ее внеплановых ремонтных простоев.

Говоря проще, работа с подшипниками качения сервисных служб заключается в замене детали после того, как его долговечность подойдет к концу. Параметр этот сложно назвать характеристикой, претендующей на высокую точность, но, тем не менее, в наши дни это второй способ после диагностики, который позволяет определить срок службы изделия. Количество часов или период времени работы опоры отсчитываются от начала ее использования, до появления первых очевидных признаков усталостного разрушения на ее элементах, таких как кольца, сепаратор и тела качения. Если в учет берется только та усталость, которая может проявиться на рабочих поверхностях детали, то при оценке долговечности работающей детали выдерживают два следующих условия работы подшипника:

• Как скорость, так и параметры нагрузок на опору при испытании должны полностью совпадать с теми, которые присутствуют в реальных условиях эксплуатации;
• Все время эксплуатации подшипник должен быть смазан в полном соответствии с требованиями производителя.

Как показывает накопленный многими поколениями механиков опыт, основной причиной того, что реальная долговечность узла отличается от заявленной, является не усталость материала, наступившая преждевременно. Более вероятны неправильный выбор подшипника, несоответствующий требованиям тип смазки, попадание внутрь узла инородных частиц или превышение расчетных скоростей и нагрузок.

Что такое номинальная долговечность

Номинальная долговечность подшипника – это срок службы изделия с уровнем надежности не менее 90%. Обычно средний срок эксплуатации партии изделий существенно превышает номинальную долговечность. Параметр этот выражают в таких величинах как L10, или миллионах оборотов, или немного реже в L10h, то есть в рабочих часах. Значение номинальной долговечности L10 определяют по формуле, утвержденной международным стандартом ISO 281:

В этой формуле под динамической грузоподъемностью понимают нагрузку на подшипники, имеющую постоянную величину, при условии, что внешние кольца опор полностью неподвижны, а внутренние вращается вместе с валом или осью, при этом имея номинальную долговечность 1 миллион оборотов. Для радиальных подшипников динамическая грузоподъемность принимается как нагрузка, действующая перпендикулярно оси изделия строго по центру. Для упорных деталей такая грузоподъемность равна нагрузке, имеющей постоянную величину, воздействующей в центре оси детали. Согласно принятым в мире правилам, динамическая нагрузка радиальных опор обозначается как Cr, а упорных – Са.

Расчетная величина, которую, называют эквивалентной динамической нагрузкой и обозначают буквой P, равна радиальной нагрузке, постоянной по величине, для подшипников радиального типа и осевой нагрузке для изделий, относящихся к упорному типу. Представленный нами расчет является упрощенной версией развернутой формулы, учитывающей многочисленные условия работы изделия. Во внимание берутся такие факторы:
• Предел усталости материала;
• Чистота слоя нанесенной на элементы смазки;
• Наличие дополнительных присадок в смазке;
• Трение внутри подшипника;
• Распределение нагрузки внутри детали;
• Значение нагрузки, действующей на изделие.

Важный принцип точного расчета гласит, что все эти факторы действуют в комплексе и, в зависимости от значений тех или иных факторов, результат может быть очень разным. В связи с этим расчетную часть работы по определению тех или иных параметров подшипникового узла должен выполнять специалист, имеющий высокую квалификацию и опыт работы.

Предел скорости вращения подшипника

Важная часть процесса подбора любого подшипника – это определение предела скорости его вращения. Эта величина определяется как самая высокая скорость, с которой может вращаться опора в процессе эксплуатации, при условии, что его характеристики не будут нарушены, а расчетный срок службы – снижен. Учитывая принцип работы подшипника качения, на этот показатель влияет целый комплекс факторов, среди которых важнейшими можно считать тип изделия, направление и величину нагрузки, устройство сепаратора, величина зазора, тип и количество смазки. Если эксплуатируются подшипники качения при высоких температурах, то играет роль также то, из какого материала он изготовлен и как происходит его охлаждение.

Данные о пределе скорости вращения того или иного узла можно получить методом расчетов, но при подборе детали в условиях производства чаще всего пользуются специальными таблицами. В справочных материалах указываются величины как для тех случаев, когда смазка выполняется жидким маслом, так и для пластичного типа смазочного материала. Бывает и так, что специалист не имеет достаточно информации об изделии, чтобы точно определить предел скорости вращения. Например, неизвестен тип смазки и ее количество, но есть другие данные. В таком случае обычно принимается предел скорости значением 75% от указанного в таблице.

В особых случаях, когда узел работает в сложных условиях, например под большими нагрузками, или имеет невысокую номинальную долговечность (менее 75 тысяч рабочих часов), табличные данные принято корректировать при помощи коэффициента f, на который умножают значение скорости. В некоторых случаях действует это правило и для опор, диаметр которых превышает 100 мм. Для комбинированных нагрузок, действующих во время работы на подшипник, применяют коэффициент f1, который также берется из справочной литературы.

Отдельного упоминания заслуживаютнизкоскоростные подшипники. Это особая группа продукции, требующая особого подхода к выбору и обслуживанию в процессе работы. Из-за того, что при низких скоростях вращения между поверхностями внутри подшипника не образуется эластодинамическая смазочная пленка, необходимо проводить подбор по особым методикам. Кроме этого производители рекомендуют смазывать такие детали не консистентной смазкой, а жидким маслом.