Подшипники со встроенными уплотнениями

Как встроенные уплотнения упрощают подшипниковые узлы

В машиностроении подшипники качения со встроенными уплотнениями и заложенной производителем смазкой получили широчайшее распространение. И это не случайно. Встроенные уплотнения позволяют существенно упростить подшипниковый узел — факт.

Взгляните на разницу между узлами с подшипниками без уплотнений и с уплотнениями. Разница очевидна.

Рис. 1. Подшипниковые узлы: а) подшипники без уплотнений, б) подшипники со встроенными уплотнениями

Узлы с подшипниками со встроенными уплотнениями имеют неоспоримые преимущества. Меньшее количество деталей. Отсутствие необходимости закладывать смазку при сборке. Эти факторы снижают стоимость узла в готовом изделии и повышают его надежность. Логично?

Функции уплотнения сводятся к двум основным задачам: удержание смазки внутри подшипника и защита от попадания влаги и механических частиц из внешней среды.

На выбор типа уплотнения влияют конкретные факторы:

• ✓ Характеристики внешней среды — влажность, запыленность, наличие твердых частиц
• ✓ Допустимый уровень тепловыделения и потерь на трение

Нагрев уплотнения зависит, прежде всего, от окружной скорости кромки уплотнения и силы прижатия уплотнения к кромке. Это важно понимать при выборе.

Типы уплотнений для подшипников с цилиндрической поверхностью

Производители подшипников предлагают уплотнения различной конструкции. Их можно разбить на три основные группы: бесконтактные, контактные и уплотнения малого трения.

Бесконтактные защитные шайбы: когда применять

Бесконтактные уплотнения подшипников фирмы SKF представляют собой стальные штампованные шайбы, неподвижно устанавливаемые в наружное кольцо подшипника. Нижняя кромка шайбы с внутренним кольцом подшипника образует лабиринтное уплотнение.

Рис. 2. Защитные шайбы: а) без выточки на кольце, б) с выточкой на кольце

Основное достоинство защитных шайб — малое сопротивление трению. Такие подшипники применяются при высоких скоростях вращения колец. Но есть и недостатки: слабая защищенность от пыли и невозможность работы при контакте с водой или погружении.

Контактные уплотнения: максимальная защита

Подшипники SKF с контактными уплотнениями представлены в нескольких вариантах. Уплотнения устанавливаются неподвижно в наружное кольцо. Конструктивно это эластомер, армированный металлической шайбой.

Рис. 3. Контактные уплотнения: а) без выборки, б) с выборкой, в) с двумя кромками, г) с фаской, д) уплотнение наружного кольца

Уплотняющая кромка может сопрягаться с внутренним кольцом подшипника по-разному:

• → Без выборки на внутреннем кольце
• → С выборкой на внутреннем кольце
• → С фаской на внутреннем кольце

Предлагаются уплотнения с одной кромкой и несколькими. Уплотнение может устанавливаться на внутреннее кольцо, контактировать с наружным кольцом и иметь одну уплотняющую кромку.

Конструкция контактного уплотнения, предлагаемая потребителю, зависит от серии и размера подшипника и указывается в его дополнительном обозначении.

Контактные уплотнения отличаются высокой степенью защиты от пыли, хорошо удерживают смазку и могут работать под воздействием водной среды. Из-за трения в месте контакта подшипники с этим типом уплотнения удовлетворительно работают при высоких скоростях.

Уплотнения малого трения: компромисс защиты и скорости

Основной недостаток контактных уплотнений — сравнительно высокие потери на трение и, следовательно, ограничение по предельной частоте вращения.

Фирма SKF разработала уплотнения малого трения с повышенной защитой от внешней среды и при этом — высокой допустимой скоростью вращения. Такие свойства достигаются благодаря минимальному зазору между кромками уплотнения и внутренним кольцом подшипника.

Рис. 4. Уплотнение малого трения

В таблице представлены данные фирмы SKF, характеризующие встроенные уплотнения подшипников.

Таблица 1. Характеристика встроенных уплотнений подшипников

Основным преимуществом уплотнений малого трения и уплотнений с защитными шайбами производители заявляют высокую допустимую скорость вращения.

В таблице 2 приведены характеристики подшипника фирмы SKF особо легкой серии 10 с диаметром внутреннего кольца 50 мм. Видно, что подшипник с контактными уплотнениями гарантированно работоспособен при числе оборотов 5000 мин⁻¹.

Такие скорости вращения удовлетворяют большинству практических приложений, а защищенность от пыли при установке контактных уплотнений существенно выше.

Таблица 2. Предельные частоты вращения (мин⁻¹) подшипника с различными типами уплотнений

Рис. 5. Подшипники с уплотнениями Schaeffler: а) защитные шайбы, б) контактные уплотнения, в) уплотнения малого трения

Схожие характеристики имеют подшипники, производящиеся индустриальной группой Schaeffler. На рисунке представлены подшипники с встроенными уплотнениями этого производителя: с защитными шайбами Z, контактные RS, малого трения BRS.

Производители стран СНГ предлагают подшипники по ГОСТ 8882–75 «Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями». ГОСТ не регламентирует тип и конструкцию уплотнения.

Исполнения с уплотнениями имеют и другие типы подшипников. На рисунке представлены подшипники с контактными уплотнениями: шариковые, роликовые двухрядные сферические, тороидальный подшипник CARB® фирмы SKF, двухрядный радиально-упорный подшипник.

Рис. 6. Самоустанавливающиеся подшипники с уплотнениями: а) шариковый, б) роликовый, в) тороидальный подшипник, г) радиально-упорный двухрядный

Существенный минус встроенных уплотнений для двухрядных самоустанавливающихся подшипников — уменьшение допустимого перекоса колец.

Для роликовых подшипников в зависимости от серии допустимый перекос лежит в пределах 1,5°…3,5°. При установке уплотнений значение перекоса падает до 0,5°, то есть в 3…7 раз!

Для шариковых подшипников без уплотнений допустимый перекос лежит в пределах 2,5°…3,0°, а с уплотнениями — до 1,5°. Для тороидальных подшипников допустимый перекос, как с уплотнениями, так и без уплотнений, составляет 0,5°.

Подшипники со сферической поверхностью: компенсация перекосов

Обеспечить увеличение допустимого монтажного перекоса при встроенных уплотнениях призваны широко применяемые подшипники со сферической наружной поверхностью — вставные подшипники.

Они поставляются только со встроенными уплотнениями и позволяют компенсировать монтажный перекос до 5° без возможности замены смазки и до 2° при необходимости периодического смазывания. Допустимый перекос колец (например, от прогиба вала под нагрузкой) составляет до 3'. Напомним, что для двухрядных шариковых и роликовых подшипников этот параметр существенно выше.

Рис. 7. Типы уплотнений подшипников SKF: а) с уплотняющей крышкой, б) с уплотнением и крышкой, в) с дополнительной крышкой, г) с дополнительной уплотняющей крышкой

Чаще всего для вставных подшипников используются контактные уплотнения.

На рисунке 7, а представлено уплотнение подшипника SKF с крышкой, объединенной с уплотняющей кромкой. Уплотняющая кромка сопрягается с внутренним кольцом. Такой тип уплотнения применяется и для подшипников с цилиндрическим наружным кольцом.

Уплотнение на рисунке 7, б имеет развитое защитное кольцо, предохраняющее уплотняющую кромку от воздействия внешней среды.

Для работы в загрязненной среде в дополнение к стандартному уплотнению устанавливают отбойную шайбу. На рисунке 7, в изображено уплотнение подшипников фирмы SKF с дополнительной крышкой, образующей лабиринтное уплотнение перед защитной кромкой.

На рисунке 7, г дополнительная крышка имеет уплотняющую кромку. Такое уплотнение применяется для очень загрязненной внешней среды.

Уплотнения подшипников фирмы INA (индустриальная группа Schaeffler), SNR имеют сходную конструкцию.

Рис. 8. Типы уплотнений подшипников SNR: а) с уплотняющей крышкой, б) с уплотнением и крышкой, в) бесконтактное лабиринтное уплотнение

На рисунке 8, а представлено уплотнение с уплотняющей крышкой. На рисунке 8, б — уплотнение с тремя уплотняющими кромками и крышкой, а на рисунке 8, в – бесконтактное лабиринтное.

Для понимания тонкостей применения того или иного вида уплотняющей системы необходимо обратиться к каталогам и техническим консультантам фирм-изготовителей.

Смазка и обслуживание: что нужно знать

Подшипники с уплотнениями поставляются заполненными смазкой, выбранной производителем. Чаще всего объем смазки составляет 25…35% от свободного объема подшипника.

Типовой диапазон рабочих температур –20°C…100°C, с допускаемым кратковременным нагревом до 120°C. Эти данные необходимо уточнить у выбранного производителя при проектировании подшипникового узла.

Двухрядные роликовые подшипники с уплотнениями и вставные подшипники могут подвергаться периодической замене смазки. Интервалы замены зависят от:

• ★ Действующей нагрузки
• ★ Размера подшипника
• ★ Частоты его вращения
• ★ Рабочей температуры

Интервалы указываются в каталогах производителей. Остальные типы подшипников в процессе эксплуатации не обслуживаются.

Материалы уплотнений: NBR, FKM, HNBR

Чаще всего для встроенных уплотнений используются те же материалы, что и для внешних:

• ☑ Бутадиен-нитрильный каучук (NBR)
• ☑ Фторкаучук (FKM)
• ☑ Гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR)

Выбор материала зависит от условий применения. Стандартное уплотнение изготавливается из материала NBR. Уплотнение армировано листовой сталью.

Что выбрать? Зависит от конкретной задачи. NBR — универсальный вариант для большинства применений. FKM — для высоких температур и агрессивных сред. HNBR — компромисс между стойкостью к температуре и механическими свойствами.

Михаил Гранкин,
инженер — конструктор
grankin@mail.ru

Литература

1. Каталог фирмы SKF (Швеция). Общий каталог. — 2006, 1129 с.
2. Каталог фирмы SKF (Швеция). Y-bearings and Y-bearings units, № 5001E. — 2004, 227 с.
3. Каталог фирмы INA/FAG (Германия). Подшипники качения. — 2009, 1641 с.
4. Каталог фирмы INA (Германия). Radial insert ball bearings. Housing units, № 011–357–681/520. — 2003, 272 с.
5. Каталог фирмы SNR (Франция). Industry General Catalogue. — 2009, 707 c.
6. ТУ ВНИПП. 016–03. Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями со сферической наружной поверхностью наружного кольца. Вкладышные подшипники. — 2003, 30 с.
7. Гранкин М. Г. Вставные подшипники и узлы, журнал РИТМ. — № 9, 2009 г., с. 38–43
8. Гранкин М. Г. Практический справочник по выбору деталей машин. — Феникс, Ростов-на-Дону, 2011, 498 с.