Общие сведения
В машиностроении широкое распространение получили подшипники качения со встроенными уплотнениями и заложенной производителем смазкой. Встроенные уплотнения позволяют существенно упростить подшипниковый узел. На рис. 1 представлены варианты конструкции с использованием подшипников без уплотнений (рис. 1, а) и с уплотнениями (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1. Подшипниковые узлы: а) подшипники без уплотнений, б) подшипники со встроенными уплотнениями.
Как следует из анализа рис. 1, узлы с подшипниками со встроенными уплотнениями имеют следующие преимущества: меньшее количество деталей и отсутствие необходимости закладывать смазку при сборке. Эти факторы снижают стоимость узла в готовом изделии и повышают его надежность.
Функции уплотнения — удержание смазки внутри подшипника и защита от попадания влаги и механических частиц из внешней среды. На выбор типа уплотнения влияют следующие факторы: характеристики внешней среды — влажность, запыленность и 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.
Подшипники с цилиндрической наружной поверхностью
Производители подшипников предлагают уплотнения различной конструкции. Их можно разбить на три группы: бесконтактные; контактные; уплотнения малого трения. На рис. 2 показаны бесконтактные уплотнения подшипников фирмы SKF. Они представляют собой стальные штампованные шайбы, неподвижно устанавливаемые в наружное кольцо подшипника. Нижняя кромка шайбы с внутренним кольцом подшипника образует лабиринтное уплотнение.
а) б)
Рис. 2. Защитные шайбы: а) без выточки на кольце, б) с выточкой на кольце.
Таблица 1.
Характеристика встроенных уплотнений подшипников.
Основным достоинством защитных шайб является малое сопротивление трению. Такие подшипники применяются при высоких скоростях вращения колец. К недостаткам следует отнести слабую защищенность от пыли и невозможность работы при контакте с водой или погружении (см. таблицу 1).
а) б) в) г) д)
Рис. 3. Контактные уплотнения: а) без выборки, б) с выборкой, в) с двумя кромками, г) с фаской, д) уплотнение наружного кольца.
На рис. 3 представлены подшипники SKF с контактными уплотнениями. Уплотнения на рис. 3, а — 3, г устанавли-ваются неподвижно в наружное кольцо. Конструктивно это эластомер, армированный металлической шайбой. Уплотняющая кромка может сопрягаться с внутренним кольцом подшипника, не имеющим выборки (рис. 3, а); выборкой на внутреннем кольце (рис. 3, б, в); фаской на внутреннем кольце (рис. 3, г).
Предлагаются уплотнения с одной кромкой (рис. 3, а, б, г, д) и несколькими (рис. 3, в). Уплотнение на рис. 3, д устанавливается на внутреннее кольцо, контактирует с наружным кольцом и имеет 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 уп-лотнения удовлетворительно работают при высоких скоростях (см. таблицу 1).
Рис. 4. Уплотнение малого трения.
Основной недостаток контактных уплотнений — сравнительно высокие потери на трение, и, следовательно, ограничение по предельной частоте вращения. Фирма SKF разработала уплотнения малого трения (рис. 4) с повышенной защитой от внешней среды и при этом — высокой допустимой скоростью вращения (см. таблицу 1). Такие свойства достигаются благодаря минимальному зазору между кромками уплотнения и внутренним кольцом подшипника.
В таблице 1 представлены данные фирмы SKF, характеризующие встроенные уплотнения 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 (см. таблицу 1).
Таблица 2.
Предельные частоты вращения (мин–1) подшипника с различными типами уплотнений.
а) б) в)
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 рис. 5 представлены подшипники с встроенными уплотнениями этого производителя: с защитными шайбами Z (рис. 5, а); контактные RS (рис. 5, б); малого трения BRS (рис. 5, в).
Производители стран СНГ предлагают подшипники по ГОСТ 8882–75 «Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями». ГОСТ не регламентирует тип и конструкцию уплотнения.
а) б) в) г)
Рис. 6. Самоустанавливающиеся подшипники с уплотнениями: а) шариковый, б) роликовый, в) тороидальный подшипник, г) радиально-упорный двухрядный.
Исполнения с уплотнениями имеют и другие типы подшипников. На рис. 6 представлены подшипники с контактными уплотнениями. На рис. 6, а приведены примеры шариковых, а на рис. 6, б роликовых двухрядных сферических подшипников с уплотнениями. На рис. 6, в изображен тороидальный подшипник CARB® фирмы SKF. Двухрядный радиально-упорный подшипник представлен на рис. 6, г.
Существенным минусом встроенных уплотнений для двухрядных самоустанавливающихся подшипников является уменьшение допустимого перекоса колец. Для роликовых подшипников в зависимости от серии допустимый перекос лежит в пределах 1,5?…3,5?. При установке уплотнений (рис. 6, б) значение перекоса падает до 0,5?, т. е. в 3…7 раз! Для шариковых подшипников без уплотнений допустимый перекос лежит в пределах 2,5?…3,0?, а с уплотнениями (рис. 6, а) до 1,5?. Для тороидальных подшипников допустимый перекос, как с уплотнениями, так и без уплотнений, составляет 0,5?.
Подшипники со сферической наружной поверхностью
Обеспечить увеличение допустимого монтажного перекоса при встроенных уплотнениях призваны широко применяемые подшипники со сферической наружной поверхностью — вставные подшипники (рис. 7). 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.
а) б) в) г)
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 (рис. 7). На рис. 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 рис. 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 рис. 7, в изображено уплотнение подшипников фирмы SKF с дополнительной крышкой, образующей лабиринтное уплотнение перед защитной кромкой. На рис. 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. На рис. 8, а представлено уплотнение с уплотняющей крышкой. На рис. 8, б представлено уплотнение с тремя уплотняющими кромками и крышкой, а на рис. 8, в – бесконтактное лабиринтное. Для понимания тонкостей применения того или иного вида уплотняющей системы необходимо обратиться к каталогам и техническим консультантам фирм-изготовителей.
а) б) в)
Рис. 8. Типы уплотнений подшипников SNR: а) с уплотняющей крышкой, б) с уплотнением и крышкой, в) бесконтактное лабиринтное уплотнение.
Смазка подшипников с уплотнениями
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, а также рабочей температуры и указываются в каталогах производителей. Остальные типы подшипников в процессе эксплуатации не обслуживаются.
Материалы уплотнений
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.
Михаил Гранкин,
инженер — конструктор
grankin@mail.ru
Литература
- Каталог фирмы SKF (Швеция). Общий каталог. — 2006, 1129 с.
- Каталог фирмы SKF (Швеция). Y-bearings and Y-bearings units, № 5001E. — 2004, 227 с.
- Каталог фирмы INA/FAG (Германия). Подшипники качения. — 2009, 1641 с.
- Каталог фирмы INA (Германия). Radial insert ball bearings. Housing units, № 011–357–681/520. — 2003, 272 с.
- Каталог фирмы SNR (Франция). Industry General Catalogue. — 2009, 707 c.
- ТУ ВНИПП. 016–03. Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями со сферической наружной поверхностью наружного кольца. Вкладышные подшипники. — 2003, 30 с.
- Гранкин М. Г. Вставные подшипники и узлы, журнал РИТМ. — № 9, 2009 г., с. 38–43
- Гранкин М. Г. Практический справочник по выбору деталей машин. — Феникс, Ростов-на-Дону, 2011, 498 с.