Вcтавные подшипники и узлы

Проблема соосности и сферические подшипники

Почему возникают перекосы в подшипниковых узлах

Валы очень часто устанавливают на подшипниках, расположенных в отдельных корпусах. Типичный пример — валы барабанов ленточных транспортеров, лебедок и подобного оборудования. В таких конструкциях неизбежно возникает нарушение соосности посадочных отверстий подшипников из-за неточностей монтажа.

Но это не единственная проблема. При больших межопорных расстояниях и высоких нагрузках возможны значительные прогибы вала. Это приводит к отклонению от теоретической оси и возникновению перекоса в опорах.

Как быть? В таких случаях применяют сферические двухрядные шарико- и роликоподшипники. Они компенсируют перекосы и позволяют валу работать нормально даже при неидеальной соосности.

Недостатки традиционных сферических подшипников

У такой конструкции есть серьезный недостаток — относительная сложность подшипникового узла в целом. Прежде всего, это связано с уплотнением и смазкой подшипников.

В машиностроении широко применяются закрытые подшипники, заполненные смазкой. Но в случае самоустанавливающихся двухрядных подшипников торцевые уплотнения уменьшают допустимый угол перекоса с 4° до 1,5°. Разница существенная, согласитесь.

Поэтому в конструкциях с большими углами перекоса приходится устанавливать уплотнение в корпусе узла и подводить смазку к подшипнику. Это усложняет конструкцию и увеличивает стоимость.

К счастью, для подшипниковых узлов с перекосом давно найдено другое, более элегантное решение — шарикоподшипники со сферическим наружным кольцом и встроенными уплотнениями.

Вкладышные подшипники: конструкция и стандарты

Почему «вставные»?

Подшипники с наружным сферическим кольцом получили второе название — «вкладышные подшипники» или «вставные подшипники» (insert bearings). Происходит это название от технологии установки в корпус.

Представьте: развернутый на 90° относительно оси подшипник вставляется в паз на внутренней сферической поверхности корпуса и проворачивается. Просто и гениально.

Область их применения чрезвычайно широка: сельскохозяйственные и строительные машины, вентиляторы, конвейеры, моечные машины и многое другое.

Рис. 1. Сферические подшипники: двухрядный (а) и вкладышный с уплотнением (б)

Стандартизация и нормативная база

Вставные подшипники стандартизованы. Зарубежные производители ориентируются на стандарт ISO 9628:1992 «Подшипники качения — Вкладышные подшипники и эксцентриковые фиксирующие кольца».

Корпуса подшипников изготовляются с требованием стандарта ISO 3228:1993 «Подшипники качения — Литые и штампованные корпуса для вставных подшипников». Термины и определения даны в стандарте ISO 5593:1997 «Подшипники качения — Словарь».

Отечественные производители выпускают такие подшипники по ТУ (например, ТУ ВНИПП.01603, ранее ТУ 37.006.084-90).

Основные компоненты подшипника

Вставной подшипник в общем случае состоит из следующих элементов:

• наружного кольца со сферической наружной поверхностью;
• внутреннего кольца с цилиндрической посадочной поверхностью;
• шариков;
• сепаратора;
• эксцентрикового запорного кольца;
• стопорного винта;
• уплотнения;
• защитной стальной крышки;
• смазочного отверстия в наружном кольце.

Рис. 2. Конструкция вставного подшипника: 1 — наружное кольцо, 2 — сферическая поверхность, 3 — внутреннее кольцо, 4 — посадочная поверхность, 5 — шарики, 6 — сепаратор, 7 — эксцентриковое кольцо, 8 — стопорный винт, 9 — уплотнение, 10 — защитная крышка, 11 — смазочное отверстие

Способы фиксации на валу: от эксцентрикового кольца до втулки

Бесступенчатая регулировка положения

Чаще всего вкладышные подшипники допускают бесступенчатую регулировку осевого положения на валу. И различаются они, прежде всего, способом этой осевой фиксации.

Эксцентриковое запорное кольцо

На рисунке 2 представлен вставной подшипник с эксцентриковым запорным кольцом. При вращении эксцентрикового кольца оно зажимает вал и удерживается силами трения. Для предотвращения самопроизвольного откручивания в кольце предусмотрен стопорный винт.

Такая фиксация применяется в том случае, если вал вращается только в одну сторону. Почему? Потому что при реверсе кольцо может ослабнуть.

Фиксация стопорным винтом

Этот способ фиксации наиболее быстрый и применяется в случаях, если вал в процессе работы может совершать реверс вращения. Просто, надежно, быстро.

Закрепительная коническая втулка

Такая закрепительная втулка широко применяется и в обычных подшипниках. Допускается реверс вращения вала. Конструкция проверена десятилетиями эксплуатации.

Гладкое цилиндрическое отверстие

Подшипник имеет гладкое цилиндрическое отверстие. Способы фиксации стандартны для всех подшипников: упором в бурт и фиксацией шлицевой гайкой или стопорным кольцом.

Рис. 3. Способы фиксации: а — стопорным винтом, б — конической втулкой, в — гладкое отверстие

Допустимая осевая нагрузка

От способа фиксации на валу зависит допустимая осевая нагрузка на опорный узел. Для вставных подшипников со стопорным винтом и эксцентриковым запорным кольцом максимальная осевая нагрузка составляет приблизительно 20% от базовой динамической грузоподъемности.

Это соотношение справедливо при использовании незакаленного вала и нормированном моменте затяжки винта.

Для подшипников на затяжной втулке эта нагрузка зависит от момента затяжки конической втулки. При точном соблюдении требований производителя такой подшипник может воспринимать осевую нагрузку от 15 до 20% динамической грузоподъемности.

Уплотнения для разных условий эксплуатации

Два фактора выбора уплотнения

Следующим критерием выбора вставного подшипника является исполнение встроенного уплотнения. Назначение уплотнения — удержание смазки внутри подшипника и защита от попадания влаги и механических частиц из внешней среды.

На выбор типа уплотнения (а следовательно, и работоспособность) влияют два фактора:

• характеристики внешней среды: влажность, запыленность и наличие твердых частиц;
• допустимый уровень тепловыделения и потерь на трение.

В свою очередь на нагрев уплотнения влияет, прежде всего, окружная скорость кромки уплотнения и величина силы прижатия уплотнения к кромке.

Контактные уплотнения

Чаще всего для вставных подшипников используются контактные уплотнения.

Стандартное уплотнение с крышкой

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 с защитным кольцом

Имеет развитое защитное кольцо, предохраняющее уплотняющую кромку от воздействия внешней среды. Дополнительная защита никогда не помешает.

Лабиринтное уплотнение

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

Уплотнение для очень загрязненной среды

Дополнительная крышка имеет уплотняющую кромку. Такое уплотнение применяется для очень загрязненной внешней среды. Двойная защита — двойная надежность.

Рис. 4. Типы уплотнений: а — с крышкой, б — с защитным кольцом, в — лабиринтное, г — для загрязненной среды

Рис. 5. Варианты исполнения уплотняющих элементов

Скорость вращения, посадки и смазка

Влияние посадки на допускаемую скорость

Важнейшим параметром, определяющим работоспособность и долговечность подшипников, является допускаемая скорость вращения, которая зависит, в том числе, от правильно назначенной посадки на вал.

В таблице 1 приведены рекомендуемые для подшипников производства SKF допускаемые скорости и рекомендуемые посадки. Нетрудно заметить, что с увеличением поля допуска вала резко падает допускаемая скорость вращения.

Рекомендуемая шероховатость поверхности Ra ≤ 12,5 мкм.

Таблица 1. Рекомендуемые посадки и допускаемые скорости

Смазка: когда нужна замена?

Все вставные подшипники поставляются с заложенной смазкой. Дополнительная смазка (замена) в процессе эксплуатации не требуется в следующих случаях:

• нагрузки и скорости вращения относительно невелики;
• подшипники не подвергаются воздействию вибрации;
• рабочая температура не поднимается выше +40...+55°С.

Соответственно, при худших условиях работы подшипникового узла замена смазки необходима. Эта операция продлевает срок службы подшипника. Тип рекомендуемой смазки и интервалы обслуживания приводятся в каталогах производителей.

Отметим, что стальные штампованные корпуса не снабжаются масленками, соответственно, замена смазки в них невозможна. Масленку имеют литые чугунные и композитные корпуса.

Очень часто в подшипники, установленные в композитные корпуса, закладывают смазку, разрешенную к применению в пищевой промышленности.

Температурный диапазон

Как правило, вставные подшипники имеют рабочий диапазон температур -20...+120°С. Допустимая температура зависит от материала сепаратора, уплотнения и вида заложенной смазки.

Производители предлагают подшипники специальных исполнений, расширяющих рабочие температуры, вплоть до -150...+350°С.

Типы корпусов: чугунные, штампованные и композитные

Три основных типа корпусов

Подшипники с наружной сферической поверхностью могут поставляться в сборе с корпусом. Чаще всего так и происходит. Производители предлагают три типа корпусов.

Литые чугунные корпуса

Предназначены для работы с полной динамической и статической нагрузкой установленного подшипника. Применяют их при высоких нагрузках и скоростях, сильном загрязнении окружающей среды и высоких температурах.

Это самый надежный, но и самый дорогой вариант.

Корпуса из композитного материала

Стеклонаполненный полиамид, армированный стальной спиралью. Предназначены для работы в агрессивной коррозионной среде и в областях промышленности с особыми требованиями к чистоте, например, в пищевой промышленности.

Отметим, что чаще всего в такие корпуса устанавливаются подшипники из нержавеющей стали. Несущая способность композитных корпусов (как и литых чугунных) соответствует нагрузкам подшипника.

Штампованные стальные корпуса

Легче и дешевле чугунных. Однако их нагрузочная способность ниже, поэтому их можно использовать только при малых нагрузках и скоростях вращения.

При расчете подшипника, установленного в такой корпус, его грузоподъемность снижают приблизительно в 2 раза. Точные значения приведены в каталогах производителей.

Рис. 6. Типы корпусов: а — литой чугунный, б — штампованный стальной, в — композитный

Способы установки: фланцевые, лапчатые и натяжные корпуса

Три класса по способу установки

По способу установки подшипникового узла на проектируемый агрегат их корпуса делятся на три класса: фланцевые, на лапах и натяжные. Способ их крепления очевиден и соответствует названию.

Корпуса фланцевые и лапчатые изготавливаются из всех видов материалов (чугунные литые, стальные штампованные и композитные). Натяжные корпуса чаще всего литые чугунные.

Разнообразие исполнений

Каждый из видов корпусов имеет разнообразное исполнение.

Фланцевые литые корпуса

Могут иметь квадратную или круглую форму с четырьмя крепежными отверстиями или овальную форму с двумя крепежными отверстиями. Крепежные отверстия имеют круглую форму для установки силового крепежа.

Фланцевые штампованные корпуса

Имеют круглую или треугольную форму с тремя крепежными отверстиями. Также существует корпус овальной формы с двумя отверстиями.

В штампованных корпусах крепежные отверстия выполняют не круглыми, а квадратными. Это позволяет устанавливать не только обычные болты с шестигранной головкой, но и болты с квадратным подголовком.

Лапчатые корпуса

Представлен лапчатый литой корпус с увеличенной базой крепежных отверстий. Отверстия выполнены в форме овалов, что позволяет компенсировать позиционные погрешности.

Представлен литой лапчатый корпус с уменьшенной базой крепления. В таком корпусе выполнены резьбовые отверстия. В случае неточного изготовления компенсационные отверстия должны быть в ответной детали.

Представлен стальной штампованный корпус с лапами.

Рис. 7-9. Исполнения корпусов: фланцевые (круглые, квадратные, овальные), лапчатые

Концевые крышки

Для подшипниковых опор, вал которых оканчивается под опорой, производители предлагают концевые крышки. Такая крышка дополнительно защищает опору от грязи и может быть установлена в любые литые корпуса.

Чаще всего крышку изготовляют из полипропилена. При проектировании и установке опоры необходимо предотвратить касание вала и крышки.

Рис. 10-12. Концевые крышки и дополнительные элементы защиты

Методика расчета подшипника на долговечность

Исходные данные для расчета

Исходными данными для расчета вставного подшипника являются:

• радиальная нагрузка Fr, кН;
• осевая нагрузка Fa, кН;
• обороты вала, n, мин⁻¹;
• необходимый ресурс Lh, ч.

Методика подбора вставного подшипника не отличается от расчета любого другого шарикового подшипника и основана на уравнении долговечности.

Рис. 13. Схема действия радиальной и осевой нагрузок на подшипник

Эквивалентная нагрузка

Вначале определяется эквивалентная нагрузка P, кН, по формулам:

P = Fr, при (Fr / Fa) ≤ e

P = X·Fr + Y·Fa, при (Fr / Fa) > e

где X и Y — коэффициенты, учитывающие разное повреждающее воздействие радиальной и осевой нагрузки, e — параметр осевого нагружения.

Коэффициенты e, X и Y зависят от конструктивных особенностей подшипников и соотношения (Fa / C₀), где C₀, Н — статическая грузоподъемность подшипника. Конкретные значения этих коэффициентов приводятся в каталогах производителей.

Требуемая динамическая грузоподъемность

Для подшипников с чисто радиальной нагрузкой можно определить требуемую динамическую грузоподъемность C, кН при постоянной скорости вращения по формуле:

Формула 1. Расчет требуемой динамической грузоподъемности

В таблице 3 приведены ориентировочные значения необходимой долговечности в зависимости от типа машины, в которой применяется вставной подшипник.

Таблица 3. Требуемая долговечность для различных типов машин

Проверочный расчет долговечности

Для подшипников с радиально-осевой нагрузкой необходимо предварительно выбрать тип и размер подшипника и определить коэффициенты X, Y и e, а затем и эквивалентную нагрузку P.

Тогда долговечность подшипника Lh, ч становится проверочной величиной и определяется по формуле:

Формула 2. Проверочный расчет долговечности подшипника

Характеристики подшипников SKF и INA

В таблице 2 приведены геометрические размеры и несущая способность вставных подшипников с эксцентриковым запорным кольцом фирм SKF (Швеция)/INA (Германия). Вид уплотнения — с уплотняющей крышкой.

Подшипники с более сложной конструкцией уплотнения имеют большую длину. Характеристики других типов подшипников можно найти у производителей. Максимальная скорость вращения приведена для вала с посадкой h6.

Таблица 2. Геометрические размеры и несущая способность подшипников

Заключение

Почему вставные подшипники заслуживают внимания

Вставные подшипники не получили широкого распространения в СССР. Они производились, прежде всего, для нужд сельскохозяйственного машиностроения. Комплексное решение — поставка подшипникового узла — вообще не осуществлялась.

Между тем, это целый класс проверенных стандартных конструкций опор длинномерных валов. Сегодня, благодаря присутствию зарубежных фирм, весь спектр этой продукции доступен отечественным инженерам.

Что это дает? Упрощение конструкции, снижение стоимости, повышение надежности. Разве это не то, к чему должен стремиться каждый конструктор?

Михаил Гранкин

инженер – конструктор

grankin@mail.ru

Литература:

1. Каталог фирмы SKF (Швеция). Y-bearings and Y-bearings units, № 5001E. — 2004, 227 с.

2. Каталог фирмы INA (Германия). Radial insert ball bearings. Housing units, № 011357681/520. — 2003, 272 с.

3. Каталог фирмы SNR (Франция). Industry General Catalogue. — 2009, 707 c.

4. Орлов П.И. Основы конструирования. — М, 1988, в 2-х книгах.

5. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.

6. ТУ ВНИПП.01603. Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями со сферической наружной поверхностью наружного кольца. Вкладышные подшипники. — 2003, 30 с.