Быстроходные подшипники

Быстроходные подшипники

Быстроходные подшипники

По частоте вращения различают группы подшипников качения, указанные в табл. 53.

К первой группе принадлежат стандартные подшипники, для которых среднее значение nd = 0,3·106, а максимальное (шариковые и роликовые подшипники малого диаметра легких серий) (0,5—0,6)·106.

Для достижения более высокой частоты вращении необходимо существенно изменить конструкцию и способы смазки подшипников.

Сверхбыстроходные подшипники (nd>2) еще не вышли из экспериментальной стадии и встречаются в машиностроении в единичных исполнениях.

Для опор быстроходных валов применяют, как правило, радиальные и радиально-упорные шариковые подшипники, обладающие благодаря точечному контакту наименьшим коэффициентом трения. При повышенных радиальных нагрузках применяют роликовые подшипники с облегченными роликами.

Группы подшипников качения по частоте вращения

Конструкция быстроходных подшипников

Тепловыделение в подшипнике возрастает пропорционально нагрузке, а долговечность уменьшается примерно пропорционально кубу нагрузки, поэтому в конструкции опор главное внимание должно быть обращено на снижение рабочих нагрузок и устранение внутренних циркулирующих нагрузок.

Рабочие нагрузки снижают:

- уменьшая массу ротора и связанных с ним вращающихся масс;

- тщательной статической и динамической балансировкой роторов;

- устранением одновременного действии радиальных и осевых нагрузок (нагружением одних подшипников только радиальными, других — только осевыми силами);

- параллельной установкой нескольких подшипников с равномерным распределением нагрузки между ними.

В зубчатых передачах целесообразно разгружать быстроходные валы от радиальных нагрузок посредством многопоточного привода (привод несколькими зубчатыми колесами, симметрично расположенными по окружности).

Для устранения паразитических (циркулирующих) нагрузок необходимы:

- полная разгрузка подшипников от термических сил, возникающих при тепловых деформациях системы;

- повышение точности изготовления тел качения, соблюдение строгой цилиндричности посадочных поверхностей, снижение допусков соосности, параллельности и пересечения осей;

- повышение жесткости валов и корпусов для предотвращения упругих деформаций и вызываемых ими кромочных нагрузок;

- применение умеренных посадочных натягов во избежание защемления тел качения.

Целесообразно устанавливать подшипники на сферических опорах (применять самоустанавливающиеся сферические подшипники не рекомендуется вследствие неблагоприятной для контактной прочности формы наружных беговых дорожек).

В парных установках радиальных и радиально-упорных подшипников целесообразно применять легкий пружинный натяг для выбора зазоров и предотвращения гироскопического вращения шариков ненагруженного подшипника пары.

Для снижения окружной скорости и центробежных сил тел качения рекомендуется уменьшать диаметр опорных поверхностей до пределов, допускаемых прочностью и жесткостью вала, и несущей способностью подшипников.

Быстроходные узлы уплотняют только с помощью бесконтактных уплотнений.

Особенности конструкции подшипников

Быстроходные подшипники выполняют по наиболее высоким классам точности. Особенно важна точность формы поверхностей качения и размеров тел качения Тела качения группируют с отклонениями по диаметру в комплекте не более 0,5 мкм. Зазоры между телами качения и беговыми дорожками с учетом повышенного температурного режима делают на 20—30% больше, чем в подшипниках, используемых при нормальной частоте вращения.

В шариковых подшипниках, нагруженных небольшими силами, радиус беговых дорожек для уменьшения трения делают равным 1,05—1,1 радиуса шарика (вместо обычного значения 1,03).

Для снижения центробежных сил, которые в быстроходных подшипниках могут значительно превышать рабочие нагрузки, а также для уменьшения тепловыделения, пропорционального четвертой степени окружной скорости тел качения, уменьшают диаметр шариков и средний диаметр подшипников.

Выражение (355) для центробежной силы шарика можно представить в виде

Bystrohod podsh 2

где Bystrohod podsh 3 — средний диаметр подшипника; а = dш/dср — отношение диаметра шарика к среднему диаметру; С — константа, охватывающая все постоянные факторы.

Для уменьшения центробежной силы в быстроходных подшипниках принимают (а = 0,12; D/d = 1,6; d = 1,3d) вместо обычных для подшипников легкой серии (рис. 815, a) значений (а = 0,18; D/d = 1,8; d = 1,4). Подставляя эти величины в формулу, получаем для подшипника с (а = 0,12; Рцб = 0,00095·d4), а для подшипника легкой серии Рцб = 0,0038·d4. Следовательно, при равенстве d (вид б) центробежная сила шариков в подшипнике с a = 0,12 в 4 раза меньше, чем в подшипнике легкой серии.

Уменьшение центробежной силы шариков

Дальнейшего уменьшения центробежных сил можно достичь, уменьшая d (виды в, г). При диаметре цапфы, равном 0,8 и 0,6 первоначального диаметра, и при а = 0,12 центробежная сила меньше, чем в подшипнике легкой серии, соответственно в 10 и 30 раз.

В роликовых подшипниках применяют полые ролики с отношением внутреннего диаметра к наружному 0,4—0,5 (выигрыш в центробежных силах 30—40%). Преимуществом полых роликов является возможность их охлаждения маслом изнутри.

Пробуют применять шарики с центральным отверстием диаметром до 0,6 диаметра шарика (выигрыш в массе ~50%). Через отверстия пропускают штифты, зафиксированные в сепараторе, предупреждающие касание кромок отверстий с беговыми дорожками.

Опыты изготовления полых шариков из двух полусфер, соединяемых электронно-лучевой сваркой, не дали положительного результата (быстрое разрушение шариков по сварному шву).

Сепараторы

В быстроходных подшипниках применяют жесткие сепараторы, тщательно отбалансированные и центрированные по внутренней (рис. 816, а, б) или наружной (виды в, г) обойме подшипника.

Центрирование сепараторов

Центрирование по наружной обойме облегчает подвод масла в подшипник и улучшает смазку центрирующей поверхности сепаратора. Отвод масла из подшипника обеспечивают с помощью дренажных канавок на центрирующей поверхности сепаратора.

Центрирование по внутренней обойме затрудняет подвод масла в подшипник и ухудшает смазку центрирующей поверхности. Выход масла из подшипника свободный.

Окружные скорости на центрирующих поверхностях при центрировании по наружной и внутренней обоймам одинаковы. Однако сепараторы, центрированные по внутренней обойме, изнашиваются быстрее вследствие происходящего при износе смещения центра тяжести сепаратора, сопровождающегося увеличением центробежных сил.

При одностороннем износе центр тяжести сепаратора смешается с оси вращения на величину а (рис. 817, а), равную сумме глубины лунки износа и сдвига центра тяжести сепаратора вследствие изменения его формы при износе. Возникающая при смещении центробежная сила Рцб усиливает износ, что вызывает дальнейшее увеличение эксцентриситета и центробежной силы. Вследствие этого износ сепаратора прогрессирует.

Износ сепараторов с внутренним и наружным центрированием

У сепараторов, центрированных по наружной обойме (вид б), сдвиг центра тяжести сепаратора в результате износа направлен в сторону, противоположную геометрическому смещению сепаратора. Суммарное смещение а' значительно меньше, износ происходит медленнее, и центрирование сохраняется дольше.

В шариковых и роликовых подшипниках применяют преимущественно центрирование по наружной обойме. По внутренней обойме центрируют сепараторы, выполненные из материалов с высоким коэффициентом линейного расширения (легкие сплавы, пластики), которые могут при нагреве защемиться в наружной обойме.

Центрирование по внутренней обойме применяют также в радиально-упорных подшипниках (см. рис. 816, д), где центрирование по наружной обойме затруднено формой беговых дорожек.

В радиальных шариковых подшипниках сепараторы выполняют с разъемом в экваториальной плоскости; половины сепараторов центрируют одну относительно другой и соединяют на заклепках. В роликовых радиально-упорных и трехконтактных подшипниках по условиям сборки можно применять целые сепараторы, обладающие преимуществом большей жесткости и лучшим центрированием.

В разъемных сепараторах стенки гнезд делают сферическими (рис. 818, а), что способствует созданию гидродинамической пленки на участках соприкосновения шариков с сепараторами. В целых сепараторах для облегчения обработки гнезд и удобства сборки подшипника гнезда выполняют цилиндрическими (вид б).

Формы гнезд сепараторов

Окружная скорость шариков максимальна в экваториальной плоскости симметрии А—А подшипника (рис. 819, а) и достигает очень больших значений (50—100 м/с). По мере приближения к оси вращения шариков скорость падает, становясь равной нулю на полюсах шариков. Для уменьшения потерь на трение целесообразно фиксировать шарики в гнездах на участках m, близких к полюсам, а на участках n делать разгружающие выборки. Тот же результат достигается путем придания гнездам эллиптической формы (вид б).

Фиксация тел качения в гнездах сепаратора

В роликовых подшипниках целесообразно фиксировать ролики в сепараторах с помощью цапф малого диаметра (вид в), отделяя ролики от перемычек зазорами.

Для подвода и отвода масла на внутренней и наружной поверхностях сепаратора делают осевые канавки, которые во избежание ослабления сепаратора располагают в перемычках между гнездами в шахматном порядке (рис. 820, а).

Сепараторы

Более свободный вход и выход масла обеспечивает придание нецентрированным поверхностям сепаратора многогранной (виды б, в), пиловидной (вид г) или фасонной (вид д) формы, усиленной на участках расположения гнезд.

Сепараторы, работающие при температурах <120°С, изготовляют из термически обработанных кованых алюминиевых сплавов типа дюралюминия и композитных пластиков (стеклотекстолит, балинит, тефлон со стекловолокном). Для улучшения антифрикционных качеств в композиции вводят баббитовые и бронзовые порошки, графит, дисульфид молибдена и другие твердые смазки.

Сепараторы подшипников, работающих при более высоких температурах, изготовляют из свинцовой (ЛС59-1) или никелевой латуни, кремнистых бронз (БрКЗМц1), антифрикционных чугунов (типа АЧС и ЧМ), графитизированной стали (типа (ЭИ366), медно-никелевых сплавов и термостойких пластиков (полиамиды типа ПМ-67, ДМ-3, Г-10).

Высокими износо- и коррозиестойкостью обладают сепараторы из монель-металла (68% Ni; 28% Сu; 2,5% Fe; 1,5% Мn), а также сепараторы из спеченных пористых бронз и медно-никелевых сплавов, пропитанных тефлоном с присадками Pb и MoS2.

Рабочие поверхности (центрирующие пояса, стенки гнезд) металлических сепараторов обрабатывают до параметров шероховатости Ra не выше 0,04 мкм. В пластмассовых сепараторах необходимую гладкость обеспечивают тщательной обработкой и хромированием поверхностей пресс-форм.

В бессепараторных быстроходных роликовых подшипниках ролики разделяют ступенчатыми штифтами 1 (рис. 821), которые приводятся во вращение двумя чашечными шайбами 2, жестко связанными с внутренней обоймой подшипника. Штифты прижимаются центробежными силами к беговой дорожке чашечных шайб, а в осевом направлении фиксируются упором в торцы роликов.

Бессепараторный роликовый подшипник

Условие чистого качения на линиях соприкосновения штифтов с роликами состоит в равенстве окружных скоростей штифтов и роликов:

Условие чистого качения на линиях соприкосновения штифтов с роликами

где dр и dшт — диаметры соответственно роликов и штифтов; wр и wшт — угловые скорости роликов и штифтов, соответственно равные

Bystrohod podsh 12

где w — угловая скорость центров роликов; D и Dшт — диаметры беговых дорожек соответственно внутренней обоймы и чашечных шайб; d’шт — диаметр утолщенной части штифтов.

Подставляя в уравнение (369) значения wр и wшт из уравнений (370) и (371), получаем условие чистого качения

Условие чистого качения

 Потери на трение в бессепараторных подшипниках примерно в 2 раза меньше, чем в сепараторных.

Смазка

Смазочный материал для высокоскоростных подшипников должен обладать малой вязкостью, пологой вязкостно-температурной характеристикой и способностью образовывать на металлических поверхностях прочные молекулярные пленки.

Особое значение имеет термостабильность масла. Быстроходные опоры смазывают, как правило, тонкораспыленным маслом, что приводит (вследствие резкого увеличения поверхности соприкосновения с воздухом) к быстрому окислению масла. Нерастворимые продукты окисления вызывают загустевание масла и образуют плотные отложения на металлических поверхностях (закоксовывание подшипников).

Для смазки подшипников, работающих при умеренных температурах (<200°С), применяют минеральные масла тонкой очистки с противоокислительными, антикоррозионными и противоизносными присадками [MoS2, коллоидальный графит, силиконы, органические соединения Р (трикрезилфосфат) и S (дибензолдисульфид)].

При более высоких температурах используют синтетические фторуглеродные, полифенилэфирные и парафиновые смазочные материалы (предельная длительная температура 300—350°С).

Масло подают в тонкораспыленном виде непосредственно на поверхности качения в строго дозированных количествах. Избыток масла, а также застойные явления (скопление масла на рабочих поверхностях, особенно в беговых канавках наружных обойм) резко увеличивают гидродинамические потери, вызывают перегрев и приводят к быстрому разрушению подшипников (радиально-упорные шариковые подшипники с открытыми наружными беговыми дорожками имеют в этом отношении определенное преимущество перед радиальными).

Для непрерывного теплоотвода от подшипника применяют циркуляционные системы смазки.

При струйной смазке масло, подаваемое сжатым воздухом под давлением 0,5—1 МПа, направляют на рабочую поверхность внутренней обоймы (рис. 822, а) с таким расчетом, чтобы оно вращением тел качения отбрасывалось к периферии подшипника. Отработанное масло удаляется через вырезы на наружной поверхности сепаратора.

Ввод и вывод масла в подшипники

В подшипниках, нагруженных осевой силой, и в радиально-упорных подшипниках (вид б) целесообразно подавать масло со стороны действия осевой нагрузки (светлые стрелки). При поступлении масла с обратной стороны подвод масла к точкам контакта затрудняется.

Хорошо отводится масло из беговой канавки в подшипниках с разъемной (в экваториальной плоскости) наружной обоймой. На стыке полуобойм проделывают радиальные пазы m (виды в, г), через которые масло выходит наружу.

На рис. 823 показаны примеры подшипниковых узлов со струйной смазкой.

Примеры подшипниковых узлов со струйной смазкой

Система циркуляционной смазки масляным туманом почти полностью устраняет гидродинамические потери, снижает коэффициент трения и обеспечивает интенсивный теплоотвод от подшипника при умеренном расходе смазочного материала. Однако эта система сложнее, чем струйная смазка.

Масло распыляют в специальной установке в струе осушенного воздуха (влагосодержание не более 1 г/м3). Размер частиц масла в суспензии 0,01—0,1 мкм. При повышенных температурах часть масла находится в паровой фазе.

Суспензию продувают с помощью вентилятора через подшипники. Содержание масла в суспензии и скорость продувки должны быть строго постоянными. Подача масла обычно 20—50 г/ч.

При смазке с открытым контуром в систему непрерывно подают свежее масло, а отработанное направляют в отстойник.

В замкнутых системах циркуляция происходит по контуру: распылительная установка à подшипники à отстойник à фильтр à холодильник à распылительная установка. Необходима периодическая добавка свежего масла для восполнения потерь. Иногда в систему включают (последовательно или шунтировано) установку для регенерации масла. Распыление масла в струе азота полностью устраняет окисление и позволяет повысить рабочую температуру на 50—80°С по сравнению с распылением в воздушной струе.

Повышение циклической долговечности подшипников

Долговечность быстроходных подшипников резко снижается с повышением частоты вращения. Для увеличения срока службы применяют комплекс металлургических и технологических мер.

В 5—6 раз повышают долговечность вакуумная разливка и многократный переплав стали в вакууме, обеспечивающие плотную мелкозернистую структуру и освобождающие сталь от водородной пористости, включений оксидов и нитридов, которые являются зародышами усталостных трещин.

Стали, имеющие устойчивый интервал аустенитного состояния при 500—550°С, подвергают низкотемпературной термомеханической обработке, дающей дополнительное увеличение долговечности в 3—5 раз.

Детали подшипников тщательно проверяют на дефекты (неметаллические включения, ликвация карбидов, карбидная сетка, пористость структуры) с помощью методов, из которых наиболее чувствительным является ультразвуковой.

Разработаны способы ковки и штамповки обойм, обеспечивающие расположение волокон параллельно рабочим поверхностям (рис. 824, а), что дает значительное увеличение предела выносливости по сравнению с расположением волокон в трубчатых (вид б) или осаженных (вид в) заготовках.

Расположение волокон в обоймах подшипников

Опытами установлено, что долговечность подшипников существенно увеличивается, если твердость тел качения несколько превышает твердость обойм. В быстроходных подшипниках тела качения подбирают так, чтобы колебания их твердости в комплекте не превышали 0,5 единицы HRC, а средняя твердость была больше твердости обойм на 2—2,5 HRC.

Рабочие поверхности подшипников целесообразно подвергать упрочнению путем создания в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Обоймы упрочняют обычными способами — накатыванием, обработкой на белый слой (точение термически обработанных поверхностей твердосплавными резцами по тяжелому режиму) и др.

Шарики подвергают термическому упрочнению, основанному на искусственном замедлении мартенситного превращения в поверхностном слое. Поверхность шариков насыщают азотом, который резко снижает температуру образования мартенсита. При закалке в масле с обычными скоростями охлаждения (100—150°С/с) мартенсит образуется сначала в сердцевине Наружный, насыщенный азотом слой некоторое время сохраняет аустенитную структуру и пластически деформируется под действием объемного расширения сердцевины. При дальнейшем понижении температуры происходит мартенситное превращение в поверхностном слое, сопровождаемое увеличением его объема. В результате взаимодействия с ранее отвердевшей сердцевиной поверхностный слой приобретает высокие остаточные напряжения сжатия (800—1000 МПа), резко увеличивающие предел выносливости.