Упорные шариковые подшипники

Упорные шариковые подшипники

Упорные шариковые подшипники применяют в тяжелонагруженных опорах при небольших частотах вращения.

Частота вращения упорных подшипников ограничена происходящим при больших частотах вращения смещением шариков с оси симметрии беговых дорожек под действием центробежных сил (рис. 788, а)

Под действием центробежных сил может сместиться и сепаратор (вид б). И в том и в другом случае вследствие отклонения точек контакта К от нормального положения нарушается правильное качение роликов, и трение в подшипнике резко возрастает.

Центробежные силы и гироскопические моменты в упорных шариковых подшипниках

Гироскопические моменты вызывают вращение шариков вокруг оси, касательной к направлению окружной скорости центров шариков. Величина гироскопического момента определяется по формуле (357), если положить в ней β = 90° и D' = dcp:

Величина гироскопического момента

Минимальная нагрузка А (рис. 788, в), при которой не происходит вращения, согласно формуле (359).

Upurn sharik podsh 3

Рассчитаем подшипник 8220 средней серии (d = 10 см; D = 15 см; d = 12,5 см; dш = 2 см; z = 18). Примем n = 1000 об/мин (w = πn/30 = 105 рад/с ); коэффициент трения f = 0,02.

Угловая скорость центров шариков по формуле (350)

Угловая скорость центров шариков

Центробежная сила шарика по формуле (355)

Центробежная сила шарика

Гироскопический момент по формуле (367)

Гироскопический момент

Минимальная осевая сила, при которой не происходит вращения, по формуле (368)

Минимальная осевая сила, при которой не происходит вращения

При монтаже однорядных упорных подшипников на вертикальных валах не рекомендуется центрировать свободное (т. е. сидящее на валу с зазором) кольцо 1 в корпусе (рис. 789, а), так как из-за практически неизбежной несоосности центрирующих поверхностей на валу и в корпусе шарики могут сместиться с оси симметрии беговых дорожек, и правильная работа подшипника нарушится.

Установка упорных подшипников на вертикальных валах

Целесообразно центрировать одно из колец 2 на валу (вид б) или 3 в корпусе (вид в), а другому дать свободу поперечного перемещения. Под действием нагрузки (а без нее под действием силы тяжести вала) свободное кольцо самоцентрируется относительно шариков.

Для предотвращения изгиба колец подшипника под нагрузкой рекомендуется увеличивать диаметр опорных поверхностей вала и корпуса по крайней мере до средней окружности шариков (конструкция а неправильная; б, в — правильные).

В тяжелонагруженных опорах целесообразно применять самоустанавливающиеся упорные подшипники со сферическими опорными поверхностями. Самоустанавливаемость опор устраняет влияние перекосов, торцового биении опорных буртиков и т. д., способствует равномерному нагружению шариков и увеличивает долговечность подшипника.

При установке упорных подшипников в сочетании со сферическими самоустанавливающимися радиальными подшипниками нельзя применять упорные подшипники с плоскими поверхностями (рис. 790, а), препятствующими самоустановке. Необходимо применять упорные подшипники со сферической опорной поверхностью или устанавливать плоские подшипники на сферических шайбах (вид б). Центр сферы шайбы опорной поверхности должен совпадать с центром сферы радиального подшипника.

Самоустанавливающиеся упорные подшипники

При установке однорядных упорных подшипников на горизонтальных валах необходима осевая фиксация вала в направлении, противоположном действию рабочей нагрузки. Чаще всего вал фиксируют посредством упорного подшипника, делая все радиальные опоры вала плавающими. В корпусе подшипник устанавливают в замкнутом гнезде, одна из сторон которого — а (рис. 791) является несущей, а противоположная b — фиксирующей. На валу со стороны, противоположной силовому буртику 1, устанавливают фиксирующий упор 2. Во избежание соприкосновения вращающихся и неподвижных элементов предусматривают осевые зазоры (s в корпусе и t на валу) в несколько десятых миллиметра. Таким образом, в соединении образуется осевой зазор s + t.

Установка упорных подшипников

Вращающееся кольцо устанавливают на валу с натягом по посадочному поясу. Неподвижное кольцо отделено от вала радиальным зазором u = v + w, где v — полуразность диаметров отверстий вращающегося и неподвижного колец (в стандартных подшипниках v = 0,2—0,5 мм), a w — полуразность диаметров посадочного пояса и вала. В общей сложности зазор u достигает 0,3—0,5 мм.

В противоположность вертикальным опорам плавающая установка неподвижного кольца в горизонтальных опорах не рекомендуется. При остановках агрегата, при пульсациях и случайных переменах направления нагрузки вал отходит от подшипника на расстояние s + t (осевой зазор), и незакрепленное кольцо, смещаясь в пределах радиального зазора u, зависает на валу (рис. 792, a).

Установка упорных подшипников на горизонтальных валах

Последующее приложение осевой нагрузки не возвращает кольцо в концентричное положение, так как радиальная составляющая сил давления незначительна вследствие пологости профиля беговых канавок на участках, близких к контактным. Шарики с сепаратором устанавливаются эксцентрично по отношению к вращающемуся кольцу, причем эксцентриситет увеличивается под действием центробежной силы Рцб, возникающей при смещении центра тяжести комплекта шариков с сепаратором относительно оси вращения.

В результате правильное качение шариков нарушается, линии контакта отклоняются от нормали, и трение возрастает.

Центрирование неподвижного кольца (вид б) только частично исправляет недостаток конструкции. При отходе вала от подшипника кольца раздвигаются в пределах осевого зазора t, шарики вместе с сепаратором под действием силы тяжести и центробежной силы занимают эксцентричное положение (вид в), и в подшипнике возникают те же явления, что и в предыдущем случае. Их можно ослабить, уменьшая зазор t до минимальной величины (0,1—0,2 мм).

Наиболее правильно сжать кольца подшипника пружинами, поддерживающими в подшипнике постоянный натяг при всех возможных перемещениях вала (вид г).

Пружины устанавливают со стороны неподвижного кольца (рис. 793, а), в установках двустороннего действия с использованием однорядных подшипников — в промежуточных упорных дисках (виды б, в), а в двухрядных подшипниках — с обеих сторон подшипника (вид г).

Установка упорных подшипников с пружинами

Достаточно сильный пружинный натяг предупреждает смещение шариков под действием центробежных сил и их вращение под действием гироскопических моментов, снижает трение и позволяет повысить быстроходность подшипников. Натяг нагружает шарики дополнительно к рабочей нагрузке, но благодаря упорядоченному качению шариков несущая способность подшипника в конечном счете возрастает.

При большой силе пружин неподвижное кольцо можно не центрировать (см. виды в, г).

Делают попытки использования однорядных шариковых подшипников для несения осевых нагрузок в обоих направлениях. В установках обычного типа это неосуществимо, так как в подшипнике, нормально рассчитанном на нагрузки в одном направлении (зачерненная стрелка на рис. 794, a) при реверсировании нагрузки (светлая стрелка) левое кольцо должно вращаться по посадочному поясу.

Установка однорядного упорного подшипника для несения осевых нагрузок в обоих направлениях

Установка колец на плавающей втулке 1 (вид б) из антифрикционного материала с подводом смазки к трущимся поверхностям обеспечивает центрирование колец и возможность их свободного вращения. В высокоскоростных узлах применяют другие виды упорных подшипников. В опорах одностороннего действия устанавливают упорно-радиальные, конические, роликовые и сфероконические подшипники. Для опор двустороннего действия широко применяют дуплексные упорно-радиальные подшипники с предварительным натягом (рис. 795, а), а также шариковые подшипники с глубокими канавками, разгруженные от радиальных сил посредством установки в корпусе с радиальным зазором s (виды б—д).

Упорные подшипники двустороннего действия

Такие опоры отличаются малыми габаритами, способны нести большие осевые нагрузки и обеспечивают практически беззазорную фиксацию вала в осевом направлении. Монтаж их гораздо проще, чем монтаж упорных шариковых подшипников.

На виде (г) показан узел, воспринимающий радиальную и осевую силы.

В опорах, предназначенных для восприятия особо больших нагрузок при повышенных частотах вращения, применяют многорядную установку подшипников с разъемными наружными обоймами (трехконтактные подшипники), разгруженных от радиальных сил (вид д).