ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения [2,28].

Это могут быть или шарики, или ролики (короткие толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкообразные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутреннего колец, между которыми и помещены тела качения.

Тела качения во избежание ненужного контакта друг с другом и равномерного распределения по окружности заключены в специальную кольцеобразную обойму – сепаратор (лат. Separatum – разделять).

В мировой практике для вагонов используются роликовые подшипники различных типов. По данным Всероссийского института вагоностроения (ВНИИВ) подшипники с цилиндрическими роликами при прочих равных условиях в диапазоне ходовых скоростей грузовых поездов (14 ¸ 28 м/с) имеют вчетверо меньший коэффициент трения, который к тому же не увеличивается и при росте скорости до 50 м/с.

В некоторых конструкциях, где приходится бороться за уменьшение радиальных габаритов, применяются т.н. "бескольцевые" подшипники, когда тела качения установлены непосредственно между валом и корпусом. Однако нетрудно догадаться, что такие конструкции требуют сложной, индивидуальной, а, следовательно, и дорогой сборки-разборки.

Достоинства подшипников качения:

+ низкое трение, низкий нагрев;

+ экономия смазки;

+ высокий уровень стандартизации;

+ экономия дорогих антифрикционных материалов.

Недостатки подшипников качения:

` высокие габариты (особенно радиальные) и вес;

` высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;

` слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения.

Так, при переводе подвижного состава с букс скольжения на подшипники качения возникла неожиданная проблема. Уровень вибрации вагонов даже на очень хороших участках пути возрос в 10 ¸15 раз! Это происходит из-за того, что буксы скольжения рассеивают энергию вибрации посредством сил трения, а подшипники качения "по определению" лишены такой способности. Для этого в колёсных тележках потребовалось применение специальных деталей, совершающих работу сил трения - фрикционных клиньев, либо многослойных пластинчатых рессор, пакетов цилиндрических пружин, гидравлических виброгасителей.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:

è форма тел качения;

è габариты (осевые и радиальные);

è точность выполнения размеров;

è направление воспринимаемых сил.

По форме тел качения подшипники делятся на:

è
Шариковые (быстроходны, способны к самоустановке за счёт возможности некоторого отклонения оси вращения);

è Роликовые – конические, цилиндрические, игольчатые (более грузоподъёмны, но из-за точно фиксированного положения оси вращения не способны самоустанавливаться, кроме бочкообразных роликов).

По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий:

По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии:

По классам точности подшипники различают следующим образом:

è "0" – нормального класса;

è "6" – повышенной точности;

è "5" – высокой точности;

è "4" – особовысокой точности;

è "2" – сверхвысокой точности.

При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".

По воспринимаемым силам все подшипники делятся на четыре группы. Вычислив радиальную F_r и осевую F_a реакции опор вала, конструктор может выбрать:

è Радиальные подшипники (если F_r << F_a), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если F_a = 0) и радиальные шариковые подшипники.

è Радиально-упорные подшипники (если F_r > F_a), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса.

è Упорно-радиальные подшипники (если F_r < F_a), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса.

è Упорные подшипники, "подпятники" (если F_r << F_a), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.

Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения.

Здесь используются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А.

Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60 ¸ 65, а у шариков немного больше – HRC 62 ¸ 66, поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс.

6.2.1. Причины поломок и критерии расчёта подшипников

Главная особенность динамики подшипника – знакопеременные нагрузки.

Циклическое перекатывание тел качения может привести к появлению усталостной микротрещины. Постоянно прокатывающиеся тела качения вдавливают в эту микротрещину смазку. Пульсирующее давление смазки расширяет и расшатывает микротрещину, приводя к усталостному выкрашиванию и, в конце концов, к поломке кольца. Чаще всего ломается внутреннее кольцо, т.к. оно меньше наружного и там, следовательно, выше удельные нагрузки. Усталостное выкрашивание – основной вид выхода из строя подшипников качения.

В подшипниках также возможны статические и динамические перегрузки, разрушающие как кольца, так и тела качения.

Следовательно, при проектировании машины необходимо определить, во-первых, количество оборотов (циклов), которое гарантированно выдержит подшипник, а, во-вторых - максимально допустимую нагрузку, которую выдержит подшипник.

Вывод: работоспособность подшипника сохраняется при соблюдении двух критериев:

è Долговечность.

è Грузоподъёмность.

6.2.2. Расчёт номинальной долговечности подшипника

Номинальная долговечность это число циклов (или часов), которые подшипник должен проработать до появления первых признаков усталости. Существует эмпирическая (найденная из опыта) зависимость для определения номинальной долговечности L_n =( C / P )^a, [млн. оборотов],

где С – грузоподъёмность, Р – эквивалентная динамическая нагрузка, a = 0,3 для шариков, a = 0,33 для роликов.

Номинальную долговечность можно вычислить и в часах

L_h = (10⁶ / 60 n) L_n , [часов],

где n – частота вращения вала.

Эквивалентная динамическая нагрузка это такая постоянная нагрузка, при которой долговечность подшипника та же, что и при реальных условиях работы. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка.

Эквивалентная динамическая нагрузка вычисляется по эмпирической формуле

P = ( V X F_r + Y F_a ) K_Б K_Т,

где F_r , F_a – радиальная и осевая реакции опор;

V – коэффициент вращения вектора нагрузки ( V = 1 если вращается внутреннее кольцо, V = 1,2 если вращается наружное кольцо)

X, Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипников, определяются по справочнику;

К_Б – коэффициент безопасности, учитывающий влияние динамических условий работы (К_Б =1 для передач, К_Б = 1,8 для подвижного состава),

К_Т – коэффициент температурного режима (до 100^оС К_Т =1).

Грузоподъёмность это постоянная нагрузка, которую группа идентичных подшипников выдержит в течение одного миллиона оборотов. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка. Если вал вращается медленнее одного оборота в минуту, то речь идёт о статической грузоподъёмности C₀, а если вращение быстрее одного оборота в минуту, то говорят о динамической грузоподъёмности C. Величина грузоподъёмности рассчитывается при проектировании подшипника, определяется на экспериментальной партии подшипников и заносится в каталог.