Вcтавные подшипники и узлы

Общие сведения

Очень часто валы устанавливают на подшипниках, расположенных в отдельных корпусах. Типовым примером таких конст­рукций являются валы барабанов ленточных транспортеров, лебедок и т.д. В этих случаях неизбежно нарушение соосности посадочных отверстий подшипников изза неточностей монтажа. Кроме того, при больших межопорных расстояниях и высоких нагрузках возможны значительные прогибы вала, приводящие к отклонению от его теоретической оси и возникновению перекоса в опорах. В таких случаях применяются сферические двухрядные шарико и роликоподшипники (рис. 1, а).

Недостатком такой конструкции является относительная сложность подшипникового узла в целом. И, прежде всего, это связано с уплотнением и смазкой подшипников. В машиностроении широко применяются закрытые подшипники, заполненные смазкой. В случае самоустанавливающихся двухрядных подшипников торцевые уплотнения уменьшают допустимый угол перекоса с 4⁰ до 1,5⁰. Поэтому в конструкциях с большими углами перекоса приходится устанавливать уплотнение в корпусе узла и подводить смазку к подшипнику. С другой стороны, для подшипниковых узлов с перекосом давно найдено другое решение: шарикоподшипники со сферическим наружным кольцом и встроенными уплотнениями (рис. 1, б).

 Подшипники с наружным сферическим кольцом получили второе название «вкладышные подшипники», «вставные подшипники» (insert bearings). Происходит это название от технологии установки в корпус: развернутый на 90° относительно оси подшипник вставляется в паз на внутренней сферической поверхности корпуса и проворачивается. Область их применения чрезвычайно широка: сельскохозяйственные, строительные машины; вентиляторы; конвейеры; моечные машины и др.

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).

Вставной подшипник (рис. 2) в общем случае состоит из: наружного кольца 1 со сферической наружной поверхностью 2; внутреннего кольца 3 с цилиндрической посадочной поверхностью 4; шариков 5; сепаратора 6; эксцентрикового запорного кольца 7; стопорного винта 8; уплотнения 9; защитной стальной крышки 10. В наружном кольце выполнено смазочное отверстие 11.

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

На рис. 3, а представлен вставной подшипник с фиксацией стопорным винтом. Этот способ фиксации наиболее быстрый и применяется в случаях, если вал в процессе работы может совершать реверс вращения.

 На рис. 3, б изображен вставной подшипник с закрепительной конической втулкой. Такая закрепительная втулка широко применяется и в обычных подшипниках. Допускается реверс вращения вала.

Подшипник на рис. 3, в имеет гладкое цилиндрическое отверстие. Способы фиксации стандартны для всех подшипников: упором в бурт и фиксацией шлицевой гайкой или стопорным кольцом.

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.

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, такие как 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.

Чаще всего для вставных подшипников используются контактные уплотнения (рис. 4). На рис. 4, 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. 4, 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. 4, в изображено уплотнение подшипников фирмы SKF с дополнительной крышкой, образующей лабиринтное уплотнение перед защитной кромкой. На рис. 4, г дополнительная крышка имеет уплотняющую кромку. Такое уплотнение применяется для очень загрязненной внешней среды.

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.

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.

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.

Характеристика подшипников

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.

Корпуса вставных подшипников

Подшипники с наружной сферической поверхностью могут поставляться в сборе с корпусом. Чаще всего так и происходит. Производители предлагают три типа корпусов: литые чугунные (рис. 6, а); штампованные (рис. 6, б) и из композитного материала (рис. 6, в). 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.

Корпуса из композитного материала (стеклонаполненного полиамида армированного 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.

По способу установки подшипникового узла на проектируемый агрегат их корпуса делятся на три класса: фланцевые (рис.7, а), на лапах (рис. 7, б) и натяжные (рис. 7, в). 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.

Каждый из видов корпусов имеет разнообразное исполнение. Фланцевые литые корпуса могут иметь квадратную (рис. 7, а) или круглую (рис. 8, а) форму с четырьмя крепежными отверстиями или овальную форму с двумя крепежными отверстиями (рис. 8, б). Крепежные отверстия имеют круглую форму для установки силового крепежа.

Фланцевые штампованные корпуса имеют круглую (рис. 8, в) или треугольную (рис. 8, г) форму с тремя крепежными отверстиями. Также существует корпус овальной формы с двумя отверстиями (рис. 8, д). 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.

На рис. 7, б представлен лапчатый литой корпус с увеличенной базой крепежных отверстий. Отверстия выполнены в форме овалов, что позволяет компенсировать позиционные погрешности. На рис. 9, а 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. На рис. 9, б представлен стальной штампованный корпус с лапами.

Для подшипниковых опор, вал которых оканчивается под опорой, производители предлагают концевые крышки (рис. 12). 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.

Расчет подшипника

Исходными данными для расчета вставного подшипника являются: радиальная нагрузка Fr, кН (рис. 13); осевая нагрузка Fa, кН (рис. 13); обороты вала, n, мин¹; необходимый ресурс Lh, ч. Методика подбора вставного подшипника не отличается от расчета любого другого шарикового подшипника и основано на уравнении долговечности.

Вначале определяется эквивалентная нагрузка P, кН, по формулам P = Fr, при (Fr / Fa) Ј е и P = XFr + YFa, при (Fr / Fa) > е, 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. 

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

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

Таблица 3 Требуемая долговечность L_h, ч

Для подшипников с радиально­осевой 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 , ч становится проверочной величиной и определяется по формуле

Заключение

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.

Михаил Гранкин
инженер – конструктор
grankin@mail.ru

Литература:

1. Каталог фирмы SKF (Швеция). Ybearings and Ybearings 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 2х 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.