Подшипники скольжения – типы, достоинства и особенности

Что такое подшипник скольжения и его конструктивные особенности.

Подшипники скольжения - подшипники, работающие по принципу трения скольжения. Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины. В отверстие вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.

Корпус подшипников бывает двух типов:

• однокомпонентный. Втулка часто запрессовывается для фиксации своего положения в корпусе подшипника.
• двухкомпонентный. Втулка зажимается между двумя полусферами.

Втулка направляет вал, а также служит в качестве изнашиваемой детали. Часто втулка изготавливается из мягкого материала, такого как латунь или бронза. В некоторых случаях эти металлы используются в качестве так называемых спеченных материалов.

Конструкция подшипника скольжения воспринимает форму цапфы вала и может быть:

• с цилиндрической поверхностью

• с конической поверхностью

• со сферической поверхностью

• с плоской рабочей поверхностью

Типы подшипников скольжения

1. Разъёмные механизмы состоят из корпуса и крышки. Внутри размещаются вкладыши, выполненные из бронзы, антифрикционного чугуна или биметаллические (триметаллические). В верхнем вкладыше находятся отверстия для подвода смазочного материала и смазочные канавки. В нижнем вкладыше располагаются смазочные канавки. Крышка и корпус с фланцами соединяются в горизонтальной или наклонной плоскости двумя или четырьмя болтами. Для разгрузки болтов от поперечных сил и лучшего взаимного центрирования стык крышки с корпусом изготавливают с уступом или устанавливаются фиксирующие штифты. Вкладыши толщиной более 3 мм имеют бурты для фиксации в осевом направлении. Для предохранения вкладыша от прокручивания используют штифт или винт. Если толщина вкладыша составляет менее 3 мм, то для его фиксации используется выступ на вкладыше, входящий в выемку корпуса. Зазор между валом и вкладышем регулируется за счёт комплекта прокладок. Прокладки помещают между корпусом и вкладышем и между крышкой и вкладышем. Самая тонкая прокладка располагается у крышки.

2. Неразъёмные подразделяются:

• нерегулируемые подшипники состоят из цилиндрической втулки – вкладыша и корпуса, закреплённого на станине механизма или выполненного с ней заодно. Втулка, гладкая или с буртом, запрессовывается в корпус или устанавливается по одной из переходных посадок и стопорится винтом или штифтом. Толщина стенки втулки составляет от 2 до 10 мм или от 10 до 100 мм в соответствии с диаметром валов. Материал для втулки обычно бронза, баббитовые сплавы, чугун, пластмассы, металлокерамика и др. При значительных диаметрах вкладыш изготавливается биметаллическим. На него различными способами наносится слой антифрикционного материала. Смазка подаётся через радиальные отверстия. Для её равномерного распределения по длине вкладыша используются масляные канавки. Для постоянной смазки наиболее нагруженной зоны подшипника используется масляный карман – холодильник.

• регулируемые с внутренним конусом детали состоят из бронзовой цилиндрической втулки или антифрикционного чугуна с конусным отверстием и наружной резьбой с обоих концов для двух регулировочных гаек. Зазор между валом и втулкой регулируется перемещением втулки вдоль оси. Чтобы втулка не прокручивалась, используется штифт. Такой тип подшипников часто применяется в шпинделях станков.

• регулируемый с наружным конусом подшипник состоит из втулки с цилиндрическим отверстием, наружным конусом и продольной прорезью по всей длине. Зазор между валом и втулкой регулируется осевым перемещением втулки и её сжатием за счёт изменения ширины прорези. Подшипник фиксируется болтом с конусной головкой.

3. радиальные - подшипники скольжения, воспринимающие нагрузку перпендикулярную оси вращения вала. На рисунке ниже изображены схемы радиальных подшипников скольжения высокоскоростных роторов: а — эллиптический; а, б — с жёсткими секторами; в — из смешанных секторов; г — из секторов, образованных качающимися вкладышами; д — из свободных вкладышей; е — с «плавающим» вкладышем.

На изображении:

1 — место подвода смазки;

2 — сектор;

3 — кольцеобразный «плавающий» вкладыш.

4. радиально–упорные (буртовый подшипник) - подшипники скольжения, которые воспринимают нагрузку в осевом и радиальном направлениях.

5. упорные подразделяются на:

• плоские (подпятники) применяются в поворотных кранах, опорах, вертикальных валах, цепных конвейерах, реверсивных механизмах с осевой нагрузкой на валы, в различных периодически действующих дозирующих механизмах, толкателях. В опорах горизонтальных валов с осевой нагрузкой, например в редукторах с косозубыми, коническими или червячными колёсами, буртики на валах и вкладышах рассматривают как элементы упорных подшипников с плоско-параллельными поверхностями скольжения.

Плоские опоры для осевой нагрузки оформляются в виде пяты и подпятника со сплошной опорной, кольцевой поверхностью или с несколькими рядами колец – гребенчатые подпятники с разъёмным по осевой плоскости корпусом. Представлены слева направо на рисунке ниже.

Для выравнивания давления пяты на подпятник и компенсации перекоса при монтаже применяют самоустанавливающийся вкладыш. Трение между сферическими поверхностями корпуса и вкладыша оказывается столь большим, что самоустановка невозможна. Лучшие результаты даёт установка вкладыша на легко деформирующуюся свинцовую прокладку. Данные элементы представлены ниже слева направо.

• гребенчатые представляют собой ряд дисков, выполненных как одно целое с валом (рис. “а”) или на насадной втулке (рис. “б”), входящих в кольцевые выточки корпуса, изготовленного из антифрикционного материала. В крупных подшипниках поверхности трения корпуса заливают баббитом или свинцовой бронзой. Между каждым диском и рабочими поверхностями оставляют зазор несколько сотых миллиметра. Масло подводят к каждой поверхности трения по радиальным сверлениям в вале (рис. “а”) или в насадной втулке (рис “б”). Отработанное масло стекает из каждой рабочей полости.

Конструкции (рис “а” и “б”) предназначены для радиальной сборки (корпус в меридиональной плоскости). При осевой сборке диски вала и гребёнки корпуса делают наборными (рис. "в"). Масло подводят через торцовые канавки h, профрезерованные на дисках. Корпус сажают жёстко (рис “а—в”) на самоустанавливающихся опорах (рис. “г”).

• сферические. Ниже представлены несколько конструкций разновидностей подшипников:

- В конструкции рис. “а” сферический наконечник, запрессованный в вал, опирается на плоскую пяту, установленную в корпусе;

- В конструкции рис. “б” со сферической пятой более высокая несущая способность;

- В конструкция рис. “в” с полной сферой есть следующее преимущество. Сфера из-за несоосности опорных поверхностей проворачивается при работе, поэтому износ распределяется достаточно равномерно по поверхности сферы;

- В конструкции рис. “г” сфера дополнительно фиксируется с помощью втулки, центрируемой по нижней пяте.

- В конструкции рис. “д” с плавающим “сухарём” и упорными сферическими поверхностями большого радиуса скорость относительного движения на площадках контакта уменьшается примерно в 2 раза;

- В конструкции рис. “е” опоры, которые воспринимают большие осевые силы при повышенных частотах вращения, выполняют в виде пакета самоцентрирующихся плавающих менисковых шайб.

• дисковые. В дисковых упорных подшипниках наклонные поверхности выполняют в виде сегментов, разделённых маслоподводящими канавками. Обычно число сегментов не превышает 6—8.

7. сегментные. Для появления в смазочном слое гидродинамических давлений и соответствующей несущей силы необходим клиновый зазор между поверхностью пяты и подпятника. Такой зазор можно получить за счёт скоса отдельных участков (сегментов) рабочей поверхности или с помощью подвижных самоустанавливающихся сегментов. На рисунке справа схематически показан первый способ. Рабочая поверхность пяты или подпятника разделена радиальными канавками на несколько равных участков. Чтобы уменьшить утечку масла в радиальном направлении, канавки не доводят до конца, оставляя плоский кольцевой ранг шириной 0,1-0,2 мм.

Сегменты скошены под углом α к плоской поверхности, по которой они скользят. При относительном движении трущихся поверхностей образуются смазочные клинья с гидродинамическими давлениями. Сегментные подшипники производят с неподвижными, подвижными и выпуклыми сегментами.

Сегментные подшипники бывают:

• сегментный опорный - это тип опоры, который наиболее востребован в механизмах с валами, имеющими очень высокую частоту вращения. Узел скольжения идеален там, где необходима разъёмность конструкции для упрощения монтажа и обслуживания. В некоторых случаях, например в двигателях внутреннего сгорания, такое решение является единственным возможным. В автомобилестроении большим спросом пользуется сферический подшипник скольжения, который устанавливают на наконечник штока. Он легко монтируется отдельными элементами.

8. многоклиновые. Подшипники с клиньями, распределёнными равномерно по окружности, применяются для легконагруженных валов, вращающихся с большой скоростью - в частности, для вертикальных валов сепараторов и центрифуг. На изображении слева направо показаны 3-х и 4-х клиновые подшипники для постоянного направления вращения, а также 3-х и 4-х клиновые симметричные подшипники для реверсивного вращения. Под цифрами 1, 2, 3 указаны клинья.

Данный тип подшипника бывает цельный регулируемый. Вкладыш имеет конусную наружную поверхность. При осевом перемещении вкладыша за счёт прижимной крышки он сжимается и образует с валом несколько суживающихся зазоров. Образующиеся масляные клинья улучшают центрирование вала, он работает с низким уровнем вибрации.

9. аэродинамический подшипник предназначен для работы в режиме аэродинамической смазки и применяются в турбокомпрессорах.

Конструкция современных аэродинамических подшипников выглядит следующим образом: в пространстве между вращающимся валом и неподвижным корпусом подшипника расположены два тонких металлических листа, покрытых материалом с низким коэффициентом трения, таким как PTFE (Политетрафторэтилен). Внешний лист представляет из себя гофрированный вкладыш и называется упорным. Упорный вкладыш может изгибаться и демпфировать нагрузку при вибрации вала и нестабильной работе турбокомпрессора.

Внутренний лист металла, называемый верхним вкладышем, имеет цилиндрическую форму и расположен почти вплотную к шейке вала. Когда вал вращается, воздух втягивается между валом и верхним вкладышем, образуя малый зазор с высоким давлением воздуха в нём. Это позволяет валу вращаться с минимальным трением.

Для запуска аэродинамических подшипников иногда используют вспомогательные шарикоподшипники, автоматически отключающиеся при заданной скорости, а также смазку трущихся поверхностей бензином, который затем улетучивается. В современных аэродинамических подшипниках применяют сжатый воздух, который нужен для вывешивания вала при пуске. Он подводится через кольцевые канавки у торцов подшипников и нагружает подшипник радиальной силой во избежание вибраций. Для этого подводится через продольную канавку во вкладыше.

10. аэростатический подшипник предназначен для работы в режиме аэростатической смазки.

Главные особенности аэростатических подшипников с воздушной смазкой связаны с использованием малых давлений, так как в питающей магистрали после очистки и стабилизации давление воздуха не превышает 30-40 Н/см2. Другие особенности опор с воздушной смазкой связаны с малой вязкостью воздуха и склонностью шпинделя на воздушных опорах к потере устойчивости. Чтобы повысить устойчивость опор, необходимо уменьшить объём воздуха в карманах и применить специальные способы подвода воздуха – поддувы.

В аэростатических подшипниках скольжения используется жёсткая цельная втулка-вкладыш с системой ввода воздуха под давлением по концам, а при коротких подшипниках иногда и в среднюю часть втулки. Часто руководствуются соотношением l=0,11L, а длину подшипника выбирают в пределах: L=(1 ÷ 1,5)D. Диаметр отверстий поддува принимают 0,2 ÷ 0,3 мм, а величину диаметрального зазора ограничивают значением: Δ=(0,0002 ÷ 0,0004)D.

11. вибродемпферный подшипник - подшипник скольжения, в котором поверхности разделяются за счёт давления, которое возникает в смазочном материале в результате их взаимного перемещения вдоль нормали к поверхности.

12. газо- и гидродинамический подшипник - подшипник скольжения, который предназначен для работы в режиме гидродинамической смазки. Деталь используют в опорах валов при высоких частотах вращения. Материал втулок и вкладышей подбирается с учётом условий эксплуатации. На вкладыш и цапфу могут наноситься системы борозд, которые усиливают газодинамический эффект. Для усиления аэродинамического эффекта используются элементы, напоминающие лопасти винта или лепестки.

13. Газостатический подшипник. Состоит:

1 - камера;

2 - пористые вставки;

3 - подводящая магистраль;

4 - корпус;

5 - газонепроницаемая втулка.

Вкладыш состоит из втулки (5) и пористых вставок (2). В цилиндрический зазор между цапфой и вкладышем в нескольких точках, через пористые ставки (2), под давлением подаётся воздух или газ. Возникает газовая смазка. Поверхности вала и цапфы в установившемся режиме не контактируют. Подшипник обладает минимальным моментом трения и применяется для опор с малыми нагрузками и высокими скоростями скольжения.

14. гидростатический подшипник - подшипник скольжения, предназначенный для работы в режиме гидростатической смазки. Конструкция аналогична газостатическому подшипнику. Вкладыш имеет несколько (как правило, четыре) несущих камер. В камеры под давлением подаётся масло. Контакт поверхностей вала и опоры отсутствует. Опоры обладают очень малым коэффициентом трения при начале движения вала из состояния покоя (до 10 в степени -6). Подшипники обеспечивают высокую точность вращения, низкие вибрации и используются для валов с большой нагрузкой.

15. шарнирные подшипники. Благодаря сферической поверхности наружного и внутреннего колец, подшипник воспринимает радиальные, осевые и комбинированные нагрузки в подвижных или неподвижных соединительных узлах различных механизмов.

16. Линейные подшипники скольжения. Подшипники скольжения послужили основой для создания линейных систем перемещения, использующих силы трения скольжения. Данные опоры проще, дешевле, лучше выдерживают большие нагрузки, удары и вибрации, но менее точны, инерционны и требуют больших затрат энергии на перемещение элементов относительно друг друга.

17. динамически нагруженный подшипник - подшипник скольжения, подвергающийся воздействию нагрузки, изменяющейся по модулю и/или направлению.

18. корпусной подшипник на лапах - узел подшипника скольжения, корпус которого крепится элементами в направлении, перпендикулярном к оси вала.

19. корпусной подшипник с фланцем - узел подшипника скольжения, корпус которого крепится элементами в направлении, параллельном оси вала.

20. подшипник круглоцилиндрический - подшипник скольжения, все поперечные сечения рабочей поверхности которого имеют форму окружности одного и того же диаметра

21. подшипник некруглоцилиндрический - подшипник скольжения, поперечные сечения внутренней поверхности которого отличаются по форме от окружности

22. подшипник с плавающей втулкой - подшипник скольжения с втулкой, которая может скользить относительно вала и внутренней поверхности корпуса подшипника

23. самосмазывающийся подшипник - подшипник скольжения, который смазывается подшипниковым материалом, входящим в него компонентами или твёрдыми смазывающими покрытиями.

24. самосмазывающийся пористый подшипник или спеченный подшипник - пористый подшипник скольжения, сообщающиеся поры которого заполнены смазочным материалом.

25. самоустанавливающийся подшипник - подшипник скольжения, конструкция которого самоустанавливается относительно сопряжённой поверхности.

Подразделяют:

- самоустанавливающийся сегментный радиальный подшипник - подшипник скольжения, несущая поверхность которого состоит из сегментов, свободно устанавливающихся относительно вала под действием давления в смазочном слое;

- самоустанавливающийся сегментный упорный подшипник - подшипник скольжения, несущая поверхность которого состоит из сегментов, свободно устанавливающихся для создания масляного слоя относительно пяты под действием давления в смазочном слое.

- самоустанавливающийся цельный подшипник минимизирует вредные последствия несоосности оси вала и оси подшипника, возникающих вследствие отклонений от заданных размеров деталей. Для этого используются вкладыш и корпус, сопрягаемые по сферической поверхности. Преимущественно используются в многоопорных валах.

26. статически нагруженный - подшипник скольжения, на который воздействует постоянная по модулю и направлению нагрузка.

27. гидравлические подпятники. В простейшей конструкции (рис. “а”) масло подаётся в кольцевую канавку m подпятника. Оттуда через лыску n и радиальное отверстие в вале масло поступает в замкнутое пространство под торцом вала. Упорная шайба 1, расположенная с небольшим зазором относительно фланца подпятника, фиксирует вал на стоянках.

В конструкции рис. “б” масляная подушка подпитывается с помощью игольчатого клапана, управляемого валом. Равновесным является положение, когда торец вала слегка прикасается к хвостовику клапана, находящегося в закрытом состоянии. При опускании вал открывает клапан, и масло поступает в полость, возвращая вал в исходное положение.

29. Реверсивный подшипник с плавающей шайбой 2 (рис. “а”), устанавливается между упорным диском 1 вала и неподвижной опорной поверхностью 3. На верхней и нижней поверхностях шайбы проделаны зеркально обращённые скосы. При вращении упорного диска по часовой стрелке (рис. “б”) масляные клинья образуются на верхней стороне шайбы. На противоположной стороне, где гидродинамический эффект отсутствует, возникает полужидкостная смазка, удерживающая шайбу относительно опорной поверхности 3. При вращении вала в обратном направлении (рис. “в”) шайба вращается вместе с упорным диском 1 вала по масляным клиньям, образующимся на поверхности 3.

Несущие поверхности подшипников небольшого и среднего размеров выполняют в виде дисков из антифрикционной бронзы с фрезерованными наклонными площадками и маслораспределительными канавками. В серийном производстве рабочие поверхности изготавливают холодной калибровочной штамповкой, которая обеспечивает высокую точность и малую шероховатость поверхностей.

30. Подшипник со сферической шайбой. Конструкция подшипника изображена ниже. Отношение d/D = 0,5. Радиус сферы Rсф = (0,8—1)D. При больших значениях Rсф затрудняется самоустанавливаемость, а при меньших осевые размеры опоры значительно увеличиваются.

Обязателен подвод масла к поверхности сферы. На рабочей поверхности шайб проделывают маслораспределительные канавки с односторонними скосами при вращении постоянного направления и двусторонними для реверсивных подшипников.

31. Реверсивные ступенчатые подшипники выполняют преимущественно с симметричными выборками (рис.”а”). В конструкции рис. “б” реверсивность обеспечена обратными клапанами 1 и 2, установленными на маслоподводящих отверстиях. При вращении в направлении, указанном сплошной стрелкой, клапан 1 закрыт давлением масла в выборке, а клапан 2 открыт давлением, создаваемым насосом. При обратном направлении вращения (штриховая стрелка) клапан 2 закрыт, а клапан 1 открыт. Соответственно при любом направлении в выборке создаётся несущий масляный слой.

Подшипники данного типа могут работать в пусковой период как гидростатические, а на рабочем режиме — как гидродинамические.

Целесообразно применять самоустанавливающиеся ступенчатые сегменты (рис. “в”), сохраняющие расчетное значение h0/t независимо от колебаний режима.

Достоинства и недостатки подшипников скольжения

Достоинства:

• высокая надёжность в высокооборотных приводах;
• достаточно длительный срок службы;
• имеют сравнительно небольшие радиальные размеры;
• при установке разъёмных подшипников на цапфы и шейки коленчатых валов не требуется демонтаж смежных деталей механизма при ремонте;
• простота конструкции;
• водоустойчивы. В определённых условиях вода и водные растворы служат смазкой;
• позволяют регулировать зазоры и обеспечивают точность установки относительно геометрической оси вала;
• пригодны для использования в механизмах с большой массой движущихся частей;
• при грамотной и своевременной смазке шум практически отсутствует. Всё зависит от скорости работы и диаметра.

Недостатки:

• необходимость систематического наблюдения и непрерывного ухода смазывания;
• применение дорогостоящих материалов для изготовления подшипников;
• большие размеры в осевом направлении;
• большие потери на трение и заметный износ при включении механизма, при недостаточной или несвоевременной смазке;
• значительный расход смазки;
• жёсткие требования к температуре и качеству смазки;
• сравнительно большие коэффициенты трения для классов ниже 4;
• неравномерный износ вкладышей и цапфы, что приводит к вибрации и биениям;
• постоянная профилактика.

Монтаж и демонтаж подшипников скольжения

Подшипники скольжения, по сравнению с подшипниками качения, устанавливаются и разбираются легко. Компоненты требуется вставить друг в друга или снять. Однако есть ряд важных особенностей:

• визуальный осмотр и очистка деталей, отверстий и коренных шеек коленчатого вала. При этом обязательно пользуйтесь подходящими растворителями, чистящими средствами и салфетками из микрофибры.
• сравните старые вкладыши подшипников с новыми, совпадают ли положения масляных отверстий и конструкция масляных канавок.
• следите за правильностью расположения. При распределении вкладышей по осевой линии постели коленвала особо важную роль играет позиция упорного подшипника или упорных полуколец. Необходимо учитывать исполнение отдельных вкладышей подшипников и положение отверстий для смазки.
• в местах сильной нагрузки установите подшипники с ионно-плазменным напылением.
• смажьте поверхности скольжения и аккуратно установите коленчатый вал.
• установите крышки подшипников и затяните.
• проверьте, свободно ли вращается коленчатый вал, измерьте осевой зазор и определите, находится ли он в пределах заданных допусков.

Области применения подшипников скольжения

Подшипники скольжения применяются в следующих сферах:

• автомобильная;
• сельскохозяйственная;
• железнодорожная;
• текстильная;
• горнодобывающая;
• пищевая;
• медицинская;
• судостроение;
• химическая;
• прибрежная индустрия;
• подъёмное оборудование;
• металлургия;
• насосное оборудование;
• авиация;
• пневматическое оборудование;
• гидравлическое оборудование;
• холодильные установки;
• бытовая и офисная техника;
• лесная;
• строительное оборудование;
• упаковочная;
• мебельная;
• станкостроение;
• нефте- и газодобывающая.

Подробнее о применении подшипников в различных отраслях читайте на сайте “Промышленная Автоматизация”.

Купить подшипники компании SKF и NSK можно в интернет-магазине “Промышленная Автоматизация”.

Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.