Содержание статьи
- 1. Введение в методику подбора подшипников
- 2. Классификация нагрузок и их влияние на выбор
- 3. Расчет подшипника по нагрузке
- 4. Учет скорости вращения
- 5. Условия эксплуатации
- 6. Выбор типа подшипника по условиям работы
- 7. Рекомендации по смазке
- 8. Посадки и монтаж
- 9. Подшипники в строительном оборудовании
- 10. Часто задаваемые вопросы
1. Введение в методику подбора подшипников
Подбор подшипников качения представляет собой комплексную инженерную задачу, требующую учета множественных факторов для обеспечения надежной и долговечной работы механизма. Современные методы расчета основаны на ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007) и позволяют точно определить оптимальный тип и размер подшипника для конкретных условий эксплуатации.
Первоначальный этап подбора включает анализ условий работы механизма: определение величины и направления нагрузок, частоты вращения, требуемого ресурса, условий смазки и параметров окружающей среды. Для строительного оборудования особую важность приобретают ударные нагрузки, запыленность среды и переменные режимы работы.
2. Классификация нагрузок и их влияние на выбор
При подборе подшипников необходимо учитывать характер и направление действующих нагрузок. От этого зависит выбор типа подшипника и методика расчета его грузоподъемности.
2.1. Виды нагрузок на подшипник
| Тип нагрузки | Направление | Рекомендуемый тип подшипника | Область применения |
|---|---|---|---|
| Радиальная | Перпендикулярно оси вала | Радиальные шариковые, цилиндрические роликовые | Валы редукторов, электродвигатели |
| Осевая | Вдоль оси вала | Упорные шариковые, упорные роликовые | Вертикальные валы, винтовые передачи |
| Комбинированная | Радиальная + осевая | Радиально-упорные, конические роликовые | Ступицы колес, шпиндели |
| Ударная | Переменная | Сферические роликовые, цилиндрические роликовые | Дробилки, вибрационное оборудование |
2.2. Виды нагружения колец подшипника
Характер нагружения колец подшипника определяет выбор посадки и влияет на долговечность узла. Согласно ГОСТ 3325-85 различают три вида нагружения:
| Вид нагружения | Характеристика | Требования к посадке |
|---|---|---|
| Местное | Нагрузка воспринимается ограниченным участком дорожки качения | Посадка с зазором или переходная |
| Циркуляционное | Нагрузка последовательно воспринимается всей дорожкой качения | Посадка с натягом |
| Колебательное | Равнодействующая нагрузок колеблется относительно кольца | Переходная посадка или с небольшим натягом |
3. Расчет подшипника по нагрузке
3.1. Динамическая грузоподъемность
Динамическая грузоподъемность (C) - это постоянная неподвижная нагрузка, которую подшипник качения теоретически может выдерживать в течение номинального ресурса в один миллион оборотов. Значения динамической грузоподъемности приводятся в каталогах производителей для каждого типоразмера подшипника.
3.2. Номинальный ресурс
Номинальный ресурс L10 определяется по формуле согласно ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007):
L10 = (C / P)p
где:
L10 - номинальный ресурс при 90% вероятности безотказной работы, млн. оборотов;
C - динамическая грузоподъемность подшипника, Н;
P - эквивалентная динамическая нагрузка, Н;
p - показатель степени: p = 3 для шариковых подшипников, p = 10/3 (3,333) для роликовых подшипников.
3.3. Эквивалентная динамическая нагрузка
При комбинированном нагружении эквивалентная динамическая нагрузка рассчитывается по формуле:
P = X * V * Fr + Y * Fa
где:
Fr - радиальная нагрузка, Н;
Fa - осевая нагрузка, Н;
X - коэффициент радиальной нагрузки;
Y - коэффициент осевой нагрузки;
V - коэффициент вращения (V = 1 при вращении внутреннего кольца, V = 1,2 при вращении наружного кольца).
3.4. Пересчет ресурса в часы работы
Lh = (106 * L10) / (60 * n)
где:
Lh - ресурс в часах;
L10 - номинальный ресурс, млн. оборотов;
n - частота вращения, об/мин.
3.5. Пример расчета
Исходные данные:
- Радиальная нагрузка Fr = 8000 Н
- Осевая нагрузка Fa = 2000 Н
- Частота вращения n = 1000 об/мин
- Требуемый ресурс Lh = 10000 ч
Решение:
1. Определяем требуемый ресурс в млн. оборотов:
L10 = (Lh * 60 * n) / 106 = (10000 * 60 * 1000) / 106 = 600 млн. оборотов
2. Для шарикового радиального подшипника при Fa/Fr = 0,25:
X = 0,56; Y = 1,4
3. Эквивалентная нагрузка:
P = 0,56 * 1 * 8000 + 1,4 * 2000 = 4480 + 2800 = 7280 Н
4. Требуемая динамическая грузоподъемность:
C = P * L101/3 = 7280 * 6000,333 = 7280 * 8,43 = 61370 Н = 61,4 кН
Вывод: Необходимо выбрать подшипник с динамической грузоподъемностью не менее 61,4 кН.
3.6. Рекомендуемый ресурс для различных применений
| Тип оборудования | Режим работы | Рекомендуемый ресурс, ч |
|---|---|---|
| Строительные краны | Тяжелый, с ударами | 5000-10000 |
| Экскаваторы | Тяжелый | 8000-15000 |
| Бетоносмесители | Средний | 10000-20000 |
| Конвейеры | Непрерывный | 40000-60000 |
| Вибрационное оборудование | Тяжелый, вибрационный | 4000-8000 |
| Редукторы общего назначения | Средний | 20000-40000 |
4. Учет скорости вращения
4.1. Предельная частота вращения
Предельная частота вращения - это максимально допустимая скорость, при превышении которой не может быть обеспечен расчетный ресурс подшипника. Метод расчета предельной частоты вращения регламентирован ГОСТ 20918-75.
Основным ограничивающим фактором является температура, которая зависит от трения в подшипнике и возможности теплоотвода. При работе на предельных скоростях необходимо обеспечить:
- достаточный радиальный зазор для компенсации температурного расширения;
- применение жестких валов и корпусов;
- правильный подбор смазочного материала.
4.2. Скоростной параметр DN
Для оценки скоростных возможностей подшипника используется скоростной параметр DN (или dmn), равный произведению среднего диаметра подшипника на частоту вращения:
DN = dm * n
где:
dm = (d + D) / 2 - средний диаметр подшипника, мм;
d - внутренний диаметр подшипника, мм;
D - наружный диаметр подшипника, мм;
n - частота вращения, об/мин.
4.3. Предельные значения скоростного параметра
| Тип подшипника | DN при пластичной смазке, мм*об/мин | DN при масляной смазке, мм*об/мин |
|---|---|---|
| Шариковые радиальные | 300000-500000 | 500000-700000 |
| Шариковые радиально-упорные | 250000-450000 | 400000-600000 |
| Роликовые цилиндрические | 200000-400000 | 350000-500000 |
| Роликовые конические | 150000-300000 | 250000-400000 |
| Роликовые сферические | 100000-250000 | 200000-350000 |
| Игольчатые | 150000-250000 | 250000-350000 |
4.4. Влияние класса точности на предельную скорость
Класс точности подшипника существенно влияет на допустимую скорость вращения. Чем точнее изготовлен подшипник, тем меньше трение и тепловыделение. Данные приведены для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников, а также роликовых подшипников с короткими цилиндрическими роликами.
| Класс точности | Коэффициент увеличения скорости | Область применения |
|---|---|---|
| 0 (нормальный) | 1,0 | Общепромышленное применение |
| 6 | 1,2 | Редукторы, насосы |
| 5 | 1,5 | Станки, высокоскоростные узлы |
| 4 | 2,0 | Шпиндели станков |
| 2 | 2,5 | Прецизионное оборудование |
5. Условия эксплуатации
5.1. Температурный режим
Рабочая температура подшипника определяется внешними условиями и внутренним трением. Нормальной температурой в полости подшипника считается температура до 65°C. При такой температуре реализуется максимальный эксплуатационный ресурс.
| Температурный диапазон | Состояние подшипника | Рекомендуемые меры |
|---|---|---|
| До 65°C | Нормальная работа | Штатная эксплуатация |
| 65-95°C | Критический нагрев | Проверка смазки, нагрузки, зазоров |
| Выше 95°C | Опасный перегрев | Немедленная остановка, диагностика |
| Выше 150°C | Аварийный режим | Применение высокотемпературных подшипников |
5.2. Влажность и загрязнение
Загрязнение и попадание влаги внутрь подшипника существенно сокращают его ресурс. Для защиты применяются:
- закрытые подшипники с уплотнениями (2RS, ZZ);
- лабиринтные уплотнения;
- корпусные подшипники с дополнительной защитой;
- смазки с улучшенными водостойкими свойствами.
5.3. Коэффициент загрязнения
ГОСТ 18855-2013 вводит коэффициент загрязнения ec для учета влияния чистоты смазочного материала на ресурс подшипника:
| Условия эксплуатации | Коэффициент ec | Характеристика |
|---|---|---|
| Высокая чистота | 1,0 | Закрытые подшипники, чистое масло |
| Нормальная чистота | 0,5-0,8 | Типовые промышленные условия |
| Загрязненная среда | 0,2-0,5 | Запыленность, влажность |
| Сильное загрязнение | 0,1-0,2 | Абразивная пыль, песок |
5.4. Вибрационные и ударные нагрузки
При наличии вибраций и ударных нагрузок вводится коэффициент безопасности Kб:
| Характер нагрузки | Коэффициент Kб | Примеры применения |
|---|---|---|
| Спокойная, без толчков | 1,0-1,2 | Вентиляторы, насосы |
| Легкие толчки | 1,2-1,5 | Редукторы, компрессоры |
| Умеренные удары | 1,5-2,0 | Строительные механизмы |
| Сильные удары | 2,0-3,0 | Дробилки, прессы |
| Очень сильные удары | 3,0-4,0 | Молоты, вибрационное оборудование |
6. Выбор типа подшипника по условиям работы
6.1. Сравнительные характеристики типов подшипников
| Тип подшипника | Радиальная нагрузка | Осевая нагрузка | Скорость | Несоосность |
|---|---|---|---|---|
| Шариковый радиальный однорядный | Средняя | Умеренная | Высокая | Низкая |
| Шариковый радиально-упорный | Средняя | Высокая | Высокая | Низкая |
| Роликовый цилиндрический | Высокая | Нет* | Высокая | Низкая |
| Роликовый конический | Высокая | Высокая | Средняя | Низкая |
| Роликовый сферический | Очень высокая | Высокая | Средняя | Высокая |
| Игольчатый | Высокая | Нет | Средняя | Низкая |
| Упорный шариковый | Нет | Средняя | Средняя | Низкая |
* Для цилиндрических роликовых подшипников типов NJ, NUP осевая нагрузка допускается.
6.2. Рекомендации по выбору типа подшипника
| Условие эксплуатации | Рекомендуемый тип | Обоснование |
|---|---|---|
| Высокие скорости, умеренные нагрузки | Шариковые радиальные | Минимальное трение, высокие обороты |
| Высокие радиальные нагрузки | Роликовые цилиндрические | Линейный контакт, высокая грузоподъемность |
| Комбинированные нагрузки | Роликовые конические | Восприятие радиальных и осевых нагрузок |
| Перекос валов, ударные нагрузки | Сферические роликовые | Самоустанавливаемость, ударопрочность |
| Ограниченное пространство | Игольчатые | Малые радиальные габариты |
| Осевые нагрузки при низких скоростях | Упорные роликовые | Высокая осевая грузоподъемность |
7. Рекомендации по смазке
7.1. Функции смазки
Смазка в подшипнике выполняет следующие функции:
- уменьшение трения между телами качения и дорожками;
- снижение трения между телами качения и сепаратором;
- защита от коррозии;
- уплотнение от попадания загрязнений;
- отвод тепла от зоны трения.
7.2. Выбор типа смазки
Пластичная смазка применяется примерно в 90% подшипников качения. Основные преимущества: простота применения, хорошее удержание в узле, дополнительная защита от загрязнений.
| Условие | Пластичная смазка | Масляная смазка |
|---|---|---|
| Скорость вращения | Низкая и средняя | Высокая |
| Температура | -40...+120°C (литиевые) | -20...+150°C |
| Теплоотвод | Ограниченный | Эффективный |
| Обслуживание | Периодическое | Циркуляционное или периодическое |
| Защита от загрязнений | Хорошая | Требует дополнительных уплотнений |
7.3. Классификация пластичных смазок по NLGI
Классификация разработана Национальным институтом пластичных смазок США (National Lubricating Grease Institute). Консистенция определяется методом пенетрации - глубиной погружения стандартного конуса в смазку при 25°C за 5 секунд.
| Класс NLGI | Консистенция | Пенетрация, 0,1 мм | Применение |
|---|---|---|---|
| 000 | Очень жидкая | 445-475 | Централизованная смазка |
| 00 | Жидкая | 400-430 | Зубчатые передачи, централизованная смазка |
| 0 | Полужидкая | 355-385 | Централизованная смазка, редукторы |
| 1 | Очень мягкая | 310-340 | Подшипники при низких температурах |
| 2 | Мягкая (средняя) | 265-295 | Подшипники качения (основной класс) |
| 3 | Полутвердая | 220-250 | Подшипники при высоких температурах и скоростях |
| 4 | Твердая | 175-205 | Высокоскоростные подшипники |
| 5 | Очень твердая | 130-160 | Открытые зубчатые передачи |
| 6 | Особо твердая | 85-115 | Открытые зубчатые передачи |
7.4. Выбор смазки по температуре
| Тип загустителя | Диапазон температур | Особенности |
|---|---|---|
| Литиевый | -30...+120°C | Универсальные, водостойкие |
| Литиевый комплексный | -30...+160°C | Повышенная термостойкость |
| Кальциевый | -20...+80°C | Высокая водостойкость |
| Полимочевинный | -40...+180°C | Длительный срок службы |
| Бентонитовый (силикагелевый) | -40...+200°C | Высокотемпературные применения |
7.5. Степень заполнения смазкой
7.6. Периодичность смазывания
При повышении рабочей температуры выше 70°C интервал смазывания сокращается вдвое на каждые 15°C превышения. Например, если базовый интервал при 70°C составляет 6 месяцев, то при 85°C он составит 3 месяца, а при 100°C - 1,5 месяца.
8. Посадки и монтаж
8.1. Выбор посадок по ГОСТ 3325-85
Выбор посадки зависит от вида нагружения кольца, величины нагрузки и условий эксплуатации. ГОСТ 3325-85 устанавливает поля допусков и посадки для подшипников качения с номинальным диаметром отверстия до 2500 мм.
| Вид нагружения | Посадка на вал | Посадка в корпус |
|---|---|---|
| Местное внутреннего кольца | g6, h6, js6 | H7, Js7, K7 |
| Циркуляционное внутреннего кольца | k6, m6, n6, p6 | H7, Js7 |
| Местное наружного кольца | k6, m6 | H7, G7 |
| Циркуляционное наружного кольца | h6, js6 | M7, N7, P7 |
8.2. Требования к шероховатости посадочных поверхностей
| Класс точности подшипника | Ra вала, мкм | Ra корпуса, мкм | Ra торцов, мкм |
|---|---|---|---|
| 0, 6 | 1,25 | 2,5 | 2,5 |
| 5 | 0,63 | 1,25 | 1,25 |
| 4 | 0,32 | 0,63 | 0,63 |
| 2 | 0,16 | 0,32 | 0,32 |
8.3. Допустимые отклонения формы
Отклонения формы посадочных поверхностей (овальность, конусность) не должны превышать 1/2 допуска на диаметр. Несоблюдение этих требований приводит к деформации колец подшипника и снижению ресурса.
8.4. Методы монтажа подшипников
Выбор метода монтажа зависит от размера подшипника и величины натяга:
- Механический метод - с использованием прессов, специальных оправок и монтажных гильз. Усилие прикладывается к кольцу, которое устанавливается с натягом.
- Термический метод - нагрев подшипника до 80-100°C вызывает расширение внутреннего кольца и обеспечивает свободную посадку на вал. Применяется для средних и крупных подшипников.
- Гидравлический метод - использование гидравлических гаек, инжекции масла под давлением между сопрягаемыми поверхностями.
9. Подшипники в строительном оборудовании
9.1. Особенности эксплуатации
Строительное оборудование характеризуется тяжелыми условиями эксплуатации: ударные нагрузки, запыленность, влажность, перепады температур, переменные режимы работы. Эти факторы требуют особого подхода к выбору подшипников.
9.2. Типовые подшипниковые узлы
| Механизм | Тип подшипника | Особенности применения |
|---|---|---|
| Опорно-поворотное устройство крана | Однорядный шариковый с 4-точечным контактом, трехрядный роликовый | Восприятие осевых, радиальных нагрузок и опрокидывающего момента |
| Редуктор механизма подъема | Конические роликовые, цилиндрические роликовые | Высокие нагрузки, точное позиционирование |
| Ходовые колеса | Сферические роликовые, конические роликовые | Компенсация несоосности, ударные нагрузки |
| Барабан лебедки | Сферические роликовые | Прогиб вала, высокие нагрузки |
| Стрела экскаватора | Сферические шарнирные, игольчатые | Знакопеременные нагрузки, загрязнение |
| Бетоносмеситель | Сферические роликовые | Несоосность, абразивная среда |
9.3. Опорно-поворотные устройства
Опорно-поворотные устройства (ОПУ) применяются в башенных кранах, экскаваторах, автокранах и другой строительной технике. Они воспринимают комбинацию осевых, радиальных нагрузок и опрокидывающего момента.
| Тип ОПУ | Грузоподъемность | Область применения |
|---|---|---|
| Однорядное шариковое с 4-точечным контактом | Средняя | Автокраны, манипуляторы |
| Двухрядное шариковое | Высокая | Башенные краны |
| С перекрестными роликами | Очень высокая | Экскаваторы, тяжелые краны |
| Трехрядное роликовое | Максимальная | Портовые краны, карьерная техника |
9.4. Рекомендации по обслуживанию
Для обеспечения надежной работы подшипников в строительном оборудовании необходимо:
- регулярно контролировать состояние смазки и своевременно ее заменять;
- проверять температуру подшипниковых узлов при эксплуатации;
- контролировать состояние уплотнений;
- проводить вибродиагностику для раннего выявления дефектов;
- соблюдать рекомендации производителя по техническому обслуживанию.
10. Часто задаваемые вопросы
Требуемая динамическая грузоподъемность определяется по формуле C = P * (L10)1/p, где P - эквивалентная динамическая нагрузка, L10 - требуемый ресурс в миллионах оборотов, p - показатель степени (3 для шариковых, 10/3 для роликовых подшипников). Рассчитанное значение должно быть меньше каталожного значения выбранного подшипника.
Предельная скорость указывается в каталогах производителей для класса точности 0 при нормальных условиях эксплуатации. Она зависит от типа подшипника, способа смазки и температурных условий. Превышение предельной скорости приводит к перегреву и преждевременному разрушению подшипника. Для повышения допустимой скорости применяют подшипники более высоких классов точности: класс 5 увеличивает скорость в 1,5 раза, класс 4 - в 2 раза.
Роликовые подшипники применяют при высоких радиальных нагрузках, так как линейный контакт ролика с дорожкой качения обеспечивает большую грузоподъемность. Шариковые подшипники предпочтительны при высоких скоростях и умеренных нагрузках благодаря меньшему трению. При комбинированных нагрузках используют конические роликовые или радиально-упорные шариковые подшипники.
Выбор смазки зависит от условий эксплуатации: температурного диапазона, скорости вращения, нагрузки и окружающей среды. Для большинства промышленных применений подходят литиевые смазки класса NLGI 2. При высоких температурах применяют комплексно-литиевые или полимочевинные смазки. При высоких скоростях предпочтительна масляная смазка с низкой вязкостью.
Для общепромышленного оборудования достаточно класса точности 0 (нормальной точности). Класс 6 применяется в редукторах, насосах, когда требуется повышенная точность вращения. Классы 5, 4, 2 используются в станках, шпинделях и прецизионном оборудовании, где критичны точность позиционирования и минимальные вибрации. Классы точности определены в ГОСТ 520-2011.
Нормальная рабочая температура подшипника не должна превышать 65°C. При температуре 65-95°C происходит ускоренное старение смазки и повышенный износ. Выше 95°C - критический перегрев, требующий немедленного устранения причины. Для работы при повышенных температурах применяют подшипники с увеличенным зазором, термостабилизированные, с высокотемпературными смазками.
Посадка выбирается в зависимости от вида нагружения кольца. При циркуляционном нагружении (кольцо вращается относительно направления нагрузки) требуется посадка с натягом. При местном нагружении (кольцо неподвижно относительно направления нагрузки) допускается посадка с зазором. Величина натяга зависит от размера подшипника и интенсивности нагрузки согласно ГОСТ 3325-85.
В строительных кранах применяются: опорно-поворотные устройства для поворотной части (шариковые с 4-точечным контактом или роликовые), конические и сферические роликовые подшипники в редукторах механизмов подъема и поворота, цилиндрические и сферические роликовые в ходовой части. Выбор определяется характером нагрузок и условиями эксплуатации конкретного узла.
Периодичность замены смазки зависит от условий эксплуатации. При нормальных условиях (температура до 70°C, умеренные нагрузки) интервал составляет 3000-5000 часов работы. При повышенных температурах интервал сокращается вдвое на каждые 15°C превышения базовой температуры 70°C. В закрытых подшипниках смазка рассчитана на весь срок службы. Признаки необходимости замены: повышение температуры, шум, изменение цвета смазки.
Модифицированный ресурс Lnm учитывает влияние условий смазки, загрязнения, предела усталостной нагрузки и вероятности безотказной работы, отличной от 90%. Он рассчитывается по формуле Lnm = a1 * aISO * L10, где a1 - коэффициент вероятности, aISO - системный коэффициент модификации. Этот метод, описанный в ГОСТ 18855-2013, дает более точную оценку реального ресурса в конкретных условиях эксплуатации.
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Подшипники
- Высокотемпературные подшипники
- Игольчатые подшипники
- Корпусные подшипники
- Низкотемпературные подшипники
- Подшипники ART
- Подшипники ASAHI
- Двухрядные радиально-упорные шариковые подшипники ASAHI
- Двухрядные самоустанавливающиеся шариковые подшипники ASAHI
- Игольчатые подшипники с сепаратором в сборе ASAHI
- Конические однорядные роликовые подшипники без наружной обоймы ASAHI
- Конические роликовые подшипники в сборе ASAHI
- Корпусные подшипники из коррозионно-стойкой стали ASAHI
- Метрические однорядные конические роликоподшипники ASAHI
- Однорядные конические роликовые подшипники (парная метрическая система) ASAHI
Источники
- ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007) "Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс"
- ГОСТ 18854-2013 (ISO 76:2006) "Подшипники качения. Статическая грузоподъемность"
- ГОСТ 3325-85 "Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки"
- ГОСТ 520-2011 "Подшипники качения. Общие технические условия"
- ГОСТ 20918-75 "Подшипники качения. Методы расчета предельной частоты вращения"
- ГОСТ 32305-2013 (ISO 15312:2003) "Подшипники качения. Номинальная тепловая частота вращения. Расчет и коэффициенты"
- Справочник конструктора по расчету и выбору подшипников качения / Под ред. Н.А. Спицына. - М.: Машиностроение
- Техническая документация производителей подшипников (SKF, FAG, NSK, Timken)
