Подшипники планшайб сварочных позиционеров

Подшипники планшайб сварочных позиционеров: техническая основа точного вращения

Сварочные позиционеры представляют собой механизмы, обеспечивающие позиционирование и вращение свариваемых изделий для повышения качества сварочных работ. Центральным элементом конструкции позиционера выступает планшайба — вращающийся рабочий стол, на котором закрепляется обрабатываемая деталь. Подшипниковый узел планшайбы воспринимает одновременно радиальные и осевые нагрузки от массы детали, а также опрокидывающие моменты при наклоне рабочего стола.

Качество работы подшипникового узла напрямую определяет точность вращения планшайбы, стабильность положения детали в процессе сварки и долговечность всего позиционера. В подшипниках планшайб возникают сложные условия эксплуатации: переменные нагрузки при вращении и наклоне, воздействие вибраций при сварочных процессах, работа в условиях возможного загрязнения и повышенных температур вблизи зоны сварки.

Подшипниковые узлы планшайб должны обеспечивать плавное вращение при малых скоростях, характерных для сварочных позиционеров (обычно от 1 до 12 оборотов в минуту), сохранять точность позиционирования детали и выдерживать значительные статические и динамические нагрузки. Данные требования предъявляют особые условия к выбору типа подшипников, их конструкции, классу точности и системе смазки.

Типы подшипников для планшайб сварочных позиционеров

Упорно-радиальные подшипники

Упорно-радиальные подшипники представляют собой класс подшипников качения, предназначенных для одновременного восприятия радиальных и осевых нагрузок. В конструкции планшайб сварочных позиционеров эти подшипники являются основным типом опорных элементов, поскольку планшайба подвергается комбинированным нагрузкам: вертикальной нагрузке от массы детали и горизонтальной радиальной нагрузке при наклоне рабочего стола.

Конструктивно упорно-радиальные подшипники характеризуются наличием дорожек качения, расположенных под углом к оси подшипника. Этот угол, называемый углом контакта, определяет соотношение между радиальной и осевой грузоподъемностью. Согласно ГОСТ 831-75 и ГОСТ 832-78, стандартные углы контакта для радиально-упорных подшипников составляют 12, 15, 26, 30, 36 и 40 градусов. Для подшипников планшайб наиболее распространены углы контакта 15, 30 и 40 градусов.

Радиально-упорные подшипники могут быть однорядными или двухрядными. Однорядные подшипники воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении и требуют спаренной установки. Двухрядные подшипники содержат два ряда тел качения и способны воспринимать двунаправленные осевые нагрузки, что упрощает конструкцию подшипникового узла планшайбы.

Опорно-поворотные устройства

Опорно-поворотные устройства представляют собой крупногабаритные подшипниковые конструкции, специально разработанные для применения в поворотных механизмах. В сварочных позиционерах большой грузоподъемности (от 1 тонны и выше) опорно-поворотные устройства становятся предпочтительным решением по сравнению с обычными радиально-упорными подшипниками.

Конструкция опорно-поворотных устройств объединяет в одном узле функции радиального и упорного подшипников. Основные типы опорно-поворотных устройств, применяемых в планшайбах позиционеров, включают шариковые однорядные, роликовые с перекрестным расположением роликов и комбинированные конструкции с несколькими рядами тел качения.

Опорно-поворотные устройства с перекрестными роликами обеспечивают высокую жесткость конструкции при компактных размерах. Ролики расположены под углом 90 градусов друг к другу, что позволяет одному ряду воспринимать радиальные, а другому — осевые нагрузки. Такая конструкция особенно эффективна для прецизионных позиционеров, где требуется минимальное биение планшайбы при вращении.

Прецизионные подшипники для точного вращения

Прецизионные подшипники характеризуются повышенным классом точности изготовления и применяются в сварочных позиционерах, где требуется высокая точность позиционирования детали. Согласно ГОСТ 520-2011, подшипники классов точности 5, 4 и 2 относятся к прецизионным. Для планшайб позиционеров наиболее распространены подшипники класса точности 5 и 4.

Класс точности определяет допуски на размеры, форму и расположение поверхностей подшипника, а также параметры точности вращения. Основными параметрами, характеризующими прецизионные подшипники, являются радиальное и осевое биение колец, отклонения от круглости дорожек качения, непостоянство ширины подшипника.

Применение прецизионных подшипников в планшайбах позиционеров обеспечивает минимальное радиальное биение при вращении, что критично для качества кольцевых сварных швов. При автоматической сварке с использованием роботизированных комплексов точность вращения планшайбы определяет повторяемость траектории сварочной горелки и, соответственно, качество шва.

Конструкция и принцип работы подшипниковых узлов планшайб

Схема установки подшипников

Подшипниковый узел планшайбы сварочного позиционера обычно включает основной упорно-радиальный подшипник большого диаметра, воспринимающий основную нагрузку, и дополнительные радиальные подшипники, обеспечивающие центрирование вала планшайбы. В позиционерах малой грузоподъемности может применяться схема с двумя радиально-упорными подшипниками, установленными в спаренной конфигурации.

Основной подшипник устанавливается в опорную часть станины позиционера и воспринимает вертикальную нагрузку от массы детали и планшайбы. При наклоне планшайбы распределение нагрузки между подшипниками изменяется, и возникают дополнительные радиальные усилия. Расчет подшипникового узла должен учитывать все возможные положения планшайбы и соответствующие комбинации нагрузок.

Распределение нагрузок в подшипниках

При вертикальном положении планшайбы основная нагрузка представляет собой осевое усилие, равное суммарной массе планшайбы и детали. В этом режиме радиальная составляющая нагрузки минимальна и обусловлена только неуравновешенностью детали на планшайбе.

При наклоне планшайбы на угол от 0 до 90 градусов происходит перераспределение нагрузки: осевая составляющая уменьшается пропорционально косинусу угла наклона, а радиальная — увеличивается пропорционально синусу угла. Максимальная радиальная нагрузка достигается при горизонтальном положении планшайбы (угол наклона 90 градусов).

Тела качения и сепараторы

В подшипниках планшайб применяются шарики или ролики в качестве тел качения. Шариковые подшипники обеспечивают меньшее трение и более плавное вращение при малых нагрузках, роликовые подшипники выдерживают большие нагрузки за счет увеличенной площади контакта.

Сепараторы подшипников планшайб изготавливаются из стали, латуни или полимерных материалов. Для тяжелонагруженных узлов предпочтительны массивные стальные или латунные сепараторы, обеспечивающие надежное разделение тел качения при больших нагрузках. Полимерные сепараторы применяются в легких позиционерах и обеспечивают бесшумную работу.

Требования к подшипникам планшайб позиционеров

Грузоподъемность и ресурс

Основным требованием к подшипникам планшайб является обеспечение необходимой грузоподъемности с запасом прочности. Базовая динамическая грузоподъемность подшипника должна обеспечивать расчетный ресурс не менее 20000 часов работы при номинальной нагрузке и скорости вращения.

Расчетный ресурс подшипника определяется согласно ГОСТ 18855-2013 и зависит от отношения базовой динамической грузоподъемности к эквивалентной динамической нагрузке. Для подшипников планшайб, работающих при малых скоростях вращения (1-12 об/мин), ресурс обычно измеряется не в миллионах оборотов, а в часах непрерывной работы.

Жесткость подшипникового узла

Жесткость подшипникового узла определяет деформацию планшайбы под нагрузкой и влияет на точность позиционирования детали. Радиальная и осевая жесткость подшипника зависят от количества и размера тел качения, угла контакта, величины предварительного натяга.

Для повышения жесткости подшипниковых узлов планшайб применяют подшипники с увеличенным числом тел качения, устанавливают подшипники большого диаметра, используют схемы с предварительным натягом. Предварительный натяг создает постоянный контакт тел качения с дорожками и устраняет зазоры в подшипнике, что повышает жесткость и точность вращения.

Стойкость к вибрациям и ударным нагрузкам

Сварочные процессы сопровождаются вибрациями, передающимися на планшайбу и подшипниковый узел. Электродуговая сварка создает высокочастотные вибрации небольшой амплитуды, механические воздействия при установке и съеме детали вызывают ударные нагрузки. Подшипники должны выдерживать эти воздействия без повреждений дорожек качения и тел качения.

Для повышения стойкости к вибрациям применяют подшипники с массивными сепараторами, обеспечивающими надежную фиксацию тел качения. Использование смазок с противоизносными присадками снижает интенсивность изнашивания при вибрационных нагрузках. В особо ответственных случаях применяют подшипники с керамическими телами качения, обладающими повышенной твердостью и износостойкостью.

Работа подшипников под переменными нагрузками

Характер нагружения планшайбы

Подшипники планшайб сварочных позиционеров работают в условиях переменных нагрузок, изменяющихся как по величине, так и по направлению. При вращении планшайбы с несимметрично расположенной деталью возникают циклические изменения радиальной нагрузки с частотой, равной частоте вращения. При изменении угла наклона планшайбы происходит перераспределение между осевой и радиальной составляющими нагрузки.

Переменные напряжения в материале дорожек качения и тел качения приводят к усталостному изнашиванию. Ресурс подшипника до появления первых признаков усталости определяется числом циклов нагружения. Согласно ГОСТ 18855-2013, ресурс подшипника представляет собой число оборотов, которое одно из колец делает относительно другого до появления первых признаков усталости металла.

Расчет при переменных нагрузках

При переменных нагрузках для расчета ресурса подшипника используется метод эквивалентной нагрузки. Строится циклограмма работы позиционера с указанием режимов нагружения и их продолжительности. Для каждого режима определяется эквивалентная динамическая нагрузка, затем вычисляется средняя эквивалентная нагрузка за весь цикл работы.

Усталостное выкрашивание и профилактика

Основным механизмом разрушения подшипников при переменных нагрузках является усталостное выкрашивание материала дорожек качения. Причиной служат переменные напряжения сдвига в подповерхностных слоях, порождающие микротрещины. Трещины распространяются к поверхности, и при перекатывании тел качения происходит скалывание частиц материала.

Процесс усталостного выкрашивания развивается постепенно и сопровождается усилением шума и вибрации при работе подшипника. Мониторинг вибрации и шума позволяет обнаружить начальную стадию повреждений и заменить подшипник до полного разрушения. Применение прецизионных подшипников, качественной смазки и защита от загрязнений существенно увеличивают ресурс до появления усталостного выкрашивания.

Смазка и техническое обслуживание подшипников планшайб

Требования к смазочным материалам

Смазка подшипников планшайб должна обеспечивать надежную работу в условиях малых скоростей вращения, переменных нагрузок и возможного воздействия повышенных температур вблизи зоны сварки. Основными функциями смазки являются уменьшение трения между телами качения и дорожками, отвод тепла, защита от коррозии и предотвращение попадания загрязнений.

Для подшипников планшайб применяются пластичные смазки на литиевой или литиевой комплексной основе. Рабочий диапазон температур смазки должен охватывать весь возможный температурный режим эксплуатации позиционера. При работе вблизи зоны сварки, где возможен нагрев до 80-120 градусов Цельсия, применяют высокотемпературные смазки с температурой каплепадения не менее 180-250 градусов.

Смазка должна обладать противоизносными и противозадирными свойствами для защиты подшипников при пиковых нагрузках и ударных воздействиях. Для тяжелонагруженных подшипников планшайб рекомендуется применение смазок с показателем нагрузки сваривания по ГОСТ 9490-75 не менее 2000 Н.

Системы смазки подшипниковых узлов

В сварочных позиционерах применяются две основные системы смазки подшипников планшайб: консервационная смазка и централизованная система смазывания. Консервационная смазка предполагает заполнение подшипникового узла смазкой при сборке с периодическим обслуживанием и дозаполнением через пресс-масленки.

Централизованная система смазывания включает резервуар со смазкой, систему подачи и дозаторы. Смазка подается к подшипникам через определенные интервалы времени или после определенного числа циклов работы. Такая система обеспечивает более стабильное смазывание и увеличивает интервалы между обслуживанием, но требует дополнительного оборудования и усложняет конструкцию.

Интервалы обслуживания и замена смазки

Интервалы замены смазки в подшипниках планшайб зависят от интенсивности эксплуатации, условий работы и типа применяемой смазки. При работе в нормальных условиях с литиевой смазкой рекомендуется проводить перемазку подшипников каждые 2000-3000 часов работы или не реже одного раза в год.

При работе в условиях повышенных температур, загрязненной среды или интенсивной эксплуатации интервалы сокращаются до 1000-1500 часов. Применение высококачественных полимочевинных или высокотемпературных смазок позволяет увеличить интервалы до 5000-8000 часов работы.

Выбор подшипников для планшайб позиционеров

Основные критерии выбора

Выбор подшипников для планшайбы сварочного позиционера начинается с определения эксплуатационных параметров: номинальной грузоподъемности позиционера, диаметра планшайбы, диапазона углов наклона, скорости вращения и требуемой точности позиционирования. На основе этих данных производится расчет нагрузок на подшипники во всех режимах работы.

Следующим этапом является определение типа подшипника. Для позиционеров малой грузоподъемности (до 200 кг) обычно применяются радиально-упорные шариковые подшипники. Позиционеры средней грузоподъемности (200-1000 кг) оснащаются коническими роликовыми или радиально-упорными роликовыми подшипниками. Тяжелые позиционеры (свыше 1000 кг) требуют применения опорно-поворотных устройств.

Расчет требуемой грузоподъемности

Расчет требуемой динамической грузоподъемности подшипника производится исходя из заданного ресурса и эквивалентной динамической нагрузки. Базовая динамическая грузоподъемность C определяется из формулы расчета ресурса по ГОСТ 18855-2013. При расчете необходимо учитывать коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки и условия эксплуатации.

Для сварочных позиционеров коэффициент безопасности обычно принимается в диапазоне 1.2-1.5, что обеспечивает запас по грузоподъемности и компенсирует неучтенные факторы нагружения. При работе в условиях ударных нагрузок или интенсивной эксплуатации коэффициент безопасности увеличивается до 1.5-2.0.

Учет условий эксплуатации

При выборе подшипников необходимо учитывать специфические условия эксплуатации сварочных позиционеров. Воздействие сварочных брызг требует применения уплотнений подшипникового узла для защиты от попадания раскаленных частиц металла. Вибрации при сварке накладывают дополнительные требования к жесткости подшипника и качеству смазки.

Работа на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях требует применения подшипников с расширенным температурным диапазоном и смазок, сохраняющих свойства при низких температурах. Для позиционеров, работающих в агрессивной среде, применяются подшипники из нержавеющей стали или с защитными покрытиями.

Монтаж и эксплуатация подшипниковых узлов планшайб

Требования к монтажу

Монтаж подшипников планшайб требует соблюдения высоких требований к точности и чистоте. Посадочные поверхности вала и корпуса должны соответствовать допускам, указанным в технической документации на подшипник согласно ГОСТ 3325-85. Отклонения от соосности не должны превышать допустимые значения, определяемые типом и размером подшипника.

Перед монтажом подшипники должны быть очищены от консервационной смазки и промыты в чистом керосине или специальных промывочных жидкостях. После промывки подшипники сушатся сжатым воздухом и заполняются рабочей смазкой. Количество смазки должно составлять 30-50% свободного объема подшипникового узла для обеспечения оптимальных условий смазывания без перегрева.

Регулировка и настройка

После установки подшипников производится регулировка зазора или предварительного натяга в подшипниковом узле. Для радиально-упорных подшипников регулировка осуществляется путем изменения расстояния между подшипниками или затяжкой регулировочной гайки. Правильная регулировка обеспечивает оптимальное распределение нагрузки и минимальное биение планшайбы.

Контроль правильности монтажа включает измерение радиального и осевого биения планшайбы, проверку плавности вращения, измерение момента сопротивления вращению. Радиальное биение планшайбы не должно превышать значений, определяемых классом точности позиционера и требованиями к качеству сварки.

Диагностика и профилактика

Регулярная диагностика состояния подшипников планшайбы позволяет своевременно обнаружить развивающиеся дефекты и предотвратить аварийный выход из строя. Основными методами диагностики являются контроль вибрации, измерение температуры подшипникового узла, анализ шума при работе, визуальный осмотр при техническом обслуживании.

Превышение нормального уровня вибрации свидетельствует о развитии дефектов дорожек качения или тел качения, износе сепаратора, недостатке смазки. Повышенная температура подшипникового узла может указывать на чрезмерный предварительный натяг, недостаток или деградацию смазки, попадание загрязнений. Появление нехарактерных шумов — признак износа или повреждения элементов подшипника.

Часто задаваемые вопросы