Основные характеристики подшипников качения

В мире существует несколько сотен подшипниковых брендов, тысячи заводов производят десятки тысяч типоразмеров подшипников в количестве более десяти миллиардов штук в год. И все они востребованы потребителями, как для комплектации новых машин и механизмов, так и для ремонта уже существующего оборудования. Как же сориентироваться в этом многообразии?

На помощь приходит принцип взаимозаменяемости: большинство подшипников качения являются стандартизованными изделиями, аналогично болтам, гайкам, электролампочкам или автомобильным шинам. Основные параметры подшипников формализованы, приведены к единым стандартам и исчерпывающе описаны в каталогах производителей, что позволяет потребителю объективно выбирать наиболее подходящие для конкретного применения подшипники, а также сравнивать между собой аналогичные изделия разных брендов для поиска доступных аналогов.

Важнейшими характеристиками подшипника качения являются его конструктивный тип, геометрические размеры, грузоподъёмность, скоростные свойства, применяемые материалы и некоторые другие параметры.  Далее подробно поговорим о каждом из них.

Различные конструктивные типы подшипников возникли в результате длительной эволюции и своеобразного естественного отбора. На сегодня основными являются радиальный, упорный и радиально-упорный шарикоподшипники, самоустанавливающийся шарикоподшипник, роликовые радиальные цилиндрический, сферический и тороидальный подшипники, роликовые упорные цилиндрический, сферический и конический подшипники, конический роликоподшипник функционально являющийся радиально-упорным, а также многорядные и комбинированные конструкции на базе перечисленных типов. Некоторые типы имеют конструктивные варианты, различающиеся формой отверстия, наличием уплотнений, конфигурацией бортов и другими деталями. Каждый конструктивный тип подшипников будет подробно рассмотрен в следующих статьях.

Номинальные габаритные и присоединительные размеры – следующий набор важнейших параметров, которыми определяется физическая возможность установки подшипника в машине. К размерам в обязательном порядке относятся диаметр отверстия, наружный диаметр и ширина либо высота, когда описывается упорный подшипник, а также размеры фасок, рис.1. В конструкции некоторых подшипников имеются дополнительные элементы, например, упорные фланцы, стопорные канавки и пазы, и в таких случаях размеры этих элементов тоже входят в группу габаритно-присоединительных. Геометрические размеры отечественных подшипников регламентированы ГОСТ 520, импортных – ISO 15, ISO 104, ISO 355, ANSI/ABMA 19.2 и некоторыми другими.

Рис.1. Габаритные размеры: наружный диаметр D, диаметр отверстия d, ширина B, радиус фаски наружного кольца r, высота H, диаметр упорного фланца D1

В силу конечной точности изготовления фактические габаритные и присоединительные размеры подшипника могут отклоняться от номинальных на некоторую величину, максимальное разрешённое значение которой называется допуском. Совокупность всех допустимых фактических значений для каждого номинального размера называется полем допуска данного размера. При этом номинальный размер может располагаться внутри поля допуска, на краю или даже за его пределами. В частности, для радиальных подшипников качения с метрическими номинальными размерами поля допусков наружного диаметра, диаметра отверстия и ширины расположены так, что фактический размер не может превышать номинальный, рис. 2.

Рис.2. Габаритные размеры и поля допусков метрического радиального подшипника

Величина допустимого отклонения фактического размера от номинального, называемая «шириной поля допуска», определяет размерную точность подшипника. Дополнительно к точности размеров подшипник характеризуется геометрической точностью, т.е. степенью приближения формы образующих его реальных поверхностей к идеальным геометрическим фигурам - цилиндрам, плоскостям, сферам, конусам, торам… Вместе размерная и геометрическая точности составляют характеристику, называемую «классом точности» подшипника. Чем уже поля допусков размера и формы, тем ближе фактические размеры к номинальным, а форма – к идеальной, и тем выше класс точности подшипника.

Грузоподъёмности составляют третий набор важнейших «силовых» свойств подшипника и характеризуют его способность воспринимать статические и динамические нагрузки, рис.3.

Рис.3. Грузоподъёмность подшипников (фрагмент каталога)

Указываемая в каталогах номинальная динамическая грузоподъёмность равна нагрузке, которую вращающийся подшипник может выдержать в продолжение одного миллиона оборотов с вероятностью разрушения 10%.

Номинальная статическая грузоподъёмность равна нагрузке, вызывающей у неподвижного подшипника остаточную пластическую деформацию поверхности дорожек в местах контакта с шариками или роликами порядка 0,01% диаметра тела качения.

Предел усталостной прочности, иногда называемый пределом усталостного нагружения, численно равен максимальной нагрузке, действие которой на вращающийся подшипник не вызывает развития усталостных явлений в материале колец под поверхностью дорожек качения.

Важно, что для всех трёх перечисленных силовых характеристик направление вектора приложенной нагрузки должно соответствовать типу подшипника, т.е. быть радиальным для радиальных подшипников и осевым для радиально-упорных и упорных.  Для каждого конкретного подшипника величина статической грузоподъёмности может быть рассчитана по формулам  ГОСТ 18854 / ISO 76, а динамической грузоподъёмности и предела усталостной прочности – по  ГОСТ 18855 / ISO 281. Производители подшипников периодически подтверждают нагрузочные характеристики своей продукции результатами ресурсных испытаний.

Скоростные свойства подшипников качения имеют два равноправных варианта описания.

Хронологически первым появился вариант указания в каталогах продукции двух значений предельных скоростей вращения: сравнительно низкой для случая смазывания подшипника пластичной смазкой и более высокой, если применяется смазывание жидким маслом, таб.4а.

Таб.4. Скоростные характеристики подшипников (фрагмент каталога)

Такой подход оказался весьма удобным для сопоставления конкретного подшипника реальным условиям применения, поэтому был одобрен потребителями как руководство для быстрого самостоятельного подбора аналогов.  Однако, учитывая широкое разнообразие конструктивных разновидностей подшипников, применение нетрадиционных материалов и непрерывную эволюцию взглядов на эффективное смазывание, нашёл применение и второй вариант описания скоростных свойств подшипников, при котором указывают две другие характеристики: номинальную и предельную частоты вращения, рис. 4б.

Номинальная, иначе называемая «справочной» или «тепловой» частотой вращения, это скорость, при которой в подшипнике возникает тепловой баланс, т.е. количество тепла, вырабатываемого подшипником вследствие не стопроцентного КПД, равно количеству тепла, в то же время рассеиваемого им в окружающее пространство. При этом температуры подшипника и окружающей среды, величина и направление приложенной к подшипнику нагрузки, способ смазывания и смазочное вещество строго регламентированы ISO 15312, чтобы условия испытаний были одинаковыми для всех производителей, а результаты можно было сравнивать друг с другом. По сути, чем больше указанная в каталоге номинальная частота вращения, тем выше собственная энергоэффективность подшипника и тем ниже будет его температура в реальных рабочих условиях при прочих равных исходных данных.

Предельная частота вращения определяется внутренней кинематикой подшипника и соответствует максимальной скорости, при которой упругие деформации деталей подшипника – колец, тел качения, сепаратора, - возникающие под действием центробежных и гироскопических сил, находятся в допустимых пределах и не оказывают критического влияния на ресурс. Обычно предельная частота указывается для подшипников базовой конструкции, поскольку тип и материал сепаратора, внутренний зазор и особенно встроенные уплотнения радикально меняют значение данного параметра.

Последней по порядку, но не по важности, общей характеристикой подшипников качения является набор материалов, из которых изготовлены детали подшипника.

Традиционным материалом для колец и тел качения является конструкционная углеродистая низколегированная сталь. Высокоуглеродистая сталь с содержанием углерода около одного процента после закалки позволяет получить деталь, имеющую одинаковую структуру и твёрдость во всём объёме. В случаях, когда твёрдость поверхности должна быть существенно выше сердцевины изделия, применяется низкоуглеродистая сталь и специальная термообработка, включающая операцию науглероживания поверхности.

Высоколегированная сталь используется для изготовления колец и тел качения подшипников со специальными свойствами: сопротивление коррозии, способность противостоять высоким температурам, устойчивость к воздействию химических веществ и т.д.

Инженерная керамика, в частности, нитрид кремния, обладает многими полезными свойствами, такими как высокая твёрдость, малая плотность, химическая устойчивость, отсутствие адгезии к стали, низкий коэффициент температурного расширения, высокое электрическое сопротивление, и поэтому она находит применение для изготовления прецизионных высокоскоростных подшипников для электромашин, станков и транспортных средств, причём подшипники могут быть полностью изготовлены из керамики, а могут иметь гибридную конструкцию: стальные кольца и керамические тела качения.

В химическом, пищевом, фармацевтическом машиностроении встречаются подшипники, кольца которых изготовлены из полимеров, а тела качения – из специальных сортов стекла, что обеспечивает стойкость к воздействию кислот, щелочей и микроорганизмов.

Традиционными материалами сепараторов являются металлы, в первую очередь сталь и сплавы на основе меди, а также чугуны и лёгкие алюминиевые сплавы. Современные полимерные материалы, технологичные и относительно недорогие, тоже находят широкое применение для изготовления сепараторов, особенно в тех случаях, когда требуется обеспечить низкое трение при высокой рабочей скорости.

Для встроенных в подшипники качения уплотнений используют листовой металл и полимерные материалы либо по отдельности, либо в комбинации друг с другом, что позволяет обеспечить баланс между тепловыделением и герметичностью уплотнения.

Перечисленные характеристики подшипника качения позволяют точно и однозначно описать его свойства, они регламентированы стандартами, строго контролируются изготовителями и потребителями. Поэтому вышедшему из строя оригинальному подшипнику любого производителя почти всегда можно найти функциональный аналог, предлагаемый компанией ТЕК-КОМ, и отремонтированное оборудование будет работать без снижения производительности и надёжности. Как это правильно сделать, будет рассказано в следующих статьях.