Предельная частота вращения подшипника является критическим параметром его эксплуатации. Значения допускаемой частоты вращения, указываемые в технических параметрах, обычно приведены для двух типов смазки: пластичной (консистентной) и жидкой масляной. Однако достижение максимально возможной частоты вращения требует обязательного учета приложенной нагрузки.
Основным фактором, ограничивающим скорость вращения, является температура, возникающая из-за трения внутри подшипника и определяемая возможностями теплоотвода. Эксплуатация на предельных частотах предполагает соблюдение следующих условий: наличие достаточного рабочего радиального зазора для компенсации разности теплового расширения наружного и внутреннего колец; использование жестких валов и корпусов; применение правильно подобранного смазочного материала. Величина максимально допустимой нагрузки рассчитывается на основе регламентированной стандартами долговечности с учетом коэффициентов, ограничивающих скорость.
При высоких скоростях и значительных ускорениях возникает риск проскальзывания колец относительно тел качения. Для радиальных подшипников минимальная радиальная нагрузка должна составлять не менее 0,02C, где C – базовая динамическая грузоподъемность (в Ньютонах). В отдельных случаях, путем оптимизации режима нагрузки и условий смазки, возможно незначительное превышение указанной предельной частоты вращения. Это требует строгой регламентации дозировки правильно подобранной смазки и обеспечения эффективного отвода тепла, выделяющегося от трения.
Влияние класса точности
Точность изготовления подшипника (класс точности) оказывает существенное влияние на его предельную скорость. Более высокий класс точности снижает потери на трение между телами качения, сепаратором и кольцами, уменьшая тепловыделение и позволяя повысить скорость вращения. Справочные значения предельных частот вращения обычно соответствуют классу точности 0. Влияние повышенных классов точности представлено в таблице:
| Тип подшипника | Коэффициент увеличения предельной частоты вращения | |
|---|---|---|
| Класс точности 5 | Класс точности 4 | |
| Шариковые радиальные | 1.5x | 2.0x |
| Шариковые радиально-упорные | 1.5x | 2.0x |
| Радиальные с короткими цилиндрическими роликами | 1.5x | 2.0x |
| С коническими роликами (радиально-упорные и упорные) | 1.1x | 1.2x |
| Упорные шарикоподшипники | 1.1x | 1.2x |
Конструктивные и эксплуатационные факторы
Тип подшипника определяет его кинематику и потери на трение. Наиболее быстроходными являются прецизионные радиальные и радиально-упорные шарикоподшипники легких и сверхлегких серий. Подшипники тяжелых серий обладают меньшей быстроходностью.
Конструкция сепаратора критически важна для высокоскоростной работы. В высокоскоростных узлах применяются подшипники с массивными, механически обработанными сепараторами из латуни, бронзы или текстолита. Влияние типа сепаратора на предельную скорость отражено в таблице:
| Тип сепаратора | Влияние на предельную скорость вращения |
|---|---|
| Штампованные стальные и латунные | Не влияет |
| Механически обработанные (кованые) латунные | Позволяет увеличить |
| Литые (полимерные) | Не влияет |
| Механически обработанные из текстолита (центр. по обойме) | Позволяет увеличить |
Перспективным направлением являются подшипники с телами качения из керамических материалов (например, нитрида кремния Si₃N₄). Их преимущества – малая плотность, высокая прочность, термостойкость, износостойкость и коррозионная стойкость – приводят к снижению тепловыделения (из-за меньшего трения) и уменьшению центробежных нагрузок, повышая ресурс высокоскоростных узлов в 1.5-2 раза.
Смазочный материал для высокоскоростных подшипников должен обладать пониженной вязкостью и хорошими антикоррозионными свойствами. Применяются различные способы подвода смазки: циркуляционное смазывание, смазывание масляным туманом и другие. Правильно выбранный предварительный натяг является необходимым условием достижения высокой частоты вращения. Недостаточный натяг вызывает повышенную вибрацию, а чрезмерный – избыточное тепловыделение и неоправданное снижение ресурса.
Особые случаи и методы повышения скорости
Для спаренных подшипников (дуплексных сборок) предельная частота вращения должна быть снижена примерно до 80% от значения для одиночного подшипника.
Существенное превышение справочных значений предельной частоты возможно за счет:
- Конструктивных усовершенствований: Прежде всего, использование сепараторов специального исполнения, рассчитанных на работу при повышенных и предельных скоростях.
- Улучшения условий смазывания: Обеспечение приемлемого интервала повторного смазывания (особенно для пластичных смазок), применение смазочных материалов и методов смазки, подходящих для высоких рабочих температур и совместимых с материалом сепаратора.
- Улучшения теплоотвода: Компенсация роста температуры подшипника за счет дополнительного охлаждения.
- Компенсации температурных эффектов: Учет уменьшения рабочего зазора подшипника вследствие нагрева.
- Корректировки посадок: Корректировка допусков посадки в корпусе для сохранения возможности осевого смещения наружных колец плавающих подшипников при их нагреве.
- Повышения точности: Корректировка класса точности подшипника и геометрических допусков посадочных мест вала и корпуса для минимизации вибрации.
Следует учитывать, что повышение требований к подшипнику (точности, материалам, конструкции сепаратора) неизбежно ведет к увеличению сложности его изготовления и росту себестоимости.
