Внутренний зазор является одной из важнейших характеристик, определяющих работоспособность конкретного подшипника в определённых условиях эксплуатации и критически влияющих на его практический ресурс. Понимание этого позволяет потребителю принять обоснованное решение касательно внутреннего зазора подшипника при его выборе и тем обеспечить надёжность и эффективность работы роторного оборудования.
Терминология
Традиционно в начале беседы следует договориться о терминах. Как определено в ГОСТ 24810 и ISO 5753, внутренним зазором называется расстояние, на которое одно кольцо подшипника может быть смещено относительно другого без приложения внешней нагрузки. За кажущейся простотой этого определения скрывается много тонкостей.
- Во-первых, без приложения нагрузки никакого смещения не будет вовсе. Поэтому речь идёт об очень незначительной нагрузке, которая не вызывает деформации деталей подшипника, а только сближает их до соприкосновения, полностью выбирая имеющийся зазор. В случае измерения зазора на специальных стендах, такая нагрузка называется «измерительной», и она строго регламентируется по величине и направлению действия.
- Во-вторых, относительное смещение колец может происходить в разных направлениях, и в зависимости от этого зазор называется радиальным, когда кольцо движется строго поперёк оси вращения подшипника, либо осевым, если речь идёт о смещении вдоль оси, см. рис.1. Радиальный зазор является характеристикой радиальных подшипников, осевой — двухрядных и спаренных радиально-упорных, а также шарикоподшипников с четырёхточечным контактом. Важно отметить, что к отдельно взятым подшипникам некоторых конструктивных типов понятие внутреннего зазора не применимо в принципе, однако оно может применяться к узлам в сборе, содержащим такие подшипники.
- В-третьих, поскольку возможность относительного смещения колец обусловлена наличием одной и той же внутренней «пустоты» в подшипнике, величины радиального и осевого зазоров геометрически связаны между собой и могут быть выражены друг через друга расчётными формулами, однако для каждого конструктивного типа подшипников производителем регламентируется не более одного из указанных параметров зазора.
Рис.1 Радиальный Cr и осевой Ca внутренние зазоры на примере однорядного радиального шарикоподшипника
Кроме того, для каждого конкретного подшипника фактическая величина его внутреннего зазора может изменяться, и поэтому вводятся понятия зазора в свободном состоянии или домонтажного, зазора после монтажа, когда узел полностью собран, но неподвижен, и рабочего зазора, когда подшипник вращается под нагрузкой достаточное время, чтобы стабилизировалась температура всех деталей узла. Наиболее интересен рабочий зазор, поскольку именно он влияет на работоспособность и ресурс подшипника.
Зазоры в подшипниках
Каждый подшипник, к которому применимо понятие зазора, по величине зазора в свободном состоянии относится к так называемой группе по зазору, радиальному или осевому в зависимости от конструктивного типа. Группы стандартизованы российскими и международными стандартами, в частности, ГОСТ 24810 и ISO 5753, и имеют собственные названия и буквенно-цифровые обозначения, различные для отечественных и импортных подшипников. Для каждой группы каждого типа и каждого размера подшипника стандарты задают границы допустимых значений фактического зазора в свободном состоянии. Для примера фрагмент таблицы радиальных внутренних зазоров роликовых радиальных сферических двухрядных подшипников с цилиндрическим отверстием представлен на рис.2.
Рис.2 Внутренний радиальный зазор роликовых радиальных сферических двухрядных подшипников с цилиндрическим отверстием
(фрагмент таблицы)
Одна из групп зазоров носит название «нормальной», группы, примыкающие к ней со стороны больших зазоров, называются группами с увеличенным зазором, со стороны меньших — группы с уменьшенным зазором. Если конкретный подшипник относится нормальной группе зазоров, т.е. значение его фактического зазора в свободном состоянии укладывается в границы нормальной группы, в обозначении подшипника этот факт обычно никак не отражается, данный подшипник имеет «нормальный» зазор по умолчанию. Исключение составляют прецизионные цилиндрические роликоподшипники, в обозначении которых по умолчанию подразумевается уменьшенный радиальный зазор. Когда до монтажа зазор в подшипнике соответствует какой-либо иной группе зазоров, кроме нормальной, в обозначении такого подшипника появляются дополнительные символы, указывающие на эту группу. Таким образом, по обозначению подшипника можно понять, к какой группе по зазору он относится, и затем по таблицам в каталоге производителя определить, в каком диапазоне значений должен находиться фактический зазор этого подшипника в свободном состоянии.
При сборке узла производится монтаж подшипников на вал и в корпус. В случае применения посадок с натягом, кольца подшипника упруго деформируются, и внутренний радиальный зазор при этом уменьшается. Во время работы трение в подшипнике вызывает его неравномерный нагрев, вследствие разного теплоотвода через вал и корпус внутреннее кольцо подшипника обычно оказывается горячее наружного, и большее тепловое расширение внутреннего кольца дополнительно уменьшает внутренний радиальный зазор. Последовательное уменьшение зазора в процессе монтажа и эксплуатации на примере радиального шарикоподшипника схематично изображено на рис.3.
Рис.3 Уменьшение внутреннего радиального зазора: слева — зазор в свободном состоянии, в центре — зазор после монтажа на вал с натягом ∆dн, справа — рабочий зазор после температурного расширения вала ∆dТ при нагреве деталей узла во время эксплуатации
Для узлов на радиально-упорных подшипниках внутренний осевой зазор при нагреве во время эксплуатации машины может как уменьшаться, так и увеличиваться, итоговая величина рабочего зазора зависит от относительных размеров деталей узла, углов контакта и схемы установки подшипников.
Величина внутреннего зазора в подшипнике непосредственно влияет на распределение нагрузки между шариками или роликами. Для радиальных подшипников уменьшение радиального внутреннего зазора увеличивает количество тел качения, участвующих в передаче нагрузки от одного кольца к другому, и тем самым снижает нагрузку на каждое, уменьшая напряжения в точке контакта самого нагруженного ролика или шарика с дорожкой и повышая ресурс подшипника в целом. На рис.4 схематично изображён радиальный шарикоподшипник с уменьшенным, нормальным и увеличенным радиальным зазором, стрелками показана нагрузка на каждом шарике. Общая векторная сумма нагрузок для каждого подшипника одинакова и равна передаваемой нагрузке Fr, но в случае нормального зазора она распределяется между пятью телами качения, при уменьшенном зазоре — семью, а при увеличенном — только тремя.
Рис.4 Зависимость количества тел качения, передающих нагрузку, от внутреннегорадиального зазора на примере радиального шарикоподшипника. Цветным сектором обозначена зона нагружения дорожки качения неподвижного наружного кольца
Важно отметить, что количество тел качения, участвующих в передачи нагрузки, определяют рабочий сектор на дорожке качения неподвижного кольца, называемый «зоной нагружения». Уменьшение радиального зазора приводит к увеличению площади контакта в зоне нагружения и пропорциональному снижению контактных давления, что также положительно сказывается на ресурсе подшипника.
В радиально-упорном подшипнике на количество тел качения, передающих нагрузку, кроме внутреннего зазора влияет также угол контакта и соотношение величин осевой и радиальной реакций в опоре. Однако общая зависимость сохраняется: чем меньше зазор, тем большее количество тел качения участвует в передаче нагрузки и тем, при прочих равных, выше ресурс подшипника.
Анализируя сказанное можно предположить, что для увеличения ресурса подшипника следует уменьшить его внутренний зазор до нуля. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают эту гипотезу, более того, максимальный ресурс достигается при небольшом отрицательном внутреннем зазоре, который иначе называется внутренний предварительный натяг или преднатяг, см. рис.5.
Рис.5 Зависимость относительного ресурса подшипника качения от внутреннего зазора
Возникает естественный вопрос: если достичь высокой долговечности подшипника можно простым уменьшением внутреннего зазора, для чего тогда производят подшипники с разными зазорами, классифицируют их в отдельные группы, составляют многочисленные таблицы зазоров и даже создают связанные с зазорами стандарты? Ответ следует из внимательного рассмотрения рис.5. Как видно в правой части графика, в случае увеличения зазора от нулевого значения ресурс подшипника уменьшается весьма плавно вследствие уменьшения зоны нагружения и возникновения дисбаланса. Однако в левой части графика, в области отрицательных зазоров, видно, что если преднатяг хотя бы ненамного превышает оптимальное значение, то ресурс подшипника стремительно падает почти до нуля. Причиной является появление и резкое увеличение нагрузки на тела качения и дорожки вследствие их упругой деформации в зоне контакта. И, несмотря на выявленную экспериментами пользу минимального преднатяга, проблема состоит в трудности, а зачастую в практической невозможности поддержания его значения в реальных рабочих условиях. Если по какой-то причине температура узла оказывается выше расчётной, зазор уменьшается, увеличивается трение и тепловыделение, которое приводит к дополнительному росту температуры с последующим уменьшением зазора, и процесс развивается лавинообразно до полного заклинивания и даже расплавления подшипника. Поэтому на практике в большинстве случаев стараются сохранить небольшой гарантированный зазор в подшипнике, даже в ущерб ресурсу, хотя и из этого правила есть исключения.
При проектировании подшипникового узла конструктор машины задаёт рабочий зазор исходя из условий эксплуатации механизма, затем пересчитывает рабочий зазор в послемонтажный, учитывая ожидаемую рабочую температуру и связанные с ней температурные деформации. После назначает посадки на вал и в корпус, и определяет упругую деформацию колец, из которой рассчитывает зазор в подшипнике до монтажа, в свободном состоянии, и в спецификации к проекту указывает подшипник из соответствующей группы зазоров. Аналогичным образом поступает грамотный инженер, подбирающий подшипник на замену оригинальному во время ремонта оборудования.
Необходимо отметить, что кроме ресурса внутренний зазор или преднатяг влияет на такие важные эксплуатационные показатели подшипникового узла, как точность, жёсткость, виброустойчивость и возможность работы на высоких скоростях. Подробно об этом будет рассказано в последующих статьях.
Подводя итог, можно сказать, что внутренний зазор — радиальный или осевой, является важной характеристикой подшипников качения определённых конструктивных типов, численные значения допустимых границ зазоров для каждого подшипника в свободном состоянии указываются в каталогах производителей, и задача потребителя — правильно выбрать подшипник по зазору, чтобы при эксплуатации машины обеспечить рабочий зазор в предусмотренном конструктором диапазоне для достижения расчётных характеристик и максимального практического ресурса оборудования.
