Что такое шарикоподшипники? Типы, материалы, уплотнения и руководство по выбору для инженеров

Небольшой двигатель насоса на упаковочной линии останавливается без предупреждения. Команда технического обслуживания снимает вал и находит шарикоподшипник со сколами дорожек качения, почерневшей смазкой и грубым скрежетом. Замена ее по частям обходится менее чем в доллар, но незапланированный простой стоит линии четыре часа работы. Эта сцена разыгрывается на тысячах заводов каждый год, и почти в каждом случае отказ может быть связан с одним решением: неправильный тип подшипника, неправильный материал, неправильное уплотнение или несоответствие между фактической нагрузкой и грузоподъемностью подшипника.

Шарикоподшипники являются одними из наиболее широко используемых элементов машин в промышленных и потребительских товарах, однако их спецификация редко бывает такой же простой, как чтение номера детали. В этом руководстве объясняется, что такое шарикоподшипники, как они выдерживают нагрузку, какие типы и материалы доступны, как уплотнения и защитные экраны меняют характеристики, как выбрать правильный компонент для конкретного применения и что следует проверять при закупке их в больших количествах.

Что такое шарикоподшипники?

Шарикоподшипник — это подшипник качения, в котором сферические шарики разделяют два концентрических кольца: внутреннее кольцо и наружное кольцо. Внутреннее кольцо обычно напрессовывается на вал, а наружное кольцо удерживается в корпусе. При вращении вала шарики катятся между кольцами внутри канавок дорожек качения, которые удерживают шарики на одном уровне и создают контактные поверхности, передающие нагрузку между вращающимися и неподвижными частями.

Вращающееся движение – это вся суть конструкции. Скользящий контакт приводит к трению, нагреву и износу; Контакт качения значительно снижает трение, позволяя валам вращаться на высоких скоростях в течение многих лет с минимальными потерями энергии. Типичный радиальный шарикоподшипник, работающий под радиальной нагрузкой, имеет коэффициент трения в диапазоне от 0,001 до 0,0015 по сравнению с 0,1 или более для подшипников скольжения. Эта разница в трении приводит к более низким рабочим температурам, меньшему энергопотреблению, увеличению срока службы компонентов и упрощению требований к смазке.

Как работают шарикоподшипники

Когда к валу прилагается радиальная нагрузка, в любой момент только часть шариков распределяет нагрузку. Шарик, расположенный непосредственно под грузом, испытывает наибольшую нагрузку; шары с обеих сторон несут все меньше. Эта зона нагрузки обычно охватывает дугу от 60 до 90 градусов, и в нормальных условиях большую часть силы воспринимают от трех до пяти шариков. Распределение нагрузки по этим шарикам определяет контактное напряжение и, в конечном итоге, усталостную долговечность подшипника.

Каждый раз, когда шар катится через нагруженную зону, он испытывает цикл сжимающих напряжений. Эти повторяющиеся циклы за миллионы оборотов вызывают подповерхностную усталость на глубине максимального напряжения сдвига. При достижении порога усталости микроскопическая трещина распространяется на поверхность и отслаивается кусочек материала. При появлении откола вибрация и шум увеличиваются, загрязнение смазки ускоряется, и подшипник в конечном итоге заклинивает или блокируется. Вот почему срок службы подшипников выражается не фиксированным количеством часов, а статистической величиной. В подшипниковой промышленности используется срок службы L10: количество часов, которое 90 процентов группы идентичных подшипников достигнут или превысят, прежде чем произойдет усталостное разрушение.

Основные типы шарикоподшипников

Шарикоподшипники не относятся к одному семейству продуктов. Различия в геометрии колец, базовом материале, конструкции фланцев и обработке внешней поверхности определяют отдельные семейства, которые решают различные инженерные задачи. Выбор правильного семейства — это первый шаг при выборе любой спецификации подшипника.

Радиальные шарикоподшипники

Радиальные шарикоподшипники являются «рабочей лошадкой» вращающегося оборудования. Канавки дорожек качения отшлифованы до радиуса, немного превышающего диаметр шарика, образуя непрерывную дорожку, которая захватывает шарики и удерживает их на одном уровне при комбинированных радиальных и осевых нагрузках. Благодаря простой конструкции радиальные подшипники могут производиться в очень больших объемах с жесткими допусками и низким уровнем шума при работе. Вот почему они являются выбором по умолчанию для электродвигателей, вентиляторов, насосов, компрессоров, редукторов, бытовой техники и электроинструментов.

В данной серии основные размеры соответствуют стандартам ISO. Например, подшипник 608 имеет диаметр отверстия 8 мм, внешний диаметр 22 мм и ширину 7 мм. Распространенными версиями являются открытые версии (без экрана), Z или ZZ (одинарный или двойной металлический экран) и RS или 2RS (одинарное или двойное резиновое уплотнение). Версия ZZ удерживает смазку и удаляет крупную пыль без контактного трения, а версия 2RS добавляет контактное резиновое уплотнение для влажных или сильно загрязненных условий. Для валов двигателей и небольших приводов, радиальные шарикоподшипники для двигателей обычно выбираются с зазором C3 и смазкой малошумного класса.

608ZZ Двойной металлический экранированный радиальный шарикоподшипник В этом подшипнике размером 8x22x7 мм используются двойные металлические экраны для работы с низким коэффициентом трения, при этом удерживая смазку и не допуская попадания крупной пыли, что делает его практичным выбором для валов двигателей и небольших приводных механизмов, требующих умеренного зазора. Посмотреть продукт →

Если правильный зазор, смазка и уплотнение подобраны в соответствии с рабочей скоростью и температурой, радиальный подшипник может работать со скоростью десять тысяч об/мин и более. При умеренной нагрузке тот же подшипник может обеспечить срок службы L10 в десятки тысяч часов. Ограничивающие факторы почти всегда являются внешними: несоосность, загрязнение, плохая смазка или неправильная посадка между валом, корпусом и кольцом.

Шарикоподшипники из нержавеющей стали

Стандартные подшипники из хромированной стали чрезвычайно тверды, но они не защищены от коррозии. Когда влага, промывочные химикаты, соленый воздух или пищевые кислоты достигают подшипника, дорожки качения быстро ржавеют, а продукты коррозии действуют как абразив, ускоряющий износ. Подшипники из нержавеющей стали устраняют этот вид отказа, заменяя материал колец и шариков устойчивыми к коррозии. Для упаковочных линий, оборудования для пищевой промышленности, морских лебедок и наружных автоматизированных систем. подшипники из нержавеющей стали, устойчивые к коррозии обычно являются единственным разумным вариантом.

Двумя наиболее распространенными марками нержавеющей стали являются AISI 304 и AISI 440C. AISI 304 обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, но умеренную твердость, поэтому он подходит для легконагруженных, влажных или гигиенических применений, где подшипник не должен выдерживать высокие нагрузки. AISI 440C — это мартенситная нержавеющая сталь с высоким содержанием углерода, которую можно закалить до уровня, сравнимого с подшипниковой сталью, что делает ее предпочтительным выбором, когда подшипнику требуется как стойкость к коррозии, так и реальная несущая способность. Подшипники из пищевой нержавеющей стали требуют возможности очистки: гладкие поверхности, уплотнения, устойчивые к мытью, и смазка, совместимая с пищевыми продуктами.

S608RS Подшипник с двойным резиновым уплотнением из нержавеющей стали Этот устойчивый к коррозии подшипник, изготовленный из нержавеющей стали 304 или 316 с двойными резиновыми уплотнениями, подходит для пищевого, медицинского и сельскохозяйственного оборудования, где важны очищаемость, низкий уровень шума и защита от влаги. Посмотреть продукт →

Подшипники с пластиковым покрытием и полиуретановые подшипники

Не для каждого приложения требуется голая сталь. Раздвижным дверям, направляющим для ящиков, конвейерным роликам, фитнес-оборудованию и оконным системам часто требуется подшипник, который бесшумен, мягок на направляющих и способен поглощать незначительные удары. Подшипники с пластиковым и полиуретановым покрытием добавляют внешний слой поверх стандартного стального подшипника, превращая контакт из твердого металла в соответствующую поверхность, которая распределяет давление и гасит вибрацию.

Подшипники с нейлоновым покрытием износостойки и имеют поверхность с низким коэффициентом трения, что делает их подходящими для мебельных направляющих и направляющих для раздвижных дверей. Подшипники из полиуретана (ПУ) имеют различную твердость по Шору, поэтому разработчик может настроить мягкость для поглощения шума, сцепления или распределения нагрузки. Слой полиуретана также устойчив к воздействию многих масел, растворителей и химикатов лучше, чем натуральный каучук, поэтому ролики с полиуретановым покрытием часто используются в конвейерных системах и упаковочных линиях.

PU60826-7 Подшипник с полиуретановым покрытием и встроенным 608ZZ Благодаря добавлению полиуретанового внешнего слоя поверх сердечника 608ZZ этот подшипник обеспечивает износостойкость, химическую стойкость и демпфирование шума для конвейерных роликов, мебельных направляющих и компонентов мотоциклов, работающих в суровых или влажных условиях. Посмотреть продукт →

Фланцевые подшипники

Фланцевый подшипник — это подшипник с глубокими канавками или миниатюрный подшипник со встроенным фланцем на наружном кольце. Фланец действует как фиксирующий буртик, поэтому корпус из листового металла с простым отверстием может удерживать подшипник без дополнительного буртика, стопорного кольца или обработанной выемки. Фланцевые подшипники экономят время сборки и уменьшают количество деталей, поэтому они используются в офисном оборудовании, небольших вентиляторах и прецизионных инструментах, где осевое пространство ограничено.

Нестандартные подшипники

Стандартные каталоги охватывают тысячи размеров, но не каждый проект умещается в них. Нестандартные подшипники включают удлиненные внутренние кольца для простого монтажа на валу, двухрядные конструкции для более высокой радиальной нагрузки, наружные профили с V-образными или U-образными канавками для направляющих, специальные допуски отверстий и подшипниковые узлы вала. Они часто встречаются в компонентах погрузочно-разгрузочных работ, нестандартных роликах и специализированном OEM-оборудовании. Поскольку нестандартные детали требуют специального инструмента и разработки процессов, сотрудничество с производителем, который может спроектировать и обработать геометрию собственными силами, сокращает время выполнения заказа и снижает себестоимость единицы продукции.

Сравнение материалов подшипников

Марка материала определяет твердость, коррозионную стойкость и стоимость. В таблице ниже приведены наиболее распространенные материалы колец и шариков, используемые в шарикоподшипниках.

Хромированная сталь SAE 52100 является материалом по умолчанию для большинства шарикоподшипников, поскольку она сочетает в себе высокую твердость, отличную усталостную долговечность и умеренную стоимость. Углеродистая сталь менее тверда и менее усталостна, но она приемлема для легких, низкоскоростных изделий, где закупочная цена является основным ограничением. Для деталей, контактирующих с пищевыми продуктами, марка нержавеющей стали также определяет, можно ли очищать подшипник агрессивными моющими средствами без повреждения поверхности. AISI 440C обычно является лучшим выбором для подшипников из нержавеющей стали, которые должны выдерживать реальные нагрузки; AISI 304 рассчитан на очень легкие нагрузки и низкое контактное напряжение.

Печати и щиты: что меняется с каждым вариантом

Уплотнение или щиток — это первая линия защиты между внутренними дорожками качения подшипника и внешним миром. Это также влияет на ограничение скорости и рабочую температуру, поэтому выбор — это компромисс, а не деталь.

Металлические щиты работают с небольшим зазором и не имеют контактного трения, поэтому сохраняют скорость, теряя при этом небольшую защиту. Резиновые уплотнения напрямую контактируют с внутренним кольцом, обеспечивая полный барьер, однако контактное трение увеличивает крутящий момент и снижает максимально допустимую скорость. Во влажных, пыльных или влажных средах снижение скорости из-за двойного резинового уплотнения обычно является справедливой платой за повышение надежности.

Как правильно выбрать шарикоподшипник

Выбор подшипника — это последовательность компромиссов. Процесс начинается с условий эксплуатации и переходит к деталям материала, уплотнений и смазочных материалов. Приведенный ниже порядок хорошо подходит для большинства дизайнерских проектов.

1. Определите приложенные радиальные и осевые нагрузки. Используйте максимальную нагрузку, включая ударные или пиковые нагрузки, а не только установившееся значение.
2. Рассчитайте эквивалентную динамическую нагрузку P = XFr YFa, используя радиальные и осевые коэффициенты из каталога производителя подшипников.
3. Определите требуемый диапазон скоростей и сравните его с ограничениями скорости для типа подшипника и варианта уплотнения.
4. Проверьте размеры конверта: отверстие, внешний диаметр и ширина должны соответствовать конструкции вала и корпуса.
5. Подтвердите диапазон рабочих температур и выберите подходящую смазку и внутренний зазор (C2, CN, C3 или C4).
6. Оцените окружающую среду: влажность, пыль, химикаты, циклы мытья и требования к контакту с пищевыми продуктами.
7. Подберите материал, уплотнение, сепаратор и смазку в соответствии с окружающей средой, а затем проверьте их с помощью испытания образца или прототипа.

Значения скорости и нагрузки, указанные на подшипнике, не являются независимыми. Высокие нагрузки снижают допустимую скорость, а высокие скорости уменьшают допустимую нагрузку. В каталоге производителя обычно указаны отдельные номинальные скорости для консистентной и масляной смазки, и оба значения ниже теоретического геометрического предела.

Распространенные ошибки при покупке, которых следует избегать:

• Выбор только по цене без проверки марки материала или твердости.
• Использование открытого подшипника в пыльной среде и ожидание длительного срока службы.
• Игнорирование разницы между радиальной и осевой грузоподъемностью
• Предполагается, что все резиновые уплотнения обеспечивают одинаковый уровень защиты от загрязнений.
• Не указан правильный внутренний зазор для запрессовки.

Где используются шарикоподшипники

Шарикоподшипники присутствуют почти во всех вращающихся машинах, от крошечных стоматологических бормашин до больших промышленных двигателей. Приложение определяет, какой тип, материал и уплотнение являются наиболее экономичным выбором.

Что делает подшипник надежным

Разница между подшипником, который спокойно работает пять лет, и подшипником, который выходит из строя через пять месяцев, часто не видна глазу. На фактический срок службы влияют несколько факторов, которые не видны на фотографиях в каталоге.

• Чистота стали: неметаллические включения действуют как концентраторы напряжений, вызывающие усталостные трещины. Поставщик, который проверяет поступающий материал для каждой партии, снижает этот риск.
• Отделка дорожки качения: дорожка качения отшлифована и отшлифована до низкой шероховатости поверхности. Более шероховатая поверхность сокращает усталостную долговечность независимо от того, насколько тяжелым выглядит подшипник.
• Класс шарика: шарики производятся с определенными классами округлости и шероховатости поверхности, такими как G5, G10 и G16. Марка напрямую влияет на уровень шума и вибрации.
• Качество и количество смазки: правильный тип смазки и ее количество контролируют трение и температуру. Переполнение приводит к взбалтыванию и перегреву; недолив вызывает голодание и износ.
• Окончательная проверка: проверка шума на конце линии выявляет повреждения дорожек качения, загрязнения и дефекты сепаратора перед упаковкой и отправкой подшипника.

Эти факторы являются частью процесса, а не дополнительными опциями. Производитель, который документирует проверку сырья, проверку шлифования, чистоту сборки, заполнение смазкой и испытания на шум, может обеспечить одинаковые характеристики подшипников в каждой партии.

Нестандартные и нестандартные шарикоподшипники

Стандартные подшипники подходят для большинства применений, но две ситуации подталкивают покупателей к использованию нестандартных подшипников. Первый – размерный: стандартный внешний диаметр, ширина или отверстие не соответствуют конструкции изделия. Второй — функциональный: стандартный материал или внешний профиль не могут обеспечить требуемые характеристики шума, трения или движения.

Нестандартные подшипники, изготовленные по индивидуальному заказу, могут включать удлиненные внутренние кольца для простого монтажа на валу, двухрядную конструкцию для более высокой радиальной нагрузки, наружные кольца с V-образной или U-образной канавкой для направляющей, а также специальные допуски на отверстие или наружный диаметр. Они также могут комбинировать стандартный стальной сердечник с формованным внешним слоем из нейлона или полиуретана, чтобы создать полноценный ролик или колесо. Когда производитель контролирует весь процесс, от выбора материала до шлифовки и окончательной сборки, индивидуализация становится быстрее и экономичнее, чем адаптация стандартной детали.

Установка и обслуживание

Даже самый лучший подшипник преждевременно выходит из строя, если он установлен неправильно. Напрессуйте подшипник на кольцо с посадкой с натягом, прилагайте монтажное усилие только к этому кольцу и никогда не передавайте усилие через шарики. Используйте втулку подходящего размера или оправочный пресс и избегайте перекоса во время монтажа.

Температура внешнего кольца является полезным индикатором здоровья. Устойчивое повышение температуры на 10–20 градусов выше температуры окружающей среды является нормальным; внезапный скачок обычно сигнализирует о неисправности смазки, перегрузке или внутреннем дефекте. Периодическое измерение вибрации позволяет обнаружить зарождающиеся сколы задолго до того, как подшипник заблокируется, что превращает аварийную поломку в плановую остановку для технического обслуживания.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между шариковым подшипником и роликовым подшипником?

В шарикоподшипниках используются сферические шарики с точечным контактом, поэтому они имеют меньшее трение и хорошо работают на высоких скоростях, но несут меньшую нагрузку, чем роликовые подшипники, в которых используются цилиндрические или конические ролики с линейным контактом. Для умеренных радиальных и осевых нагрузок на высоких скоростях обычно правильным выбором являются шарикоподшипники; для очень тяжелых нагрузок и более низких скоростей роликовые подшипники более прочные.

Что означает 608ZZ?

608 — это размерная серия: внутренний диаметр 8 мм, внешний диаметр 22 мм и ширина 7 мм. ZZ означает два металлических щита. 608ZZ — один из самых распространенных в мире миниатюрных радиальных подшипников, используемый в скейтбордах, роликах, принтерах и небольших электродвигателях.

Может ли подшипник из нержавеющей стали заменить подшипник из хромированной стали в любом применении?

Да, если размеры стандартные, а нагрузка и скорость соответствуют характеристикам подшипника из нержавеющей стали. Основными компромиссами являются стоимость и твердость. Если нагрузка высокая, выберите нержавеющую сталь AISI 440C, а не AISI 304. Если окружающая среда не агрессивна, хромированная сталь обычно обеспечивает самую низкую стоимость часа службы.

Как долго служит шарикоподшипник?

Срок службы L10 рассчитывается на основе номинальной динамической нагрузки и эквивалентной приложенной нагрузки. Для типичного подшипника небольшого двигателя при умеренной нагрузке срок службы L10 составляет от 10 000 до 50 000 часов. Фактический срок службы сильно зависит от смазки, центровки, контроля загрязнения и рабочей температуры.

Какова максимальная рабочая температура шарикоподшипника?

Для стандартной смазки предел продолжительной эксплуатации обычно составляет около 120 °C. Благодаря высокотемпературной смазке и соответствующему внутреннему зазору специально подобранные подшипники могут работать при температуре примерно до 200 °C. Выше этого диапазона твердость стали начинает значительно падать, и срок службы подшипников быстро снижается.

Как выбрать между металлическими щитками и резиновыми уплотнителями?

Используйте щитки Z или ZZ, когда рабочая среда относительно чистая и скорость высокая. При наличии пыли, влаги, промывочной воды или химического тумана используйте резиновые уплотнения RS или 2RS. Резиновые уплотнения снижают предел скорости из-за контактного трения, но обеспечивают гораздо более надежную защиту.

Нужно ли смазывать шарикоподшипники?

Да. Смазка или масло смазывают шарики и дорожки качения, защищают от коррозии и уменьшают трение. Большинство закрытых и экранированных подшипников заполнены смазкой на заводе и не требуют повторной смазки в течение всего срока службы. Открытые подшипники в промышленном оборудовании обычно смазываются снаружи через пресс-масленки или систему циркуляции масла.

Какие факторы влияют на цену шарикоподшипника?

Основными факторами являются марка материала, класс допуска, тип уплотнения, количество заказа, а также то, является ли деталь стандартной или изготовленной по индивидуальному заказу. Стандартные радиальные подшипники из углеродистой или хромистой стали являются наиболее экономичными; нержавеющая сталь, нестандартные размеры и меньшие объемы заказа увеличивают цену за единицу.

Работа с производителем подшипников

Когда вы указываете подшипник для нового продукта, производственные мощности поставщика имеют такое же значение, как и номер детали. Завод, который контролирует выбор сырья, качество помола, чистоту сборки и окончательные испытания, может обеспечить стабильную производительность тысяч изделий. Попросите сертификаты на материалы, отчеты о размерах и результаты испытаний на шум. Если проект предполагает нестандартный размер или формованный внешний слой, найдите производителя, который самостоятельно выполняет механическую и отделочную обработку.

Ningbo Kaifei Machinery Technology производит шарикоподшипники из проверенной хромистой, углеродистой и нержавеющей стали, при этом шлифовка, сборка, заполнение смазкой и испытания на шум контролируются на одном предприятии. Независимо от того, требует ли проект стандартного герметичного подшипника, компонента из пищевой нержавеющей стали или ролика с пластиковым покрытием для конвейерной системы, отправная точка всегда одна и та же: понимание нагрузки, скорости, окружающей среды и ожидаемого срока службы приложения.