Применение подшипников качения

Подшипники качения нашли широкое применение в электрических машинах. Они меньше изнашиваются, чем подшипники скольжения, что особенно важно для машин с малым воздушным зазором, имеют меньшие потери на трение, могут значительное время работать без замены смазки.
В зависимости от воспринимаемой нагрузки подшипники качения подразделяют на радиальные, упорные и радиально-упорные. Радиальные подшипники в основном воспринимают силу, направленную перпендикулярно оси вращения (радиальное усилие). Они могут выдерживать также и небольшие осевые нагрузки, что позволяет использовать их для фиксации ротора от осевых перемещений. Упорные подшипники воспринимают только осевую нагрузку и применяются в основном в машинах с вертикальным валом.

Рис. 1. Радиальный однорядный шариковый (а) и роликовый (б) подшипники
По форме тел качения различают шариковые (рис. 1, а) и роликовые (рис. 1, б) подшипники. Подшипник качения состоит из двух колец: наружного 2 и внутреннего 3. Между ними размещены тела качения: шарики 1 или ролики 5. Для их равномерного размещения по окружности служит сепаратор 4. На кольца со стороны, соприкасающейся с шариками или роликами, расположены дорожки качения, выполненные в виде кольцевых углублений или поясков.
В малых электрических машинах применяют подшипники закрытого типа с одной (рис. 2, а) или двумя (рис. 2, б) защитными шайбами. Для их установки не требуется в машине специальных уплотняющих устройств для удержания смазки, так как уплотнения встроены в сам подшипник в виде металлических шайб, запрессованных в наружное кольцо.
В новой единой серии асинхронных двигателей 4А при высотах оси вращения до 132 мм используют шарикоподшипники с двусторонним уплотнением (тип 180000), которые надежно герметизируют их внутреннюю полость, предотвращая испарения жидкой фазы смазки. Такие подшипники могут надежно работать без замены смазки до 12 000 ч.
Шариковые подшипники обычно изготовляют со штампованным сепаратором из листового материала. Штампованный сепаратор 4 (см. рис. 25, а) состоит из двух змейковых полусепараторов, которые соединены между собой заклепками (рис. 2, а), электросваркой или загнутыми усиками (рис. 2, б). Роликовые подшипники изготовляют с массивными клепаными или целиковыми сепараторами.
В электрических машинах применяют подшипники с короткими Цилиндрическими роликами и двумя бортами на внутреннем (рис. 1, б) или наружном кольце, а также с двумя бортами на наружном кольце и одним на внутреннем. Подшипники с бортами на наружном и внутреннем кольцах могут воспринимать не только радиальные, но и осевые нагрузки.
Роликовые подшипники, как правило, могут быть разобраны: кольцо, не имеющее бортов или имеющее только один борт, может быть снято с подшипника. Роликовые подшипники благодаря разборной конструкции более удобны для монтажа, но более чувствительные к перекосам оси вала относительно гнезд в щитах, чем шариковые подшипники.
У подшипников при одних и тех же внутренних диаметрах могут быть различны наружный диаметр и ширина, которые определяют серию подшипника и его грузоподъемность. Различают легкую, среднюю и тяжелую серии.

Рис. 2. Шарикоподшипники закрытого типа с одной (а — тип 60000) и двумя защитными шайбами (б — тип 80 000)
В малых машинах в обеих опорах устанавливают шариковые подшипники. Роликовые подшипники благодаря большей контактной поверхности между роликами и дорожками качения могут воспринимать большие радиальные нагрузки, чем шариковые тех же размеров. Поэтому их обычно применяют в подшипниковых опорах со стороны привода в машинах мощностью в десятки и сотни киловатт.
ГОСТ 520—71 на подшипники качения предусматривает пять классов точности подшипников (табл. 1).
Условное обозначение подшипника наносится в виде маркировки обычно на торце одного из колец и состоит из ряда цифр. Первая и вторая цифры справа обозначают условный диаметр вала; умножая их на 5 (при диаметре вала выше 20 мм), получаем его размер в миллиметрах. Третья цифра определяет серию подшипника, четвертая — тип, пятая и шестая — конструктивные особенности, седьмая цифра после дефиса обозначает класс точности подшипника. Кроме того, справа от цифровой маркировки могут находиться буквы с цифрами, которые обозначают материал деталей подшипника, марку смазки, требования к шуму, издаваемому подшипником, и т. д. Так, например, маркировка 310 обозначает шариковый радиальный однорядный подшипник средней серии 300 с внутренним диаметром 50 мм нулевого класса точности (цифра 0 в обозначении не ставится). Более сложное обозначение 6-180604С9Ш1 соответствует шариковому однорядному подшипнику шестого класса точности с двусторонним уплотнением широкой серии, внутренним диаметром 20 мм, смазкой марки Л3-31 и требованиями к шуму Ш1.

Таблица 1. Классы точности подшипников

В малых электрических машинах и микромашинах, где нагрузки невелики, применяют шариковые однорядные радиальные подшипники. Наружное кольцо одного из подшипников 6 (рис. 3, а) обычно зажимают в щите 5 между фланцами 4 и 7. Поскольку внутреннее кольцо имеет неподвижную посадку и прижато к борту вала, этот подшипник определяет положение ротора относительно статора машины в осевом направлении. Такая подшипниковая опора называется фиксированной. Второй подшипник 2 устанавливается в «плавающей» опоре, обеспечивающей его свободное перемещение в щите в осевом направлении.

Рис. 3. Установка шарикоподшипников: а — с фиксированной опорой, б — враспор: I — расстояние между подшипниками, а — зазор между фланцем и подшипником

Чтобы избежать заклинивания подшипников, зазоры а должны быть больше суммы допусков на осевые размеры корпусных деталей и вала с учетом изменения длины вала и корпуса при нагревании. В машинах с фиксированной опорой осевой разбег ротора определяется осевой игрой шарикоподшипника и равен десятым долям миллиметра. При унификации щитов и фланцев зазоры в плавающей опоре выдерживают с помощью дистанционных шайб 1 и 3.
С целью упрощения конструкции в малых машинах применяется также установка шарикоподшипников враспор (рис. 3, б). Внутренние фланцы в таких машинах обычно отсутствуют. Чтобы избежать заклинивания подшипников, с обеих сторон оставляют зазоры а. Осевой разбег ротора при такой конструкции определяется зазорами.
В машинах мощностью в сотни киловатт опора со стороны привода, особенно при ременных передачах, нагружена так, что грузоподъемности шарикового подшипника недостаточно. В этих случаях устанавливают роликовый подшипник. Наружные кольца закрепляют в осевом направлении у обоих подшипников. Плавающей опорой служит роликовый подшипник, у которого тела качения могут перемещаться вдоль машины по кольцу, не имеющему бортов. При больших нагрузках на обе опоры устанавливают роликовые подшипники с обеих сторон машины. Для фиксированной опоры выбирают роликовый подшипник с бортами на наружном и внутреннем кольцах.

Для нормальной работы подшипников качения необходим определенный рабочий зазор, чтобы обеспечить свободное перекатывание шариков и роликов. Повышенный зазор нарушает точность вращения ротора. Ось ротора при работе машины может произвольно изменять свое положение на радиальный зазор подшипника 6 (рис. 4, а), что приводит к ударам тел качения о беговые дорожки колец и повышенному износу подшипника.

Рис. 4. Положение колец и шариков без предварительного натяга (а) и с предварительным натягом (б)
Чтобы исключить вредное влияние завышенных зазоров, в электрических машинах применяют шариковые подшипники с предварительным осевым нагружением (предварительным натягом). В плавающей опоре между фланцем 3 (рис. 4, б) и торцом наружного кольца 2 подшипника устанавливают пружины 4, которые перемещают наружное кольцо 2 и через шарики весь ротор в сторону второго подшипника 1.

Рис. 5. Уплотнения подшипников:
а — с кольцевым зазором, б — с жировыми канавками, в — лабиринтное, г — комбинированное, д — с маслоотражательным кольцом
Правильно выбранное усилие предварительного натяга обеспечивает более спокойную работу подшипника, прижимая все шарики к беговым дорожкам и повышает его долговечность. Чрезмерный натяг, создавая значительную нагрузку на подшипник, уменьшает его долговечность. Поэтому при ремонте машины осевое усилие, действующее на подшипник, должно быть сохранено. Обычно применяют пружины в виде волнистых колец, вырубленных из листа, которые занимают немного места по длине машины. Такие пружины устанавливают между торцом фланца и наружным кольцом подшипника. Для регулировки усилия пружины предусматривают дистанционные шайбы.

Подшипник в щите монтируется обычно по свободной посадке, которая не препятствует проворачиванию его наружного кольца. Медленное проворачивание кольца (один оборот за несколько минут) допустимо и даже полезно, так как при этом радиальная нагрузка, передающаяся через тела качения, действует поочередно на различные точки дорожки наружного кольца. Однако медленное вращение практически трудно осуществимо; кольцо, установленное по посадке без натяга, вращается с большей частотой. Это приводит к выработке гнезда в щите и преждевременному выходу из строя подшипника. Поэтому нельзя допускать ослабления посадки подшипников в гнезда щита.
Проворачивание внутреннего кольца подшипника на шейке вала исключается посадкой его с натягом. Кольцо плотно обжимает вал, и возникающие при этом силы трения между поверхностями надежно его стопорят.
Подшипниковые опоры снабжают специальными устройствами — уплотнениями, которые защищают подшипник от попадания в него снаружи пыли, грязи и влаги, а также препятствуют вытеканию смазки.
В машинах нашли широкое применение уплотняющие устройства с кольцевым (рис. 5, а) зазором е и кольцевыми (жировыми) канавками (рис. 5, б). В условиях загрязненной среды более надежны лабиринтные уплотнения (рис. 5, в). Фетровые уплотнения применяют при небольших окружных скоростях на шейке вала, не превышающих 5 м/с для шлифованных шеек и 8 м/с для полированных. При повышенных скоростях возрастает температура за счет трения фетрового кольца о вал. Кольцо при нагреве затвердевает, вследствие чего резко увеличивается его износ и снижается эффективность уплотнения. В необходимых случаях устанавливают комбинированные уплотнения. Так, например, фетровые кольца применяют совместно с лабиринтными (рис. 5, г). Для предотвращения утечки жидкой смазки широко используют маслоотражательные кольца (рис. 5, д). Отброшенное кольцом масло накапливается в кольцевой проточке и сливается в подшипник.