Как правильно выбрать подшипники?
Только правильно подобранные, установленные и смазанные подшипники обеспечат максимальную производительность вашей конструкции.
Подшипники играют важную роль во всех системах связанных с механическим движением, будь-то двигатель, энкодер, привод или любая другая система. Подшипники обеспечивают поддержку и стабильность при преобразовании трения скольжения и трение качения, позволяя системе распределять нагрузку с меньшими затратами крутящего момента и большей скоростью, поэтому вопрос "Как выбрать подшипник" требует своевременного и правильного решения. Правильно подобранный подшипник может снизить затраты энергии, увеличить срок эксплуатации и повысить общую производительность системы. В свою очередь, неправильно подобранный подшипник может привести к преждевременному отказу, увеличению времени простоя и повышенному износу и усталости других компонентов системы. Давайте подробнее рассмотрим, как выбрать правильный подшипник для вашей системы, с упором на компромиссы и лучший способ достижения желаемого уровня производительности.
Ротационный подшипник состоит из ряда вращающихся элементов, скрепленных между наружным кольцом и внутренним кольцом. Также в подшипнике может быть установлен сепаратор, разделяющий вращающиеся элементы для снижения трения (рис. 1). Не смотря на большое разнообразие видов подшипников, в системах передачи движения чаще всего используют шариковые подшипники и роликовые подшипники. Шариковые подшипники несут нагрузку в определенных точках, в то время как в роликовых подшипниках нагрузка распределяется вдоль линии контакта.
Шариковые подшипники могут выдерживать очень высокие скорости и превосходную теплоотдачу, но из-за того, что в подшипниках нагрузка передается через точечный контакт, они не могут выдерживать высокие нагрузки без риска преждевременного отказа. В тоже время роликовый подшипник распределяет нагрузку, а потому может выносить большие нагрузки. Роликовые подшипники могут быть цилиндрическими, сферическими (внутренняя поверхность внешнего кольца имеет сферическую форму), коническими (подшипники имеют конические ролики и внутреннее и внешнее кольца в форме усеченных конусов). Недостатком роликовых подшипников является то, что увеличенная площадь поверхности контакта увеличивает трение, а следовательно тепло, тем самым ограничивается максимальная рабочая скорость.
Мы можем разделить силы, приложенные к подшипнику на радиальную нагрузку, которая приложена, перпендикулярна валу (например, в случае док-крана) и тяговую нагрузку, которая параллельная валу (например, как у поршневых приводов). У каждого типа подшипника есть своя типичная способность выдерживать характеристическое отношение осевой нагрузки к радиальной. Конические роликовые подшипники, например, отлично подходят для работы с высокими радиальными нагрузками и сильными тяговыми усилиями (см. рис.2). Радиальные шарикоподшипники также могут выдерживать высокие радиальные нагрузки, как и шариковые радиальные подшипники. Но иногда лучшим решением является сочетание двух конструкций. «Конические роликовые подшипники могут выдерживать большие осевые нагрузки, чем сферические роликовые подшипники или шарикоподшипники с глубоким пазом» - говорит Ян Рубин, директор по маркетингу компании Emerson Industrial Automation. «У вас будет два типа подшипника для поддержки вала. Вы можете спроектировать поддержку вала таким образом, чтобы у вас была возможность установить подшипник с угловым контактом, чтобы удерживать упорную нагрузку и шарикоподшипник с глубокими канавками, чтобы удерживать радиальную нагрузку».
Что же касается применений, в которых требуется выдерживать высокую скорость и большие нагрузки? Наилучший подход – тщательный анализ задачи. Например, если вы работаете на кране, который 99% времени будет работать с нагрузкой 100 или 200 фунтов, но иногда, в течение коротких периодов времени, вашему крану необходимо выдерживать нагрузку 1000 фунтов, лучше всего начинать проектирование, отталкиваясь от самой распространенной нагрузки, но также заложить возможность выдерживания всплесков нагрузки. Да, выбросы будут уменьшать срок службы, но, если, нагрузка прерывистая или нарастает с небольшой скоростью, вы вероятно сможете создать систему, которая может справиться с такой задачей.
Как подобрать подшипник
При выборе двигателя, драйвера и коробки передач легко ошибиться. Слишком часто конструкторы оставляют выбор подшипника как завершающую задачу. Но для достижения лучшей производительности выбор подшипников должен быть одной из первых задач при проектировании механической системы. Если вопрос подшипника решается слишком поздно, в таком случае, как правило, хорошее решение будет трудно найти. «Например, приходит клиент и говорит, у меня вот такой дизайн, с такими расчетными нагрузками и есть вот столько места для установки подшипника», - говорит Скотт Лафалам, инженер по технико-экономическому анализу компании Timken. «И нам приходится разочаровывать такого клиента, говоря, что физически невозможно создать подшипник с такой нагрузочной способностью и в таких габаритах и ему придется вернуться назад и начать проектирование сначала».
Для высокоскоростных и высокоточных применений, таких как станки, наилучшая производительность может быть обеспечена использованием предварительно нагруженных радиально-упорных подшипников. Предварительная нагрузка перед установкой обеспечивает выборку люфтов вала, который они поддерживают. В случае если речь идет про работу с большими нагрузками, действующими непараллельно оси подшипника, хорошим решением будет использование сферических роликовых подшипников. Если задача требует обеспечить высокую жесткость, то помочь могут конические подшипники качения, установленные парой. При тех же условиях, но больших скоростях наилучшую производительность обеспечит цилиндрический роликовый подшипник.
Здесь важно отметить, что простое точное определение размеров подшипника для работы с высокими нагрузками уже является частью правильного решения. Подшипник меньшего размера может выйти из строя преждевременно, но если подшипник больше чем нужно, то шарики могут начать скользить, а не катится; такой тип движения будет создавать трение, которое в свою очередь будет создавать избыточное тепло, проскальзывание может повредить канавки, что в свою очередь отразится на шариках. В результате это может привести к преждевременному износу и разрушению. Предварительная нагрузка подшипника может помочь в устранении проскальзывания.
Смазка
Основным источником нарушений работы подшипника после нарушения эксплуатационных предписаний, являются плохие методы смазки. Показатель интенсивности отказов в большей части зависит от правильной процедуры смазки подшипника. Смазка выполняет ряд важных задач – минимизирует трение, помогает отводить тепло от подвижных элементов, устраняет загрязнения и в целом продлевает срок службы.
Для того чтобы выбрать смазку правильно, вам необходимо полностью понимать условия в которых будет работать подшипник. Предполагаемую рабочую температуру подшипника, наличие источников тепла вблизи подшипника, диапазон температур среды, в которой работает подшипник – все эти моменты необходимо уточнить до момента выбора смазки.
Нагрев делает масла и смазочные материалы менее вязкими, охлаждение – наоборот увеличивает вязкость. Смазка с высокой вязкостью может, фактически, увеличивать нагрузку на подшипник и двигатель тем самым повышая тепловыделения и создавая условия для преждевременного отказа. При низкой вязкости смазочного материала он не задерживается на катящихся элементах, тем самым провоцируя те же проблемы которые возникают при проскальзывании. Для систем, работающих при экстремальных температурах, лучшим решением для смазки могут стать системы капельной подачи или в виде масляного тумана.
Смазка подшипников должна производиться в соответствии с установленным графиком, также необходимо уделять особое внимание лучшим практикам. Альтернативой смазке по графику являются использование герметичных подшипников. При использовании герметичных подшипников важно понимать, что это не «вечный» подшипник, а подшипник срок службы смазки в котором, больше чем срок службы самого подшипника.
Проблемы при использовании подшипников
Так как подшипники лежат в основе любой механической системы передачи движения, проблемы с подшипником становятся ¾ проблем всей системы и наоборот. Потому критически важно оценить возможность ошибки в контексте все системы. «Симптом №1, о котором мы слышим это – у меня нагревается подшипник», – говорит Майк Катлер, специалист по применению SKF США. «Что влияет на рабочую температуру? Вы называете это – подшипник слишком плотно сидит на валу, подшипник работает с более высокой скоростью, чем должен или подшипник работает при больших нагрузках, чем должен быть. Температура – это самый простой признак для определения вероятного отказа». В тоже время, это последний симптом, перед тем как подшипник выйдет из строя. Еще одним последствием неправильного выбора подшипника является то, что это в итоге отражается на всей системе. «В зависимости от применения даже незначительный износ подшипника может отразиться на всей системе в целом», – говорит Рубин. «Если у вас есть небольшой износ, который немного смещает положение ремня и вы не отследите эту ситуацию – ремень начнет смещаться, что создаст дополнительную нагрузку на ваш двигатель с дальнейшим выходом его из строя. Мы видели такие ситуации неоднократно. Вы меняете сгоревший двигатель и ситуация повторяется так как система не выровнена».
«Мы выполняли проект приводов вентиляции для фармацевтической промышленности», - рассказывает Катлер. «Клиент сказал нам, что если мы неожиданно потеряем вентилятор, мы потеряем продукт, который этот вентилятор обрабатывает, а стоимость продукта около 1,5 миллионов долларов. Стоимость же подшипников в этом проекте составляла всего 50 долларов». Мораль этой конкретной истории заключается в том, что стоимость подшипника должна оцениваться в контексте затрат от времени простоя. «Несколько лет назад появилась реклама масляного фильтра Fram, со слоганом – ты можешь заплатить мне сейчас или заплатить мне позже». Никто не может избежать всех неприятностей, но при правильной предварительной подготовке вы можете снизить риск, вы можете планировать график обслуживания и время вынужденного простоя – или же вы можете пропустить все эти этапы и заплатить позже, при поломке.
В конечном счете, лучший подход в определении основного компонента установочного оборудования это точное определение условий эксплуатации и постоянный контакт с поставщиками оборудования. Также не забывайте взаимодействовать с конечными пользователями вашего оборудования. И даже если вы разработали машину для работы с одной заданной скоростью, слишком часто пользователи, после установки машины, стремятся заставить работать эту машину быстрее, чем это было предусмотрено разработчиком. В так случае вам необходимо обязательно обратится к поставщику и узнать, что вам необходимо сделать для того чтобы убедится что ваша система сможет справиться с новыми условиями работы. При правильном планировании правильно подобранный подшипник может оптимизировать производительность системы и обеспечить долгую работу системы.