Скоростные подшипники

Валы станка должны работать с минимальным биением на высоких скоростях с низким повышением температуры и иметь высокую жесткость. Подшипники качения для валов высокоскоростных станков изготавливаются специально для этих требований. Нескончаемое стремление к повышению производительности станков приводит к дальнейшему развитию подшипников. В некоторых случаях требования могут противоречить друг другу, но при тщательном изучении поведения элементов качения в подшипниках можно найти решения для одновременного улучшения каждого эксплуатационного параметра. Улучшенная производительность подшипников позволит повысить производительность станка и повысить рентабельность производства.

Центробежные нагрузки на подшипники

Элементы качения в  скоростных подшипниках качения будут подвергаться значительным центробежным нагрузкам, когда подшипник вращается с высокой скоростью. Нагрузка на внешнюю кольцевую дорожку качения будет увеличиваться, а на внутреннюю кольцевую дорожку качения-уменьшаться. В случае радиально-упорного шарикоподшипника это, кроме того, приведет к уменьшению рабочего угла контакта на наружном кольце и увеличению угла на внутреннем кольце. Поскольку углы соприкосновения на кольцах, после таких нагрузок, стали разными, скольжение шарика должно происходить против одного из колец. Поскольку нагрузка на наружный кольцевой шар тяжелее, чем нагрузка на внутренний кольцевой шар, шары становятся направленными по внешнему кольцу, и скольжение происходит по внутреннему кольцу. Жесткость подшипника обычно будет страдать при увеличении скорости из-за этого изменения углов контакта. Разница в углах контакта также зависит от радиусов дорожки качения, и поэтому эти радиусы и их взаимосвязь должны быть оценены. Центробежная нагрузка и углы контакта в радиально-упорном шарикоподшипнике, работающем с высокой скоростью, пожалуй, основная проблема с которой приходится работать конструкторам и производителям высокоскоростных подшипников.

Более легкие элементы качения

Для поддержания центробежных нагрузок на низком уровне шарики радиально-упорного шарикоподшипника должны иметь небольшую массу. Небольшая масса может быть получена либо путем использования меньших шариков, либо путем изготовления шариков из материала с меньшей плотностью, либо путем комбинации обоих вариантов. При уменьшении диаметра шара до 75 % масса будет уменьшена до 42 %.

Пример

Подшипник с диаметром шарика 12,7 мм, работает со скоростью 15 000 об/мин. Центробежная нагрузка от каждого шарика составляет 174 Н. Если диаметр шарика уменьшить до 7,938 мм (62,5%), то центробежная нагрузка от каждого шарика составит 79 Н, то есть уменьшится до 45 %.

Керамический материал для элементов качения

При использовании подходящего материала с более низкой плотностью, чем сталь, можно получить те же преимущества, что и при использовании меньших стальных шариков. На самом деле есть и дополнительные преимущества. Материал, предлагающий несколько интересных преимуществ в подшипниках для сложных задач, — это нитрид кремния. Нитрид кремния представляет собой керамический материал с химической формулой Si и сегодня является керамическим материалом, наиболее часто используемым для подшипников качения как по техническим, так и по экономическим причинам.
Подшипники с только элементами качения, изготовленными из керамики, в основном используются для высокоскоростных применений.

Посмотрим свойства нитрида кремния, которые сделали выбор в его пользу:

  • низкая плотность, 40% от плотности стали
  • малое тепловое расширение, 29% от расширения стали
  • высокий модуль упругости, 151% от модуля упругости стали
  • большая твердость, HV10 при 20 °C составляет 1700 по сравнению с 700 для подшипниковых сталей
  • низкое трение
  • выдерживает высокие температуры без потери твердости
  • устойчив к воздействию химических веществ и коррозии
  • немагнитный
  • электрический изолятор

Эти свойства обеспечивают множество эксплуатационных преимуществ и во многих случаях компенсируют более высокую начальную стоимость гибридных подшипников по сравнению со всеми стальными подшипниками. Элементы качения из нитрида кремния будут подвергаться значительно более меньшим центробежным нагрузкам, чем элементы качения из стали того же размера.

Пример
Возьмем тот же подшипник, что и в предыдущем примере, имеющий диаметр шарика 12,7 мм и работающий со скоростью 15 000 об/мин, центробежная нагрузка шарика с шариками из нитрида кремния составит 71 Н. Это снижение примерно на 40% по сравнению с  металлическим шариком. Если уменьшить размер керамического шарика до 7,938 мм, как в первом случае, то мы уже получаем  нагрузку на уровне 32 Н, что составляет всего 18% от базовой нагрузки стального шарика диаметром 12,7 мм.

Жесткость и эластичность материала

Когда подшипник нагружен, в контактах между дорожками качения и телами качения будут происходить упругие деформации. Величина этих деформаций зависит от материала, нагрузки, типа, размера, формы и количества элементов качения, а также формы дорожки качения. Факторами, благоприятствующими высокой жесткости, являются:

  • большое количество элементов качения,
  • большая площадь контакта;
  • высокий модуль упругости материала.

Улучшенное динамическое поведение подшипников с более легкими шариками, работающими на высоких скоростях, также оказывает положительное влияние на жесткость подшипника. Жесткость подшипника обычно уменьшается с увеличением скорости, но это уменьшение меньше, когда подшипник оснащен более легкими шариками.

Перепады температур и влияние материала

В большинстве случаев рабочие температуры внутреннего и наружного колец различны. Обычно внутреннее кольцо теплее, чем внешнее. Это означает, что установленный зазор будет уменьшен в процессе эксплуатации. Если подшипник установлен с предварительным напряжением, которон является нормальным для  скоростного подшипника, то натяжение будет увеличиваться в процессе работы. Чрезмерное натяжение приведет к высокому трению и высокой температуре, что может еще больше увеличить натяжение.

Подшипники с меньшими и более легкими элементами качения являются сегодняшним ответом на бесконечное стремление к более высоким скоростям вращения рабочего вала. Эти подшипники все чаще используются в высокопроизводительных токарных станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах и высокочастотных внутренних шлифовальных станках. Скоростные подшипники обычно имеют несколько иную конструкцию, чем подшипники для токарных станков предыдущих поколений, поскольку условия эксплуатации и требования к ним значительно отличаются. Прогресс не стоит на месте и открывает дорогу новым материалам и решениям во всех сферах техники.

Читайте также:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

9 + восемнадцать =