Внимание! Вы находитесь на архивной версии сайта компании «Практическая Механика»! Эта версия сайта перестала использоваться 31 мая 2022 года. Новый сайт компании — prmeh.ru.
Существуют области применения, в которых подшипники должны выдерживать осевые нагрузки в обоих направлениях, одновременно обеспечивая очень жесткий допуск на осевую фиксацию вала. Благодаря своей уникальной конструкции шарикоподшипники с четырехточечным контактом серии QJ действительно удовлетворяют таким требованиям даже в условиях минимального осевого пространства.
Рис. 1
Шарикоподшипник с четырехточечным контактом (рис. 1) способен выдерживать осевые нагрузки в обоих направлениях в сочетании с радиальной нагрузкой определенной величины и обеспечивает очень жесткий допуск на осевую фиксацию вала. Такой подшипник также может использоваться в условиях ограниченного пространства, поскольку его можно воспринимать как два однорядных радиально-упорных шарикоподшипника, объединенных в один. В результате такой подшипник прекрасно подходит для использования в промышленных редукторах, приводах локомотивов, компрессорах и других агрегатах.
Особенности конструкции и технические характеристики
Стандартные шарикоподшипники SKF с четырехточечным контактом, также известные как подшипники QJ, состоят из цельного наружного кольца, разъемного внутреннего кольца и сепаратора, центрируемого по наружному кольцу. Конструкция колец имеет ряд отличительных особенностей (рис. 2). Так, наружное кольцо имеет конструктивное сходство с наружным кольцом радиальных шарикоподшипников, но отличается величиной поперечного сечения и геометрией дорожек качения. Дорожка качения радиального шарикоподшипника имеет кольцевую геометрию.
Рис. 2
Наружное кольцо шарикоподшипника с четырехточечным контактом имеет две симметричные дорожки качения, которые пересекаются в центре кольца в одной точке. Такую форму еще называют «готической аркой». Центры окружностей двух дорожек качения имеют незначительное смещение в осевом направлении (рис. 2). Внутреннее кольцо разделено на две половины и имеет в основе тот же конструктивный принцип, что и наружное кольцо. Это дает определенное преимущество по сравнению с конструкцией радиальных шарикоподшипников. Конструкция дорожек качения наружного кольца позволяет устанавливать угол контакта (стандартный — 35°) и величину осевого зазора независимо друг от друга. Другими словами, существует возможность добиться определенной величины осевого зазора без изменения величины угла контакта (определяется как отношение радиуса кривизны дорожки качения и диаметра шарика).
Для подшипника с углом контакта 35° требуются высокие заплечики дорожки качения. Такой подшипник с цельным внутренним кольцом, в отличие от разъемной конструкции, невозможно собрать с использованием максимального количества шариков. Стандартная процедура сборки подшипника включает три операции:
вставка сепаратора в наружное кольцо;
запрессовка шариков в сепаратор;
вставка половин внутреннего кольца с каждой из сторон. Внутренние кольца не являются самоудерживающимися. Чтобы предотвратить рассыпание подшипника во время транспортировки или погрузочно-разгрузочных работ, в его отверстие помещают пластиковую вставку.
Теоретически один шарик имеет четыре разных точки контакта с кольцами (рис. 3). Но такое положение шарика возникает только при воздействии радиальной нагрузки. В реальных условиях зачастую на подшипник действует исключительно осевая нагрузка (рис. 4а), которая передается только в двух точках контакта в диагональном положении. В случае изменения направления осевой нагрузки две точки контакта перемещаются в противоположное положение. Именно по этой причине подшипники данного типа способны выдерживать осевые нагрузки в обоих направлениях. Также возможны условия, при которых возникают комбинированные нагрузки с преобладанием осевой составляющей (рис. 4b). Чтобы обеспечить аналогичный эффект с помощью однорядных радиально-упорных шарикоподшипников, необходимо установить два подшипника по O-образной или X-образной схеме. Это означает, что применение шарикоподшипников с четырехточечным контактом позволяет разрабатывать более компанктные узлы и обеспечивает экономию пространства. Два однорядных радиально-упорных шарикоподшипника могут быть заменены одним шарикоподшипником с четырехточечным контактом. Важным условием является то, что для нормальной работы шарикоподшипника с четырехточечным контактом должна преобладать осевая нагрузка. «SKF» рекомендует соотношение нагрузок Fa/Fr > 1,27.
Рис. 3
Рис. 4
В стандартном исполнении шарикоподшипники SKF с четырехточечным контактом оснащаются механически обработанным латунным сепаратором оконного типа (суффикс обозначения MA) (рис. 1a) или литым сепаратором оконного типа из полиэфирэфиркетона (суффикс обозначения PHAS) (рис. 1b). Оба сепаратора центрируются по наружному кольцу. Это позволяет увеличить допустимую частоту вращения. Специальная конструкция симметричного сепаратора в свою очередь позволяет разместить максимальное количество крупных шариков.
Нагрузка, номинальный ресурс и частота вращения
Принимая во внимание компактную конструкцию шарикоподшипника с четырехточечным контактом может показаться, что номинальная грузоподъемность согласованного комплекта двух однорядных радиально-упорных шарикоподшипников может быть сравнительно выше. На рис. 5 представлено сравнение номинальной грузоподъемности подшипников QJ серий диаметра 2 и 3 и согласованных комплектов радиально-упорных шарикоподшипников серий 72 B и 73 B соответственно. На рисунке видно, что грузоподъемность шарикоподшипника с четырехточечным контактом практически не уступает грузоподъемности соответствующего комплекта радиально-упорных шарикоподшипников. Таким образом с помощью шарикоподшипника с четырехточечным контактом можно сэкономить до 50% пространства в осевом направлении.
Рис. 5
Также необходимо учитывать номинальный ресурс. Ключевым фактором здесь является эквивалентная динамическая нагрузка, рассчитываемая следующим образом:
P = 0,60?Fr + 1,07*Fa для шарикоподшипника с четырехточечным контактом (угол контакта 35°), P = 0,57*Fr + 0,93*Fa для согласованного комплекта радиально-упорных шарикоподшипников (угол контакта 40°).
Очевидно, что величина эквивалентной динамической нагрузки на шарикоподшипник с четырехточечным контактом будет выше, главным образом, за счет меньшего угла контакта. При этом более низкий номинальный ресурс в значительной степени компенсируется преимуществами компактной конструкции.
Рис. 6
На рис. 6 сравнивается предельная частота вращения подшипников серии QJ 2 и QJ 3 с предельной частотой вращения согласованных комплектов подшипников серий 72 B и 73 B. На рисунке видно, что в первом случае номинальная частота вращения выше приблизительно на 70%. Это может объясняться меньшим углом контакта подшипников (35° по сравнению с 40°), конструкцией и материалом сепараторов (цельные, латунь или полиэфирэфиркетон), центрированием сепараторов по наружному кольцу и специальными окнами сепаратора для смазки.
Конструкция сопряженных компонентов
Во многих случаях шарикоподшипник с четырехточечным контактом используется в сочетании с радиальным подшипником, например, цилиндрическим роликоподшипником. В этом случае важно, чтобы шарикоподшипник с четырехточечным контактом воспринимал только осевую нагрузку. Таким образом, наружное кольцо шарикоподшипника с четырехточечным контактом не должно быть зафиксировано в осевом и радиальном направлениях, а должно устанавливаться с радиальным зазором (от 1 до 2 мм) в корпусе (рис. 7). В противном случае наружное кольцо подшипника не сможет компенсировать перемещения из-за нагрева, что вызовет дополнительные нежелательные нагрузки на подшипник. Чтобы предотвратить вращение наружного кольца, на наружных кольцах большинства подшипников предусмотрены два фиксирующих паза, которые позволяют соединить наружное кольцо с корпусом с помощью штифта (рис. 7). Если осевой фиксации наружного кольца избежать невозможно, наружное кольцо должно быть, по крайне мере, точно отцентрировано при монтаже.
Рис. 7
Также важно, чтобы две половины внутреннего кольца всегда были зафиксированы в осевом направлении.
Области применения
Возможность использования шарикоподшипников с четырехточечным контактом следует рассматривать в тех случаях, когда конструкция имеет ограниченное пространство, при наличии больших осевых нагрузок в обоих направлениях или при высокой частоте вращения. Подобные условия могут возникать в насосах, тормозах-замедлителях, компрессорах, промышленных редукторах или автомобильных коробках передач, тяговых двигателях и рулевых колонках.
Винтовые компрессоры применяются во многих отраслях промышленности для сжатия различных газов при относительно высоком давлении. Перепад давления между двумя концами ротора компрессора приводит к возникновению осевых нагрузок, которые могут восприниматься шарикоподшипниками с четырехточечным контактом. Узкий зазор между двумя роторами, а также между роторами и корпусом компрессора требует наличия жесткой конструкции подшипников и малых осевых зазоров.
Тормоза-замедлители преобразуют кинетическую энергию грузового автотранспорта в тепло. Для этого требуются высокоскоростные подшипники, которые способны выдерживать быстрые изменения частоты вращения.
Использование многофазных насосов позволяет повышать эффективность эксплуатации нефтяных месторождений по сравнению с традиционными методами. Насосы устанавливаются на дне моря и увеличивают давление подачи газонефтяной смеси. Это обуславливает очень высокие требования к надежности насосов.
Редукторы ветряных турбин передают энергию главного вала, вращающегося с очень низкой частотой (порядка 18 об/мин), на генератор, частота вращения которого выше приблизительно в 100 раз. При вращении с высокой частотой косозубые колеса вала вызывают большие осевые нагрузки. В этом случае применяется комбинация цилиндрического роликоподшипника и шарикоподшипника с четырехточечным контактом.
В области железнодорожного транспорта существуют два основных варианта применения данных подшипников. В редукторах и тяговых двигателях, как правило, используют комбинацию цилиндрических роликоподшипников и шарикоподшипников с четырехточечным контактом. Подшипники тяговых двигателей должны быть защищены от повреждений, возникающих в результате прохождения электрического тока. Надежным решением в данном случае является использование изолированных подшипников INSOCOAT с электроизоляционным покрытием.
В статье использованы материалы из «Evolution» — делового и технического журнала компании «SKF».
История
