Типы нагрузок на подшипник

Нагрузки на подшипник — это силы и моменты, которые воздействуют на деталь во время его работы. Они могут быть различными: вес, давление, вибрация, температура, скорость или другие факторы. Опасность давления на деталь заключается в том, что это может привести к преждевременному износу или даже разрушению. Подобные дефекты могут привести к сбоям в работе оборудования, авариям и несчастным случаям. 

Перечислим основные типы нагрузок, учитывая направление и мощность воздействия.

Виды нагрузок на подшипники

В процессе функционирования детали подвергаются различным видам нагрузок, которые могут существенно влиять на их срок службы или надежность. Виды нагружения подшипников:

• Радиальная

Радиальные нагрузки возникают из-за сил, действующих перпендикулярно оси вращения. Они вызваны весом вращающихся элементов, центробежными силами или другими внешними факторами. Этот тип встречается чаще остальных. Если учитывать технические характеристики и соблюдать правила эксплуатации срок службы будет долгим.

• Осевая нагрузка

Осевые нагрузки действуют вдоль оси вращения. Они возникают из-за неравномерного распределения давления на поверхность конструкции, ошибок в монтаже или износе деталей. Осевые нагрузки могут привести к быстрому износу или разрушению.

• Комбинированная

В реальных условиях детали часто испытывают комбинированное давление, когда на них действуют одновременно несколько видов нагружений. Основные причины: неправильный монтаж и ошибки в проектировании механизмов. В таких случаях диагностика должна производиться с учетом всех возможных давлений или их взаимодействия.

Радиальные силы

Радиальные силы — это вид сил на детали, расположенные внутри вращающихся валов или других движущихся механизмов. Эти силы направлены перпендикулярно к оси вращения и оказывают давление на подшипник, вызывая его износ или ухудшение работы.

Радиальные силы возникают из-за:

• Веса самого вала;
• Давления на него со стороны других деталей механизма;
• Центробежных сил, возникающие при вращении вала;
• Вибраций, вызванные работой других компонентов системы.

Важность учета радиальных сил при проектировании конструкции в том, чтобы обеспечить их долгосрочную работу и надежность. Если радиальные силы не будут правильно рассчитаны или учтены, подшипники могут быстро выйти из строя, что может привести к остановке механизма или его серьезным повреждениям.

Для уменьшения влияния радиальных сил на подшипники используется оптимизация веса и размеров вала, подбор материалов, а также применение технологий обработки поверхностей для увеличения их износостойкости.

Осевые силы

Осевые силы — это вид внешних сил, которые действуют друг на другу вдоль оси подшипника, то есть перпендикулярно его опорной поверхности. Они возникают в результате усилий, приложенных к валу или оси, на которых установлена конструкция, и направлены либо к центру, либо от центра.

Подшипники, используемые в механизмах, предназначены для восприятия осевых и радиальных нагрузок. При этом осевые силы могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на работу подшипников.

Положительное воздействие:

• Осевая нагрузка может способствовать более равномерному распределению нагрузки на тела качения и обоймы подшипника, что снижает износ и увеличивает срок службы подшипника;

Отрицательное воздействие:

• Чрезмерная осевая нагрузка может привести к смещению вала относительно опоры, что приводит к перекосу подшипников и их быстрому износу;
• При отсутствии предварительного натяга подшипника осевая нагрузка может вызвать его проскальзывание, что также приводит к преждевременному износу.

Неправильная нагрузка может привести к перекосу или смещению вала или оси, что может вызвать преждевременный износ конструкции или выход из строя. Для профилактики последствий используются методы компенсации осевых сил, включая установку детали с двухсторонним уплотнением, использование упорных подшипников и применение приспособлений для регулировки осевого зазора.

Комбинированный тип усилий

Комбинированный тип усилий — это термин в области машиностроения и технологии производства для описания специфического типа нагрузки, которая воздействует на определенные участки. Этот тип сочетает осевые и радиальные усилия, создавая сложную систему напряжений и деформаций во внутренней части элемента.

Комбинированный тип усилий вызван неправильной установкой или эксплуатацией, несимметричной нагрузкой, центробежных сил, температурных колебаний и вибраций.

Комбинированные силы оказывают существенное влияние на работу подшипников, вызывая износ, деформацию и потерю работоспособности. Факторы воздействия комбинированных сил:

• Износ: комбинированные силы вызывают износ подшипников, особенно при высоких нагрузках и вибрациях. Они могут привести к стиранию материала подшипников, что снижает их ресурс и увеличивает вероятность выхода из строя.;
• Деформация: комбинированные нагрузки могут вызвать деформацию подшипников, что приводит к нарушению их геометрии и ухудшению работоспособности. Это может проявляться в виде перекосов, зазоров между элементами, что приводит к увеличенному трению и нагреву подшипников.
• Усталостные разрушения: продолжительное воздействие комбинированных нагрузок может вызвать усталостные разрушения подшипников. Это проявляется в виде трещин и разрывов в материале подшипников, приводящих к их разрушению или потере своих функций.

Для оптимизации функционирования с комбинированным типом усилий инженеры-механики и технологи разрабатывают методики расчета или проектирования, учитывают все факторы, влияющие на работу. Это включает анализ материалов, определение размеров, расчет напряжений или деформаций, а также выбор подходящих типов шарикоподшипников или подшипников других конструкций для конкретных условий.

Статические усилия подшипников

Статические усилия — это сила, которая возникает между вращающимися и неподвижными элементами при отсутствии относительного движения. Она возникает из-за давления и веса деталей, которые опираются на подшипник, а также из-за сил упругости или трения между внутренними элементами.

Статические усилия играют важную роль в работе, так как они определяют их способность выдерживать давление, обеспечивая стабильную работу механизмов. Без учета этих усилий невозможно правильно выбрать и настроить подшипники, что может привести к их быстрому износу, поломкам или аварийным ситуациям.

Динамические усилия подшипников

Динамические усилия — это силы, которые последовательно воздействуют на роликовые подшипники или подшипники других конструкций во время их работы в условиях переменных нагрузок, скоростей или температур. Они возникают из-за взаимодействий между элементами внутренней конструкции и внешними взаимодействиями, а также из-за изменений в структуре или свойствах материалов при эксплуатации.

Особенности динамических усилий:

• Нелинейность - силы и моменты не являются линейными функциями нагрузок, скоростей и прочих параметров. Это означает, что зависимости между этими факторами могут быть сложными, и их невозможно описать простыми формулами.
• Зависимость от условий эксплуатации - динамические усилия существенно зависят от рабочих условий: температура, скорость вращения, нагрузка и качество смазывания. Изменение любого из этих факторов может привести к значительным изменениям в динамических усилиях.
• Влияние материалов и конструкции - материал и конструкция также оказывают значительное влияние на динамические усилия. Например, использование более прочных материалов или изменение геометрии может относительно снизить динамические силы и увеличить срок службы.
• Сложность моделирования - определение и анализ динамических усилий является сложной задачей из-за нелинейности и зависимости от множества параметров..

Виды нагружений колец подшипников

Кольца подшипников — это основные элементы конструкции, которые обеспечивают свободное вращение и качение деталей. Они изготавливаются из различных материалов, таких как сталь, керамика, пластик, в зависимости от условий эксплуатации или требуемых характеристик конструкции.

Нагружение на кольца — это процесс, при котором на кольца воздействуют различные силы: радиальные, осевые, комбинированные или центробежные. Эти силы могут вызывать деформации или напряжения в кольцах, что может привести к их разрушению или износу..

Основные виды нагружения колец:

• Радиальное нагружение: возникает при воздействии радиальных сил, направленных перпендикулярно оси вращения. Этот тип распространенный, характерный для большинства моделей.
• Осевое нагружение: происходит при воздействии на кольцо осевых сил, действующих вдоль оси вращения. Он характерен для подшипников с упорными кольцами.
• Комбинированное нагружение: это сочетание двух типов воздействий: радиальных и осевых сил на конструкцию. Встречается в стандартных деталях, работающих в условиях комбинированного давления.

Определение видов нагружения подшипников

Определение вида нагружения подшипника - шаг в процессе проектирования или выбора оптимального типа детали для конкретного применения. В этом тексте мы рассмотрим основные факторы, которые учитывают при определении вида нагружения.

• Направление нагрузки: первым шагом в определении вида нагружения является определение направления нагрузки на конструкцию. Нагрузка может быть осевой, радиальной или комбинированной. Осевая нагрузка возникает при вертикальном движении вала или когда вес вала, его деталей передается на подшипники. Радиальное давление возникает, когда вал подвергается силам, действующим перпендикулярно его оси.
• Вид: существуют различные типы, у каждого из них плюсы и минусы. Выбор типа конструкции зависит от скорости вращения, нагрузки, температуры или окружающей среды. Правильная оценка условий снижает риски ошибок.
• Частота вращения: технические характеристики также влияют на вид нагружения. При высоких скоростях вращения возникают центробежные силы, что увеличивает радиальную нагрузку.
• Температура: повышение температуры приводит к увеличению внутреннего трения, что может вызвать дополнительные нагрузки по окружности.
• Вес вала и деталей: вес вала, связанных с ним деталей также может оказывать нагрузку, особенно при вертикальном перемещении вала.
• Ускорение и вибрация: ускорение или вибрация могут вызвать дополнительное нагружение.

Выбор посадок подшипников в зависимости от вида нагружения подшипника

Выбор посадок зависит от факторов, включая вид давлений на подшипник, его величину, условия эксплуатации и требования к качеству. Помимо типа стоит учитывать и другие факторы:

• Температура: высокие температуры могут привести к расширению подшипников и изменению их размеров. Рекомендуются посадки с увеличенным зазором для компенсации теплового расширения.
• Скорость вращения: высокая скорость вращения может вызвать вибрации и стирание. Подходят посадки с малым или средним зазором для уменьшения люфтов и обеспечения надежной работы.
• Требования к уровню надежности: в зависимости от требований к надежности системы может потребоваться использование более жестких посадок или посадок с большим зазором.

Понимание различных видов позволяет правильно выбрать деталь для конкретного применения и обеспечить их надежную работу долго. Нагрузки на подшипники качения могут вызвать различные проблемы и повреждения, поэтому правильное определение и учет особенностей являются ключевыми факторами для успешной эксплуатации механизмов и машин.