Понимание того, как шарикоподшипники уменьшают трение в машинах для повышения производительности

Инженер по техническому обслуживанию недавно описал странную проблему. Двигатель мощностью 15 кВт на конвейерной линии продолжал работать при температуре на 12 К выше паспортной температуры. Смазка вокруг уплотнения вала обесцвечивалась, а ежемесячные показатели энергопотребления росли. Мотор был в порядке; подшипников не было. Когда радиальные шарикоподшипники правильного размера заменили изношенные втулки скольжения, температура двигателя вернулась к норме в течение нескольких часов. Именно так в реальной жизни выглядит вопрос «как шарикоподшипники уменьшают трение в машинах».

Короткий ответ: шарикоподшипники заменяют трение скольжения трением качения. Поскольку коэффициент трения качения между шариками и дорожками качения составляет примерно одну сотую от коэффициента трения смазанной поверхности скольжения, шарикоподшипник значительно снижает потери на трение. Это приводит к меньшим потерям энергии, меньшему выделению тепла, более медленному износу и увеличению срока службы машины.

Почему подвижный контакт лучше скользящего контакта

Любые две поверхности, которые движутся друг против друга, создают трение. Когда две плоские или цилиндрические поверхности скользят, площадь контакта относительно велика, и сила, необходимая для их перемещения, зависит от коэффициента трения между материалами. Вал скольжения, вращающийся в подшипнике скольжения, даже при хорошей смазке обычно имеет коэффициент трения от 0,08 до 0,15. Если смазка выходит из строя, это значение возрастает до 0,4 или выше.

Шарикоподшипник полностью меняет картину. Нагрузка воспринимается закаленными стальными шариками, которые катятся по изогнутым дорожкам качения. Вместо того, чтобы царапать большую площадь, каждый шарик катится по небольшому пятну контакта. Вот почему коэффициент трения для правильно смазанного радиального шарикоподшипника обычно составляет от 0,001 до 0,005, что на один-два порядка ниже, чем у скользящего контакта.

Что на самом деле происходит внутри шарикоподшипника

Чтобы понять, почему шарикоподшипники так эффективно снижают трение, полезно взглянуть на движущиеся части. Шарикоподшипник имеет четыре функциональные группы: внутреннее кольцо, наружное кольцо, набор шариков и сепаратор. Внутреннее кольцо напрессовано на вал; внешнее кольцо находится в корпусе. При вращении вала внутреннее кольцо поворачивается и шарики катятся по канавкам дорожек качения обоих колец.

Контакт между каждым шариком и дорожкой качения представляет собой не одну точку, а небольшую эллиптическую область, образованную упругой деформацией под нагрузкой, обычно называемую контактом Герца. Даже при умеренных нагрузках эта площадь мала по сравнению с площадью скользящего контакта подшипника скольжения. Поскольку шар катится, а не скользит, относительная скорость при контакте намного ниже, а энергия рассеивается при резком уменьшении трения.

Шарикоподшипник не полностью лишен трения. Сопротивление качению возникает из-за упругого гистерезиса стали, микропроскальзывания между шариками и дорожками качения, трения в сепараторе и сдвига смазочной пленки. Эти компоненты малы, но они имеют значение в прецизионных приложениях. Вот почему геометрия, качество поверхности и качество материала подшипника напрямую влияют на величину трения, которое он производит.

Факторы, повышающие или понижающие трение в подшипниках

Разница между подшипником, работающим плавно, и подшипником, который перегревается, часто сводится к нескольким эксплуатационным факторам. Их понимание помогает инженерам выбрать правильный подшипник и избежать преждевременных поломок.

Нагрузка и скорость

По мере увеличения нагрузки деформируемая площадь контакта увеличивается и сопротивление качению возрастает. Осевая нагрузка особенно важна: принуждение глубокого подшипника к постоянной осевой нагрузке заметно увеличивает трение. На более высоких скоростях центробежная сила выталкивает шарики наружу, увеличивая внутреннюю нагрузку и увеличивая момент трения.

Смазка

Правильная смазка сохраняет тонкую пленку между шариками и дорожками качения, разделяя поверхности и уменьшая трение и износ. Чрезмерная смазка является распространенной ошибкой: заполнение полости подшипника более чем на 30 процентов на низкой скорости или на 20 процентов на высокой скорости вызывает вспенивание и повышает рабочую температуру.

Уплотнения и щиты

Бесконтактные металлические экраны, обозначенные ZZ, не пропускают крупные частицы и практически не создают трения. Контактные резиновые уплотнения, обозначенные 2RS, обеспечивают более надежную защиту от влаги и мелкой пыли, но трутся о внутреннее кольцо и увеличивают сопротивление. Во влажной среде или в условиях промывки дополнительное трение обычно является справедливой платой за защиту.

Монтаж и предварительная нагрузка

Несоосность отверстия корпуса и вала или деформация наружного кольца при установке с запрессовкой увеличивают внутренние напряжения и трение. Подшипники с предварительным натягом намеренно затягиваются для устранения зазора, что повышает жесткость, но увеличивает трение. Применяйте предварительную загрузку только тогда, когда приложение действительно этого требует.

Выбор правильной конструкции подшипника

Для большинства промышленного вращающегося оборудования предпочтительным выбором являются радиальные шарикоподшипники, поскольку они обеспечивают самое низкое трение по сравнению с любыми обычными подшипниками качения, воспринимая при этом как радиальные, так и умеренные осевые нагрузки. Это также наиболее экономичный вариант, поскольку данная серия охватывает широкий диапазон размеров отверстий и номинальных нагрузок для двигателей, насосов, редукторов и конвейерных роликов. В типичной конструкции машины Радиальные шарикоподшипники серии 6200 служить надежным базовым уровнем.

6200 ZZ/2RS Радиальные шарикоподшипники производители, поставщики Ningbo Aosen Bearing Co., Ltd. - китайские производители радиальных шарикоподшипников серии 6200 и поставщики подшипников 6200zz, мы продаем оптом 62 ... Посмотреть продукт →

Приложения с постоянной осевой нагрузкой или с комбинированной осевой и радиальной нагрузкой требуют использования радиально-упорного подшипника. Внутренний угол контакта улучшает осевую устойчивость в одном направлении, но угловая геометрия также увеличивает трение по сравнению с подшипником с глубокими канавками. Конструкторы принимают этот компромисс, поскольку правильно нагруженный подшипник создает меньшее трение, чем перегруженный. Радиально-упорные шарикоподшипники серии 7000 являются стандартным выбором для этих условий.

Оптовый экспортер радиально-упорных шарикоподшипников серии 7000, поставщики, фабрика Компания Ningbo Aosen Bearing Co., Ltd. является китайским оптовым поставщиком радиально-упорных шарикоподшипников серии 7000, экспортером и фабрикой подшипников. ... Посмотреть продукт →

Выбор материала добавляет еще один слой к истории трения. Коррозия приводит к шероховатости стандартных дорожек качения из хромированной стали за считанные недели, когда машина подвергается воздействию паров химикатов, промывки, морской воды или высокой влажности. Шероховатая поверхность означает более высокое трение, поэтому выбор материала может повлиять на долгосрочную работу подшипника.

Что на практике означает снижение трения

Низкое трение в подшипниках проявляется измеримыми способами: снижение энергопотребления, снижение рабочей температуры, замедление разложения смазки и увеличение срока службы подшипников. Эмпирическое правило, используемое многими группами технического обслуживания, заключается в том, что каждые 10 К снижения температуры подшипника удваивают срок службы смазки и значительно увеличивают усталостную долговечность подшипника. Экономия энергии более скромная, но все же реальная. В машине с шестью или восемью подшипниками разница между подшипником скольжения с высокими потерями и качественным шарикоподшипником может составлять несколько процентов от общей потребляемой мощности двигателя.

Вот почему выбор подшипников является не только механическим, но и экономическим решением. Подшипники с плохой геометрией, неровными дорожками качения или шариками меньшего размера увеличивают трение, выделяют тепло и рано выходят из строя. В случае выхода из строя подшипника стоимость замены детали составляет лишь часть общих затрат, связанных с простоем, трудозатратами и повреждением подключенного оборудования.

Среда применения является одним из наиболее убедительных сигналов для выбора правильного семейства подшипников. На линиях пищевой промышленности, фармацевтических заводах, водоочистных сооружениях и химических заводах промывочные жидкости и агрессивные пары разрушают стандартный подшипник из углеродистой стали за несколько недель. Дорожки качения становятся шероховатыми, трение возрастает, и двигатель потребляет больше тока. Для таких условий практическим ответом является подшипник из нержавеющей стали с контактными уплотнениями. Условия, которые мы планируем создать в этих отраслях, описаны в нашем Рекомендации по применению в химической и гальванической промышленности . Там, где стандарты мытья и гигиены являются определяющим фактором, Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали серии SS 6200 сохраняют дорожки качения гладкими гораздо дольше, чем хромированная сталь, в условиях коррозионного воздействия.

Производители радиальных шарикоподшипников из нержавеющей стали 6200 ZZ/2RS Как китайские производители и поставщики радиальных шарикоподшипников из нержавеющей стали SS 6200 ZZ / 2RS, Ningbo Aosen Bearing Custom 6200 Series ... Посмотреть продукт →

Чтобы получить более широкий взгляд на то, как контакт качения снижает трение в различных семействах подшипников, наш направляющая для радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников подробно объясняет различия.

Заключение

Трение в механизмах не является загадкой, и шарикоподшипники уменьшают его по простой причине: при контакте качения рассеивается гораздо меньше энергии, чем при контакте скольжения. Чтобы получить все преимущества, необходимо выбрать правильный тип подшипника, материал, уплотнение и смазку, а затем установить его без смещения. Когда все это собрано вместе, шарикоподшипник выполняет свою работу почти незаметно, а именно так и должна работать хорошо спроектированная машина.