four-point_contact_ball_bearing

Шарикоподшипник с четырёхточечным контактом – два в одном

Существуют области применения, в которых подшипники должны выдерживать осевые нагрузки в обоих направлениях, одновременно обеспечивая очень жёсткий допуск на осевую фиксацию вала. Благодаря своей уникальной конструкции шарикоподшипники с четырёхточечным контактом серии QJ действительно удовлетворяют таким требованиям даже в условиях минимального осевого пространства.

Автор: Томас Форстер, Руководитель отдела разработок, г. Штайр, SKF Австрия

 

Контактные шарикоподшипники Другие отрасли Другие виды сервиса

РЕЗЮМЕ

Шарикоподшипники с четырёхточечным контактом серии QJ относятся к особому типу радиально-упорных шарикоподшипников. Во многих случаях один подшипник серии QJ может стать подходящей альтернативой согласованному комплекту однорядных радиально-упорных шарикоподшипников. Подшипники с четырёхточечным контактом имеют компактную конструкцию, а также отличаются высокими частотами вращения и грузоподъёмностью. Эти характеристики обуславливают их широкое применение в таком оборудовании, как компрессоры, насосы и тормоза-замедлители.

 

ССЫЛКИ НА ТУ ЖЕ ТЕМУ

Four-point contact ball bearings

Шарикоподшипник с четырёхточечным контактом (рис. 1) способен выдерживать осевые нагрузки в обоих направлениях в сочетании с радиальной нагрузкой определённой величины и обеспечивает очень жёсткий допуск на осевую фиксацию вала. Такой подшипник также может использоваться в условиях ограниченного пространства, поскольку его можно воспринимать как два однорядных радиально-упорных шарикоподшипника, объединённых 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 четырёхточечным контактом, также известные как подшипники QJ, состоят из цельного наружного кольца, разъёмного 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.

Наружное кольцо шарикоподшипника с четырёхточечным контактом имеет две симмет­ричные дорожки качения, которые пересекаются в центре кольца в одной точке. Такую форму ещё 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 даёт определённое 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 определённой 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 разъёмной 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 передаётся 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 четырёхточечным контактом позволяет разрабатывать более компанктные узлы и обеспечивает экономию пространства. Два однорядных радиально-упорных шарикоподшипника могут быть заменены одним шарикоподшипником с четырёхточечным контактом. Важным условием является то, что для нормальной работы шарикоподшипника с четырёхточечным контактом должна преобладать осевая нагрузка. SKF рекомендует соотношение нагрузок Fa/Fr > 1,27.

В стандартном исполнении шарикоподшипники SKF с четырёхточечным 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.

На рис. 5 приведены основные характеристики подшипников SKF серии QJ.

Нагрузка, номинальный ресурс и частота вращения
Принимая во внимание компактную конструкцию шарикоподшипника с четырёхточечным контактом может показаться, что номинальная грузоподъёмность согласованного комплекта двух однорядных радиально-упорных шарикоподшипников может быть сравнительно выше. На рис. 6 представлено сравнение номинальной грузоподъёмности подшипников QJ серий диаметра 2 и 3 и согласованных комплектов радиально-упорных шарикоподшипников серий 72 B и 73 B соответственно. На рисунке видно, что грузоподъёмность шарикоподшипника с четырёхточечным контактом практически не уступает грузоподъёмности соответствующего комплекта радиально-упорных шарикоподшипников. Таким образом с помощью шарикоподшипника с четырёхточечным контактом можно сэкономить до 50 % пространства в осевом направлении.

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 четырёхточечным 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 четырёхточечным контактом будет выше, главным образом, за счёт меньшего угла контакта. При этом более низкий номинальный ресурс в значительной степени компенсируется преимуществами компактной конструкции.

На рис. 7 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 сопряжённых компонентов
Во многих случаях шарикоподшипник с четырёхточечным контактом используется в сочетании с радиальным подшипником, например, цилиндрическим роликоподшипником. В этом случае важно, чтобы шарикоподшипник с четырёхточечным контактом воспринимал только осевую нагрузку. Таким образом, наружное кольцо шарикоподшипника с четырёхточечным контактом не должно быть зафиксировано в осевом и радиальном направлениях, а должно устанавливаться с радиальным зазором (от 1 до 2 мм) в корпусе (рис. 8). 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. 8). Если осевой фиксации наружного кольца избежать невозможно, наружное кольцо должно быть, по крайне мере, точно отцентрировано при монтаже.

Также важно, чтобы две половины внутреннего кольца всегда были зафиксированы в осевом направлении.

Области применения
Возможность использования шарикоподшипников с четырёхточечным 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 (рис. 9а) 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 четырёхточечным контактом. Узкий зазор между двумя роторами, а также между роторами и корпусом компрессора требует наличия жёсткой конструкции подшипников и малых осевых зазоров.

Тормоза-замедлители (рис. 9b) преобразуют кинетичес­кую энергию грузового автотранспорта в тепло. Для этого требуются высокоскоростные подшипники, которые способны выдерживать быстрые изменения частоты вращения.

Использование многофазных насосов (рис. 9с) 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 надёж­ности насосов.

Редукторы ветряных турбин (рис. 9d) 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 колёса вала вызывают большие осевые нагрузки. В этом случае применяется комбинация цилиндрического роликоподшипника и шарикоподшипника с четырёхточечным контактом.

В области железнодорожного транспорта (рис. 9e) существуют два основных варианта применения данных подшипников. В редукторах и тяговых двигателях, как правило, используют комбинацию цилиндрических роликоподшипников и шарикоподшипников с четырёхточечным контактом. Подшипники тяговых двигателей должны быть защищены от повреждений, возникающих в результате прохождения электрического тока. Надёжным решением в данном случае является использование изолированных подшипников INSOCOAT с электроизоляционным покрытием.

INSOCOAT является зарегистрированной торговой маркой SKF Group.

Рис. 1: Шарикоподшипники с четырёхточечным контактом серии QJ.Рис. 2: Смещение дорожек качения наружного кольца. Рис. 3: Распределение нагрузки в шарикоподшипнике с четырёхточечным контактом.Рис. 4: Возможные варианты распределения нагрузки в шарикоподшипнике с четырёхточечным контактом.Рис. 5: Изображение подшипника в разобранном виде и основные характеристики.Рис. 6: Сравнение динамической грузоподъёмности: подшипники серий QJ 2 и QJ 3 и соответствующие согласованные комплекты подшипников серий 72 B и 73 B. Рис. 7: Сравнение частоты вращения: подшипники серий QJ 2 и QJ 3 и соответствующие согласованные комплекты подшипников серий 72 B и 73 B.Рис. 8: Конструкция подшипникового узла. Шарикоподшипник с четырёхточечным контактом (наружное кольцо с радиальным зазором) воспринимает осевую нагрузку, а цилиндрический роликоподшипник – радиальную.Рис. 9a: Винтовой компрессор.Рис. 9b: Тормоз-замедлитель.Рис. 9c: Многофазный насос.Рис. 9d: Редуктор ветряной турбины.         Рис. 9e: Трансмиссионные и тяговые двигатели на железнодорожном транспорте.

Материалы по теме