Почему в большинстве современных горнодобывающих машин используются подшипники качения вместо подшипников скольжения? 

Подшипники, являясь неотъемлемым и важным компонентом механических изделий, играют важную роль в поддержке вращающихся валов. В зависимости от различных свойств трения подшипники делятся на подшипники трения качения (называемые подшипниками качения) и подшипники трения скольжения (называемые подшипниками скольжения). Оба типа подшипников имеют свои собственные конструктивные характеристики, а также свои преимущества и недостатки в эксплуатационных характеристиках. При выборе необходимо всесторонне учитывать реальную ситуацию.
Сравнение подшипников качения и скольжения

1. Сравнение конструкции и способа движения Наиболее очевидное различие между подшипниками качения и подшипниками скольжения заключается в наличии тел качения. Подшипники качения имеют тела качения (шарики, цилиндрические ролики, конические ролики, игольчатые ролики), которые за счет своего вращения поддерживают вращающийся вал, поэтому область контакта представляет собой точку. Чем больше тел качения, тем больше точек контакта. Подшипники скольжения не имеют тел качения и опираются на гладкую поверхность для поддержки вращающегося вала, поэтому область контакта представляет собой единую поверхность. Различие в их конструкциях обуславливает то, что режим движения подшипников качения – качение, а режим движения подшипников скольжения – скольжение, поэтому ситуации трения совершенно различны. Почему в большинстве современных горнодобывающих машин используются подшипники качения вместо подшипников скольжения?

2. Сравнение грузоподъемности В целом, из-за большой площади опоры давления подшипников скольжения их грузоподъемность, как правило, выше, чем у подшипников качения. Кроме того, подшипники качения не очень хорошо выдерживают ударные нагрузки. Однако подшипники, полностью смазываемые жидкой смазкой, могут выдерживать более значительные ударные нагрузки, поскольку смазочная масляная пленка действует как буфер и поглотитель вибраций. При высокой скорости центробежная сила качения в подшипнике качения увеличивается, и его несущую способность необходимо снижать (при высоких скоростях повышается вероятность возникновения шума). Для гидродинамических подшипников скольжения их грузоподъемность увеличивается с ростом скорости.

3. Сравнение коэффициента трения и пускового сопротивления трения В нормальных рабочих условиях коэффициент трения подшипников качения ниже, чем у подшипников скольжения, а значение более стабильно. На смазку подшипников скольжения легко влияют внешние факторы, такие как скорость вращения и вибрация, а коэффициент трения изменяется в большом диапазоне. При запуске, поскольку подшипник скольжения еще не образовал устойчивую масляную пленку, сопротивление больше, чем у подшипника качения, но начальное сопротивление трения и рабочий коэффициент трения гидростатического подшипника скольжения очень малы.

4. Сравнение применимых рабочих скоростей: Из-за ограничений центробежной силы тел качения и повышения температуры подшипников скорость подшипников качения не может быть слишком высокой, и они, как правило, подходят для условий работы на средних и низких скоростях. Из-за нагрева и износа подшипников рабочая скорость подшипников с неполной жидкой смазкой не может быть слишком высокой. Высокоскоростные характеристики подшипников с жидкой смазкой очень хороши, особенно когда гидростатические подшипники скольжения используют в качестве смазки воздух; скорость может достигать 100 000 об/мин. Почему в большинстве современных горнодобывающих машин используются подшипники качения вместо подшипников скольжения?

5. Сравнение потерь мощности: Поскольку коэффициент трения подшипников качения мал, потери мощности у них, как правило, невелики и меньше, чем у подшипников с неполной жидкой смазкой. Однако он значительно возрастет при неправильной смазке и установке. Подшипники с полностью жидкой смазкой имеют меньшие потери мощности на трение, однако для гидростатических подшипников скольжения из-за потерь мощности масляного насоса общие потери мощности могут быть выше, чем для гидродинамических подшипников скольжения.

6. Сравнение срока службы: Из-за влияния точечной коррозии и усталости материала подшипники качения обычно проектируются на срок службы от 5 до 10 лет или могут быть заменены во время капитального ремонта. Вкладыши подшипников с неполной жидкой смазкой сильно изношены и требуют регулярной замены. Срок службы подшипника, полностью смазываемого жидкой смазкой, теоретически неограничен. На практике из-за циклов напряжений, особенно в гидродинамических подшипниках скольжения, могут возникнуть усталостные повреждения материала подшипника.

7. Сравнение точности вращения: Подшипники качения обычно имеют более высокую точность вращения из-за небольшого радиального зазора. Подшипники с неполной жидкой смазкой находятся в состоянии граничной смазки или смешанной смазки, характеризуются нестабильной работой, сильным износом и низкой точностью. Подшипники с полной жидкой смазкой имеют более высокую точность благодаря наличию масляной пленки, которая может амортизировать и поглощать вибрацию. Гидростатические подшипники скольжения имеют более высокую точность вращения. Почему в большинстве современных горнодобывающих машин используются подшипники качения вместо подшипников скольжения?

8. Сравнение по другим аспектам: В подшипниках качения используются масло, консистентная смазка или твердые смазочные материалы в очень небольших количествах. На высоких скоростях расход масла больше, а чистота масла должна быть высокой, поэтому требуется герметизация. Однако подшипники легко заменяются и, как правило, не требуют ремонта цапфы. Для подшипников скольжения, за исключением подшипников с неполной жидкой смазкой, смазка обычно жидкая или газообразная, ее количество велико, а требования к чистоте масла также очень высоки. Втулки подшипников необходимо часто менять, а иногда и ремонтировать шейки.

Выбор подшипников качения и скольжения
Ввиду сложности и многообразия реальных условий эксплуатации единого стандарта по выбору подшипников качения и скольжения не существует. Подшипники качения широко используются в машинах общего назначения благодаря малому коэффициенту трения, малому пусковому сопротивлению, чувствительности, высокой эффективности и стандартизации. Они обладают превосходной взаимозаменяемостью и универсальностью, просты в использовании, смазке и обслуживании. При выборе им обычно отдается приоритет. Подшипники скольжения обладают рядом уникальных преимуществ и обычно используются в некоторых ситуациях, когда подшипники качения не могут быть использованы, неудобны или не имеют преимуществ, например, в следующих ситуациях:

1. Размер радиального пространства ограничен, или же для установки необходимо разделить места. Поскольку подшипники качения имеют в своей конструкции внутреннее кольцо, наружное кольцо, тела качения и сепаратор, их радиальные размеры велики, и их применение сопряжено с определенными ограничениями. Если требования к радиальным размерам строгие, можно выбрать игольчатые роликоподшипники, а при необходимости следует выбирать подшипники скольжения. Для деталей, монтаж которых неудобен или невозможен в осевом направлении, а также для деталей, которые необходимо устанавливать отдельно, следует выбирать разъемные подшипники скольжения.

2. Случаи, когда к используемым подшипникам предъявляются высокие требования по точности, обычно выбирают подшипники скольжения, поскольку смазочная масляная пленка подшипников скольжения может амортизировать и поглощать вибрации. Если требования к точности чрезвычайно высоки, можно выбрать только гидростатические подшипники скольжения. Подшипники скольжения широко применяются в прецизионных и высокоточных шлифовальных станках, различных прецизионных приборах и т. д.

3. Случаи больших нагрузок: Подшипники качения, как шариковые, так и роликовые, подвержены нагреву и усталости в случаях больших нагрузок. Поэтому при больших нагрузках часто используют подшипники скольжения, например, в прокатных станах, паровых турбинах, агрегатах авиационных двигателей, горнодобывающей технике.

4. В других случаях, таких как чрезвычайно высокая рабочая скорость, чрезвычайно сильные удары и вибрация, а также необходимость работы в воде или агрессивных средах, также можно обоснованно выбрать подшипники скольжения.

Использование подшипников качения и скольжения в составе машин и оборудования имеет свои преимущества и недостатки, поэтому разумный выбор следует делать на основе конкретного проекта. Раньше в крупных и средних дробилках обычно использовались подшипники скольжения, отлитые из баббитового сплава, поскольку они выдерживают большие ударные нагрузки, относительно износостойки и стабильны. В небольших щековых дробилках в основном используются подшипники качения, которые имеют высокую эффективность передачи, более чувствительны и просты в обслуживании. Благодаря совершенствованию технологии производства подшипников качения в настоящее время в большинстве крупных щековых дробилок используются подшипники качения.

Анализ и обсуждение применения подшипников в карьерных самосвалах

В последние годы на фоне напряженного международного энергоснабжения моя страна увеличила инвестиции в новые источники энергии, представленные ветровой энергией, постепенно увеличивая выработку новой энергии. Однако в течение еще долгого времени в энергетической структуре моей страны будет доминировать уголь. По сравнению с подземной добычей угля открытая добыча угля имеет объективные преимущества, такие как высокая производительность, низкий уровень аварийности, простота обслуживания и ремонта оборудования. Как на внутреннем, так и на международном уровне активное развитие открытых горных работ является важной тенденцией. Будучи одним из важных видов оборудования, необходимых для добычи полезных ископаемых открытым способом, карьерные самосвалы также откроют для себя очень светлое будущее в связи с активным развитием открытых карьеров.

Конические роликовые подшипники, выпускаемые подшипниковой компанией, используются в карьерных самосвалах уже несколько десятилетий и накопили значительный опыт применения. В данной статье кратко проанализированы вопросы, на которые следует обратить внимание при использовании конических роликовых подшипников в карьерных самосвалах, в надежде помочь большинству конструкторов и пользователей карьерных самосвалов лучше выбирать и использовать подшипники, а также повысить надежность карьерных самосвалов.

Помимо факторов соответствия конструкции системы и регулировки установки, эксплуатационные характеристики конических роликоподшипников в основном определяются следующими тремя факторами: 1) материал подшипника, 2) шероховатость дорожки качения подшипника, 3) модификация поверхности дорожки качения подшипника. Далее мы подробно проанализируем факторы, которые следует учитывать в этих трех аспектах при выборе подшипников в условиях эксплуатации карьерных самосвалов.
1. Материал подшипника
При выборе материала подшипника следует учитывать два основных момента: чистоту стали и процесс термообработки стали.

При нормальной работе подшипника, когда на поверхности дорожки качения появляется отслоение площадью 6 мм2, мы говорим, что подшипник вышел из строя. Время работы подшипника — это его усталостная долговечность. Выкрашивание в основном вызвано наличием неметаллических включений внутри подшипниковой стали. При работе подшипника неметаллические включения вызывают концентрацию напряжений внутри стали и приводят к появлению слабых мест. По мере того, как подшипник работает изо дня в день, эти слабые места постепенно превращаются в крошечные трещины и в конечном итоге приводят к отслаиванию поверхности дорожки качения. Поэтому чистота стали имеет решающее значение для подшипников. Чем меньше объем включений внутри стали и чем меньше число частиц, тем меньше вероятность образования трещин и выше усталостная долговечность подшипника.

Благодаря развитию современных технологий плавки производители подшипников мирового уровня добились очень высокого уровня чистоты подшипниковой стали. Помимо материалов подшипников, соответствующих стандартам ISO и ABMA, в качестве материалов также используется более чистая сталь для повышения надежности подшипников при высоких нагрузках. Возьмем в качестве примера применение ступичных подшипников в карьерных самосвалах. Силы, воспринимаемые подшипниками, очень велики. Если взять в качестве примера груз массой 200 тонн, то при полной загрузке автомобиль весит около 350 тонн, а усилие на подшипник ступицы заднего колеса с одной стороны достигает около 120 тонн. Поэтому, если выбрать подшипник из стандартного материала, его размер будет очень большим. Для минимизации размера ступицы и придания конструкции большей компактности в этой позиции часто используют подшипники, изготовленные из прецизионных материалов высокой чистоты. Несмотря на это, внутренний диаметр подшипника составляет около 500 мм.

Помимо чистоты подшипниковой стали, на эксплуатационные характеристики подшипника существенное влияние оказывает процесс его термообработки. Сегодня на рынке представлены два основных процесса термообработки подшипников: закалка и поверхностная цементация. Сырьем для сквозной закалки является высокоуглеродистая сталь. После сквозной закалки внутренняя и внешняя твердость этой стали достигает 58-64HRC. На поверхности стали возникает растягивающее напряжение. При воздействии относительно большой ударной нагрузки он легко треснет или даже сломается. Сырьем для цементационной термической обработки является низкоуглеродистая сталь, а применяемый процесс термической обработки — поверхностная цементация. Характеристики такого материала таковы, что поверхность имеет твердость 58–64HRC и износостойкость, в то время как внутренняя часть более мягкая — 30–35HRC. На поверхности стали создается сжимающее напряжение, которое может смягчить ударную нагрузку и снизить вероятность образования трещин при ударе.

Конические роликовые подшипники, используемые в карьерных самосвалах, в основном применяются в мостовых узлах и колесных цапфах. Условия работы в этих двух местах очень суровые и часто сопровождаются ударными нагрузками и большими грузами. Кроме того, неизбежные абразивные частицы, образующиеся в процессе литья, а также внешние загрязнения, вызванные возможным выходом из строя сальника, представляют собой огромную проблему для самого подшипника. Под воздействием абразивных частиц и большой нагрузки на поверхности дорожки качения подшипника неизбежно образуются выбоины. Если выбрать полностью закаленные подшипники, то изъяны будут быстро развиваться под двойным влиянием хрупкости самого материала и поверхностного растягивающего напряжения, что приведет к преждевременному выходу подшипника из строя до достижения им усталостного ресурса. При использовании цементированных подшипников углубление нелегко расширить из-за прочности самого материала и поверхностного сжимающего напряжения, поэтому подшипник все равно может достичь хорошего усталостного ресурса. Компания Timken провела эксперименты по моделированию сравнения срока службы подшипников со сквозной закалкой и цементированных подшипников с поврежденными поверхностями дорожек качения. Результаты показали, что подшипники с поверхностной цементацией могут достигать более высокой усталостной долговечности, чем подшипники со сквозной закалкой. Исходя из вышеизложенных причин, при выборе подшипников для карьерных самосвалов следует стараться выбирать цементированные подшипники.

2. Обработка поверхности дорожек качения подшипников и роликов
Помимо упомянутых материальных факторов, еще одним важным фактором, влияющим на эксплуатационные характеристики подшипника, является смазка. По статистике, 70–80% преждевременных выходов подшипников из строя вызваны неправильной смазкой подшипников. Обычно для смазки подшипников мы используем масло или консистентную смазку. При работе системы смазки на поверхности металла образуется масляная пленка. Если мы используем мощную лупу для осмотра дорожки качения подшипника, то увидим, что поверхность дорожки качения не гладкая, а имеет множество небольших металлических выступов, похожих на «пики». Если «пики» между дорожками качения находятся в непосредственном контакте во время работы подшипника, то «пики» разрушатся, что приведет к микроотслаиванию на поверхности дорожек качения и в конечном итоге к повреждению поверхности подшипника. Цель масляной пленки — предотвратить прямой контакт небольших «выступов» между дорожкой качения и роликом. Для достижения этого эффекта толщина масляной пленки должна превышать сумму шероховатостей двух соприкасающихся поверхностей. Когда мы обнаруживаем, что толщина масляной пленки недостаточна для разделения двух металлических поверхностей, у нас есть два варианта: использовать более вязкую смазку или консистентную смазку; уменьшить шероховатость поверхности дорожки качения. В карьерных самосвалах обычно используется смазка в масляной ванне SAE80W-90 в мостовом агрегате и смазка № 2 с противозадирными присадками в колесной части. Из-за воздействия большой нагрузки и низкой скорости толщина масляной пленки может быть недостаточной. Если изменение вязкости трансмиссионного масла невозможно, можно улучшить эксплуатационные характеристики подшипников, улучшив качество обработки поверхности дорожек качения и роликов.

3. Модификация поверхности дорожки качения подшипника
Теперь давайте рассмотрим еще один важный фактор, влияющий на эксплуатационные характеристики подшипника — напряжение на поверхности дорожки качения. Некоторые читатели, возможно, думают, что пока подшипник не превышает свою номинальную нагрузку, напряжение, создаваемое на поверхности дорожки качения, не должно представлять проблемы. Если возникла проблема, это означает, что номинальная нагрузка самого подшипника завышена. Такое понимание игнорирует один момент: когда подшипник находится под нагрузкой, центральные линии его наружного кольца и внутреннего кольца могут не находиться на прямой линии, и между ними может быть угол, что приводит к смещению подшипника во время работы. Такая несоосность может быть вызвана неправильной установкой, незначительной деформацией вала или посадочного места подшипника под большой нагрузкой, ошибками при обработке вала и посадочного места подшипника или сочетанием вышеперечисленных факторов. Номинальная нагрузка конического роликового подшипника, указанная на образце, означает, что при работе подшипника угол должен быть менее 0,0005 радиан. Если угол несоосности составляет менее 5 десятитысячных дуги, это не повлияет на срок службы и эксплуатационные характеристики подшипника. Однако если угол превышает 5 десятитысячных дуги, это окажет определенное влияние на производительность подшипника. Такое несоосное положение приведет к концентрации напряжений в дорожке качения подшипника, что приведет к преждевременному выходу подшипника из строя до того, как будет достигнут расчетный усталостный ресурс. Этот вид отказа обычно возникает на краю дорожки качения и имеет диагональный рисунок в направлении 180 градусов.

Такое явление несоосности и вызванное им повреждение подшипников часто встречается в подшипниках карьерных самосвалов, в основном из-за чрезмерной нагрузки на карьерный самосвал, вызывающей деформацию вала. Если при возникновении такого типа повреждения подшипника его тщательно не проанализировать и не отнести на счет недостаточной несущей способности, а просто устранить путем увеличения размера подшипника, результаты часто оказываются неудовлетворительными. Компания Timken представила подшипники с модифицированной дорожкой качения для применений, в которых срок службы подшипника сокращается из-за превышения допустимого напряжения на границе дорожки качения. Это может решить проблему концентрации напряжений на краю дорожки качения без увеличения размера подшипника, гарантируя, что напряжение на поверхности дорожки качения всегда будет в пределах требуемого для материала диапазона.

При выборе и расчете подшипников для карьерных самосвалов с помощью компьютера, путем ввода условий эксплуатации и использования профессионального программного обеспечения, можно смоделировать, имеет ли подшипник проблему чрезмерного граничного напряжения дорожки качения. На практике мы столкнулись с таким примером: при подборе подшипников для крупнотоннажного карьерного самосвала в ходе расчета ресурса выяснилось, что ресурс наружного бокового подшипника ступицы переднего колеса меньше и не может соответствовать требованиям. При проверке уровня напряжений в роликах подшипника было обнаружено, что в одном из рабочих условий напряжение на дорожках качения было очень высоким. Граничное напряжение ролика превышает требуемое напряжение материала, тогда как напряжение в средней части дорожки качения меньше, что свидетельствует о том, что несущая способность подшипника может соответствовать данному применению. Затем мы модифицировали дорожку качения на основе оригинального подшипника, загрузили программное обеспечение для пересчета, проверили напряжение и обнаружили, что при тех же рабочих условиях срок службы подшипника также значительно увеличился.

IV. Заключение
Вышеизложенное в основном сосредоточено на эксплуатационных характеристиках карьерных самосвалов и представляет вопросы, на которые необходимо обращать внимание при выборе и анализе подшипников с трех точек зрения: материал подшипника, шероховатость поверхности дорожки качения подшипника, а также напряжение и модификация дорожки качения. Ожидается, что вышеперечисленные решения позволят повысить надежность карьерных самосвалов, тем самым сократив время обслуживания на стоянке и повысив эффективность добычи.