Плавающий подшипник

Плавающий подшипник – особенности и применение.

Обычно установка вала выполняется в двух подшипниковых опорах. При этом реализуется одна из трех главных схем монтажа подшипников:

• плавающая;
• врастяжку;
• враспор.

Плавающий подшипник допускает линейное перемещение вала, компенсирует только радиальное усилие. Он обеспечивает следующие ключевые преимущества:

• компенсация изменений длины вала при нагреве или охлаждении;
• нейтрализация размерных погрешностей;
• облегчение монтажа узла, снижение затрат на сборку;
• отсутствие необходимости в сложных регулировках;
• упрощение эксплуатации.

Реализация плавающей схемы производится тремя основными способами:

• подшипник неподвижно фиксируется на валу с возможностью осевого свободного перемещения в корпусе;
• верхнее и нижнее кольца фиксируются соответственно в корпусе и на валу, но конструкция подшипника допускает их относительное перемещение;
• крепление подшипникового узла допускает свободное перемещение вала во внутренней обойме.

Плавающий подшипник используют в следующих основных случаях:

• значительное расстояние между опорами (более семи диаметров вала);
• большие температурные перепады при работе;
• сложность обеспечения высокой точности размеров вала и установки опорных узлов;
• необходимость осевого смещения вала для работы механизма (регулировка зазора между жерновами мельницы);
• размещение подшипников в отдельных корпусах.

Внимание! Плавающей обязательно делают менее нагруженную радиальным усилием опору. Так обеспечиваются лучшие условия для осевого смещения вала.

Реализация схемы с перемещающимся подшипником.

Классический и наиболее распространенный вариант предусматривает:

• предварительный расчет нагрузок для выбора менее нагруженной опоры в качестве плавающей;
• крепление вала в осевом направлении в фиксированной опоре путем ограничения линейных перемещений внешней и внутренней обойм шарико или роликоподшипника (для такой опоры выбирают подшипники, компенсирующие радиальное и осевое усилие);
• установка плавающего подшипника путем осевой фиксации вращающейся обоймы с возможностью осевых перемещений неподвижной обоймы (боковые зазоры между неподвижной обоймой и крышками корпуса).

В этом варианте вал может перемещаться вместе со свободным подшипником. При большой длине вала и сложности гарантировать соосность для обеих опор используют сферические самоустанавливающиеся шарикоподшипники, а при повышенных нагрузках сферические роликоподшипники. Используются два одинаковых ролико либо шарикоподшипника, компенсирующих угловой перекос вала до нескольких градусов и несущих как радиальные, так и осевые нагрузки.

Боковой зазор свободного подшипника должен гарантированно превышать величину линейного температурного расширения вала и возможные размерные неточности (набегание допусков линейных размеров). Это широко распространенный в промышленности вариант, используемый, например, в редукторах, перемешивающих устройствах, колесах кранов подъемных.

При возможности обеспечить строгую соосность аналогично устанавливаются более дешевые шарикоподшипники радиальные однорядные. Такая схема используется, например, в центробежных двойных насосах, трансмиссиях автомобильных.

Для компенсации, возникающих при работе механизма больших осевых сил для фиксирующей опоры рационально использовать два шарикоподшипника радиально-упорных либо упорно-радиальный спаренный шарикоподшипник. Для свободной опоры в этой схеме используется радиальный шарикоподшипник. Так фиксируются в редукторах червячные валы.

Важным моментом является выбор посадки свободного шарико либо роликоподшипника, допускающей его осевое смещение.

При выборе допуска отверстия корпуса под плавающий подшипник можно ориентироваться на следующие рекомендации:

• для тихой работы точных шарикоподшипников – H6 (электродвигатели
  малой мощности);
• для общего машиностроения – H7;
• при значительном нагреве, разности температур внешней и внутренней обойм более десяти градусов – G7;
• при наружном размере внешней обоймы более 250 мм и разности температур внешней и внутренней обойм более десяти градусов – F7.

Расточки чугунных либо стальных корпусов обеспечивают наилучшие условия для линейного смещения подшипника. В корпусах из алюминиевых сплавов желательно устанавливать закаленную втулку из стали. Недостатками схемы со свободным перемещением плавающего подшипника становятся повышенный износ посадочной поверхности и возникновение дополнительной осевой нагрузки.

Специалисты японской компании NSK рекомендуют для фиксированной установки:

• однорядные шарикоподшипники радиальные либо самоустанавливающиеся двухрядные;
• радиально-упорные спаренные или двухрядные упорно-радиальные шарикоподшипники;
• роликовые цилиндрические подшипники с бортами типов NUP или NH;
• сферические роликоподшипники;
• сдвоенные роликоподшипники конические.

Каталог FAG-INA предлагает использовать зеркально спаренные конические роликоподшипники либо шарикоподшипники радиально-упорные при необходимости высокоточного осевого ведения вала в фиксированной опоре. Для этой цели также эффективен радиально-упорный двухрядный шарикоподшипник.

Рекомендованный плавающий подшипник:

• шарикоподшипник радиальный однорядный;
• самоустанавливающийся шарикоподшипник двухрядный;
• самоустанавливающийся роликоподшипник.

Для крепления внешних подшипниковых обойм используются:

• крышки торцовые;
• заплечики корпуса;
• стопорные внутренние пружинные кольца;
• кольца дистанционные.

Внутренние кольца фиксируются:

• заплечиками валов;
• гайками шлицевыми;
• стопорными пружинными наружными кольцами;
• торцовыми шайбами с винтовым креплением к валу.

Плавающая схема со смещением колец внутри подшипника

Для высоких оборотов вала и значительных нагрузок используется плавающий подшипник с относительным перемещением внешней и внутренней обойм. Ключевые преимущества такого решения – минимальное трение при осевом смещении, отсутствие износа посадочной поверхности плавающего подшипника.

Возможность линейного смещения обойм предоставляют:

• роликоподшипник цилиндрический NU с обоймой внутренней без буртиков (отечественное обозначение 32000);
• роликоподшипник цилиндрический N с обоймой внешней без буртиков (отечественное обозначение 2000);
• роликоподшипники цилиндрические бессепараторные;
• роликоподшипники торроидальные типа CARB, разработанные SKF;
• роликоподшипники игольчатые.

Следует учитывать, что роликоподшипники цилиндрические и игольчатые крайне чувствительны к перекосам вала.

Роликоподшипник типа NU. Роликоподшипник типа N.

Роликоподшипник торроидальный CARB.

Смещение подшипниковых колец.

При монтаже по этой схеме закрепляются наружные и внутренние обоймы фиксированного и свободного подшипников, а смещение вала приводит к относительному перемещению колец подшипника плавающей опоры. На иллюстрации фиксированная опора выполнена с шарикоподшипником радиально-упорным ZKLN, а плавающая с игольчатым роликоподшипником NKIS.

Комбинация зафиксированного шарикоподшипника радиального и плавающего подшипника роликового типа NU рекомендуется для высокооборотных механизмов, например, вентиляторов, двигателей.

Сочетание закрепленного роликоподшипника типа NUP и свободного роликоподшипника NU хорошо работает при значительных усилиях, включая ударные нагрузки. Используется в железнодорожном транспорте.

Высокую жесткость и точность обеспечивает комбинация сдвоенного роликоподшипника конического в фиксированной опоре и цилиндрического роликоподшипника плавающего. Применяется в токарных станках и роликах станов прокатных.

Для комбинации больших радиальных и умеренных осевых сил при высоких оборотах рекомендуется сочетание свободного роликоподшипника NU и группы из шарикоподшипника четырехточечного контакта с роликоподшипником NU. Такое решение используется в редукторах дизельных локомотивов.

Для очень больших значений радиальных нагрузок SKF предлагает вариант со сферическим роликоподшипником двухрядным и роликоподшипником торроидальным CARB в плавающей опоре. Примером их использования могут служить цилиндры сушки машин для производства бумаги.

Особенности реализации плавающей схемы для покупных подшипниковых узлов.

Максимальное использование покупных узлов и элементов, выпускаемых массовыми сериями, позволяет удешевить продукцию, ускорить производство, повысить качество изделий. При проектировании все шире применяются серийные подшипниковые узлы, поставляемые большинством ведущих производителей подшипников. Такой узел представляет собой корпус с креплением на лапах либо фланцевым, установленный в корпусе шарикоподшипник, уплотнения, винт стопорный для фиксации вала во внутренней обойме, масленку для подачи смазки.

Обычно в таких узлах используется корпусной шарикоподшипник со сферической внешней и удлиненной внутренней обоймами. Он позволяет компенсировать перекосы валов.

При использовании покупных узлов подшипников возникает проблема реализации плавающей схемы. Обычно подшипниковые узлы размещаются по краям вала и крепятся к раме или корпусу машины. После установки вал фиксируется винтами стопорными. При таком способе монтажа компенсируются размерные погрешности. Но тепловое расширение требует организации плавающей опоры. Особенно такая схема актуальна при повышении температуры свыше ста градусов.

В этом случае затягивается стопорный винт только фиксированной опоры. Плавающая опора (с меньшей радиальной нагрузкой) выполняется следующим образом:

• для шейки вала выбирается допуск с минимальным зазором;
• стопорный винт подшипникового узла заменяется резьбовым пальцем с цилиндрическим концом;
• под цилиндрическую часть резьбового пальца на валу выполняется паз.

При работе вращение вала передается шарикоподшипнику через цилиндрическую часть резьбового пальца, установленного на внутренней обойме. При тепловом расширении вала он смещается линейно внутри обоймы шарикоподшипника, а цилиндрическая часть пальца остается внутри паза вала.

Такие решения используются, например, в механизме опрокидывания варочного котла.

Плавающий подшипник позволяет ускорить и облегчить сборку, обеспечивает успешную работу при перепадах температур, компенсирует размерные неточности. Схема со свободным подшипником благодаря своим преимуществам остается одной из основных в машиностроении.