Содержание
Самоочевидно: в механизмах подшипники работают на абсолютно разных режимах.
- Подшипник может вращаться с постоянной скоростью, ускоряться или замедляться, останавливаться и возобновлять движение.
- Подшипник может вращаться в одну сторону или в разные. При этом остановка — пауза в движении — перед сменой направления может быть почти мгновенной («качание») или длительной.
- Подшипник может двигаться и в таком режиме, что не выполняет полный оборот до остановки при прерывистом движении, как в шаговом двигателе, к примеру.
- Ну и конечно подшипник может вращаться быстро или медленно.
Хотя производитель не может предсказать, как именно будет работать подшипник у заказчика-покупателя, нужно заранее описать: вот эти режимы являются рабочими, а их превышение — недопустимо. И для описания именно скоростей, темпа и интенсивности работы подшипника у инженеров в справочниках есть два основных параметра: номинальная частота вращения и предельная частота вращения.
Номинальная и предельная частоты вращения — какая больше и в чем разница?
Если не задумываться глубоко, то просто из названия будто понятно: больше, чем «предел» ничего быть не должно, а значит предельная частота вращения для подшипника — максимум. Все сразу станет не так просто, если узнать, что номинальную частоту вращения также называют «тепловой», а предельную — «механической».
Номинальная (тепловая) частота вращения — при работе с такой частотой вращения подшипник нагревается так сильно, что смазочный материал в нем, да и материалы самого подшипника (к примеру, полимерный сепаратор), перестают правильно работать. Понятно, что нагрев от трения в деталях подшипника — не некая предопределенная раз и навсегда величина, и на него влияет и устройство системы охлаждения узла, и качество и состояние смазки, и масса других факторов.
Предельная (механическая, реже — кинематическая) частота вращения — это частота вращения, на которой происходит механическое разрушение деталей подшипника. Не обязательно колец и тел вращения! Речь может идти и о других элементах конструкции, в зависимости от типа подшипника. Например, может «отвалиться» уплотнение, да и сепараторы весьма уязвимы и испытывают значительные центробежные нагрузки.
В большинстве случаев предельная частота выше номинальной (то есть негативные последствия перегрева наступают раньше, чем механическое разрушение). Но если подшипник не нагружен, оснащен системой охлаждения, выполнен с самыми передовыми материалами и смазкой и т.д., его температура не поднимется до опасных значений даже при достижении «паспортной» номинальной частоты вращения! В таком случае лимитирующим фактором становится уже механическая прочность (предельная частота), а не нагрев.
На практике вывод простой: табличные данные подшипников разработаны для базовых конструкций для обычных условий работы. Превышать предельную частоту вращения нельзя ни в коем случае, а если номинальная частота вращения меньше предельной — ориентироваться следует на нее. Вносить же поправочные коэффициенты для нестандартных режимов — это работа сложная, дорогостоящая, требующая исследований, полноценной научной базы для контроля и испытаний.
Где узнать номинальную и предельную частоту вращения подшипника?
Табличные данные по конкретным линейкам продукции приводятся в каталогах производителей, а как производитель их получает — это вопрос каждого отдельно взятого случая. Методики расчетов и практических испытаний регламентируются национальными и международными стандартами, но они, бывают, и оспариваются в обе стороны — особенно авторитетными производителями с собственными научными центрами. В справочнике зачастую можно увидеть разные цифры: для жидкой и для пластичной смазки. С повышением класса точности подшипника обычно растет и его быстроходность.
Самостоятельно рассчитать безопасную частоту вращения для конкретного подшипника отечественный инженер может, руководствуясь отраслевыми стандартами:
- ГОСТ 20918-75 «Подшипники качения. Методы расчёта предельной частоты вращения»
- ГОСТ 32305-2013 «Подшипники качения. Номинальная тепловая частота вращения. Расчёт и коэффициенты».
Начать логичнее с тепловой частоты вращения.
И еще одно замечание: если в вашем оборудовании верой и правдой служил определенный подшипник, то, заменяя его на полностью аналогичный, вы наверняка «попадете» в нужный диапазон частот вращения. Ведь оборудование проектировалось под конкретный режим работы и подшипники подбирались создателями механизма соответствующие! А вот если проектант — это вы, и вы создаете новый узел с нуля, тогда и может потребоваться новый расчет тепловой или механической частоты вращения, чтобы подшипник точно соответствовал заданным условиям. И не забудем про некий запас прочности: реальное максимальное значение частоты вращения подшипника в оборудовании непременно должно быть ниже табличных данных.
А что, если частота вращения очень мала?
Некоторым подшипникам вообще не грозит «тепловая смерть» или разрушение за предельной частотой вращения. Они не делают и 10 оборотов в минуту! И это весьма неблагоприятный режим, особенно если подшипник вращается то в одну, то в другую сторону. Так не обеспечивается правильно смазывание, смазочная пленка в области контакта тел и дорожек качения не образуется. Если же подшипник вращается достаточно быстро, между его деталями появляется постоянный надежный барьер, — масляный клин полностью исключающий контакт «металл-металл» (т.н. сухое трение)
Проблема отчасти решается применением особых смазочных материалов и противозадирных присадок, но в целом сильно нагруженный подшипник на «сверхмалом» ходу обречен испытывать дефицит смазки и сопутствующий этому износ.
БОНУСНЫЙ РАЗДЕЛ. Почему в таблицах именно частота вращения, а не скорость?
Представим вращение подшипника: одно кольцо вращается относительно другого (и неважно, оба ли кольца подвижны относительно наблюдателя или только одно). Сколько полных оборотов сделает кольцо за минуту относительно второго кольца — такова и частота вращения подшипника, для удобства инженерных расчетов единица измерения выбрана «оборотов в минуту» (об/мин или мин⁻¹, а по-буржуйски — rpm). Частота вращения — более удобный способ описать движение деталей подшипника, нежели привычная нам линейная скорость, и на то несколько причин.
Во вращающихся механизмах зачастую валы никуда не движутся, они вращаются вокруг продольной оси, а величина «скорость» характеризует именно пройденное расстояние в единицу времени.
Далее, если мы говорим о линейной скорости, то разные точки подшипника при одной и той же частоте вращения будут иметь разную скорость (а некоторые — вообще неподвижны). Так скорость какого именно элемента нам «зафиксировать» для описания движения подшипника?
А каким измерительным прибором можно пользоваться на подшипниках разных размеров? Тахометром, измеряющим частоту вращения! Если бы мы, предположим, вместо частоты вращения замеряли линейную скорость точки на внешнем кольце, то для миниатюрных подшипников, раскалившихся докрасна от запредельного темпа работы, она была бы меньше, чем для двухметрового подшипника, раскрученного толчком руки.
В том и уловка, что измерение частоты вращения подвижного кольца относительно неподвижного не зависит от точки измерения и не требует никаких поправок на размер.
Внимательный читатель спросит, а почему бы не выбрать тогда угловую скорость? То есть на сколько градусов (радиан) повернется кольцо за единицу времени.
Это уже вопрос удобства: угловую скорость часто используют для инженерных расчетов, а в сущности угловая скорость и частота вращения это величины-близнецы. Инженеру на практике легче представить полный законченный оборот механизма, даже на уровне интуиции так легче понять — быстро или медленно вращается вал. А если в какую-то формулу потребуется подставить именно угловую скорость, то инженер просто умножает частоту вращения на 2π.
