Шпиндельные узлы МРС

Шпиндельные подшипники

Шпиндельные подшипники KRW

Шпиндельные подшипники — это специальная форма однорядных радиальных шарикоподшипников. Наряду с радиальными усилиями, они способны воспринимать осевые и комбинированные усилия и благодаря очень строгим допускам подходят для выполнения сложнейших задач в части точности направления и ведения, жесткости, повышения частоты вращения и минимизации трения. Шпиндельные подшипники не являются разборными и не подходят для компенсации угловой погрешности. Главным образом они используются для опоры главных шпинделей в металлообрабатывающих станках.

Особенности шпиндельных подшипников

Шпиндельные подшипники

Шариковые подшипники шпиндельного типа входят в категорию радиально-упорных конструкций. Данные изделия отличаются от аналогов более высокой грузоподъемностью. Детали широко используются в различных механизмах, работающих с интенсивными нагрузками радиального характера. Специалисты отмечают, что шпиндельные подшипники наиболее эффективны для работы вала на повышенных оборотах.

Такие изделия наиболее часто используются в следующем оборудовании:

  • вентиляторы, работающие на высоких оборотах;
  • насосы повышенной мощности;
  • станки разной конфигурации для металлообработки.

Шпиндельный подшипник универсален, поскольку способен переносить как осевые нагрузки в одном направлении, так и воздействия в двух направлениях. В механизме, предполагающем двунаправленные осевые нагрузки, подшипник должен внедряться по особой схеме.

Радиально-упорные подшипники

Радиально-упорные подшипники

Шариковые радиально-упорные подшипники почти всегда применяют в парной зеркальной установке с обязательной осевой затяжкой.

Способ затяжки и расположение подшипников влияют на работу узла. Затяжка внутренних обойм (рис. 776, а), когда оси качения шариков скрещиваются между подшипниками (схема Х), обеспечивает большую жесткость узла, чем затяжка наружных обойм (вид б). Когда оси качения располагаются вне подшипников (схема О).

Это хорошо видно на рис. 776, г, изображающем особенно неудачное расположение по схеме О, при котором поверхности качения наружных обойм почти точно укладываются в сферу с центром в оси симметрии установки. Устойчивость вала против выворачивающего действия поперечной силы Р невелики; вал оказывается как бы расположенным на сферической опоре. Расположение по схеме X (вид в) придает валу полную устойчивость.

В зависимости от схемы установки подшипники по-разному реагируют на тепловые деформации системы. Если корпус при работе нагревается больше, чем вал, или выполнен из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, то в схеме X осевой натяг увеличивается, а в схеме О — уменьшается.

Схемы установки радиально-упорных подшипников

Если же температура вала больше температуры корпуса, то в схеме X натяг ослабевает, а в схеме О — увеличивается.

Подшипники токарно-винторезного станка 1К62. Регулировка шпиндельных узлов

Схема установки подшипников токарно-винторезного станка 1К62

Прецизионные подшипники радиально-упорного типа

Для производства изделий NKS (серии 70, 72, 79) применяется полимерный или полиамидный материал. Степень точности деталей соответствует классу Р2-Р4 с углом контакта 15/25/30 градусов. Диаметр подшипников составляет от минимальных 5 мм (70-72 серии) до максимальных 280 мм (79 серия). Преимущества радиально-упорных подшипников состоят в следующем:

  • сниженный коэффициент нагрева, достижению которого способствует использование методов компьютерного моделирования;
  • возможность эксплуатации при высоких скоростных режимах;
  • соответствие стандартам МОС и высокой точности;
  • термоустойчивость и высокий уровень износа.

Для улучшения эксплуатационных характеристик и повышения качества подшипников для производства колец и шариков используются различные материалы: сталь SUJ2, сталь SUJ2/нитрид кремния, сталь SNX, керамика/нитрид кремния. Разнообразные размерные серии отвечают различным производственным потребностям покупателей. Приобретать комплектующие следует с учетом диаметра вала, контактного угла, уровня точности. Соответствующая маркировка позволяет подобрать оптимальный вид подшипников.

Компания SKF предлагает в данной категории подшипники типа D, Е, В, которые могут использоваться для производства оборудования, предназначенного для работы в тяжелых условиях и с высоким уровнем нагрузки. Грузоподъемность изделий увеличена за счет оптимизации размера, числа шариков, а также контактов шариков с дорожками.

Габаритные размеры и допуски

Шпиндельные подшипники KRW стандартно поставляются согласно DIN 620-2 (допуски для подшипников качения) и ISO 492 (радиальные подшипники: размеры и допуски) с классом P4S, т. е. с ужесточенными размерными допусками P4, а также допусками по форме и биению P2. Все другие — отклоняющиеся от этого или специальные — классы допуска следует указывать при заказе.

Особенности конструкции

Изделие состоит из шаров качения, внешнего и внутреннего кольца. Шары фиксируются в заданном положении посредством сепаратора. Кольца могут значительно отличаться по размерам. Представлены модификации в открытом и закрытом исполнении. Шпиндельные конструкции отличаются от аналогов комплектацией сепаратора, низким порогом допуска и разными значениями контактных углов.

Подшипники качения для высоких оборотов

К факторам, ограничивающим рабочие обороты подшипников качения, относятся:

  • перегрев в процессе эксплуатации;
  • превышение допускаемых напряжений контактных, вследствие роста центробежной нагрузки.

Соответственно различают номинальные обороты из условия соблюдения допустимого температурного режима. Параметр номинальных оборотов, прежде всего, применим для оборудования, работающего в установившемся режиме. В значительной мере он зависит от типа и особенностей применяемой смазки. В каталогах основных производителей подшипников отдельно выделяют допустимые обороты при масляной и консистентной смазках. Примером служит страница из каталога Koyo.

Высокоскоростные подшипники | 3

Из условия отсутствия деформаций принимают предельные обороты особенно актуальные для работы оборудования в старт-стопном режиме с частыми изменениями нагрузки. Предельные обороты обычно больше допустимых номинальных. Однако для шарикоподшипников самоустанавливающихся большими являются номинальные допустимые обороты. Конкретный выбор подшипника проводят исходя из наименьшего значения обоих параметров.

Высокоскоростные подшипники | 4

Среди факторов, определяющих скоростные показатели подшипника:

  • форма тел качения с большей быстроходностью у шарикоподшипников;
  • геометрические размеры, дающие преимущество маленьким подшипникам в силу снижения центробежных нагрузок и линейных скоростей шариков;
  • наличие сепаратора, особенно, полиамидного;
  • использование керамики с малым весом и высокой твердостью;
  • конструкция, где открытые подшипники выигрывают в скорости у закрытых моделей;
  • подшипники с наличием внутреннего зазора имеют лучшие скоростные показатели, чем при предварительном натяге;
  • точность и чистота обработки, дающая преимущество в скорости прецизионным модификациям;
  • тип смазки, где пластичная смазка уступает масляной по допускаемым оборотам подшипника.

Высокоскоростные подшипники | 5

В силу зависимости скоростных характеристик от геометрических размеров для оценки уровня конструкции вводят скоростной коэффициент dmn, определяемый произведением номинальной скорости на средний диаметр подшипника.

Стандарты

Основные габаритные размеры шпиндельных подшипников определены в соответствии с DIN 628-6 (шпиндельные подшипники), DIN 616 (подшипники качения: размерные чертежи) или ISO 15 (радиальные подшипники: общие габаритные размеры).

Изображение различных схем установки шпиндельных подшипников

Изображение различных схем установки шпиндельных подшипников: «O», «X» или параллельно

Упорно-радиальные прецизионные подшипники

Производственная необходимость часто требует использования сверхточных шарикоподшипников упорно-радиального типа Robust. Продукция отличается соответствием высокому классу точности (Р2А/Р4А), а также нормам и стандартам МОС. В изделиях предусмотрен контактный угол 30º (тип BAR)/ 40º (тип BTR). Размеры изделий соответствуют номенклатурным параметрам 10 серии. В производстве используется сталь марки SUJ2 (кольца) и керамика (шарики). Сепаратор из полиамида или латуни действует в направлении от шариков, что способствует обеспечению высокого скоростного режима с коэффициентом до 1.4 миллиона и термоустойчивости в пределах 120º. Внутренний диаметр изделий составляет от 50 до 200 мм.

При этом изделия типа ТАС (угловой контакт) отличают следующие технические характеристики:

  • категория точности типа PN 7;
  • угол контакта 60º;
  • размерная сетка 20Х/29Х;
  • номенклатура внутреннего диаметра от 35 до 280 мм.

Упорно-радиальные подшипники BTM отличает неразборная конструкция с углом контакта в 30º (А) и 40º (В). Изделия воспринимают значительную двустороннюю осевую нагрузку при высоких валовых оборотах. Рабочие параметры:

  • внутренний диаметр от 60 до 150 мм;
  • соответствие классу точности Р4С;
  • выполнение центрирования сепаратора по шарикам;
  • скоростной фактор ndm в пределах 700 000.

Продукция серии 2344 – изделия, способные выдерживать чрезвычайно высокий уровень осевых нагрузок. Их внутренний диаметр составляет до 200 мм при угле контакта в 60º. Сепаратор выполнен из РА-66 с применением армирования. Показатели фактора скорости ndm составляют 450 0000/600 000, в зависимости от типа смазки.

Конструктивное исполнение подшипников

Шпиндельные подшипники являются неразъемными и неразборными подшипниками. Помимо высоких радиальных усилий, они способны воспринимать как односторонние осевые усилия, так и двусторонние осевые усилия, а также радиальные усилия (в сочетании со вторым зеркальным шпиндельным подшипником).

В зависимости от формы линий контакта в комбинированных комплектах подшипников различают схему установки «O», «X» или параллельно. Подшипники со схемой «X» менее подходят для восприятия моментов, в то время как подшипники со схемой «O» отличаются высокой жесткостью при минимальном зазоре отклонения. При параллельной схеме установки линии контакта двух подшипников идут в одном направлении, благодаря чему подшипники могут воспринимать только односторонние осевые усилия. При этом осевая нагрузка воспринимается обоими подшипниками пары, что повышает осевую несущую способность.

Aufbau eines Spindellagers

Шпиндельный подшипник в базовом конструктивном исполнении; α – угол контакта

Предельная допускаемая осевая нагрузка шпиндельного подшипника возрастает по мере увеличения угла контакта. Размер угла контакта указывается дополнительной маркировкой C (15°), D (20°) и E (25°).

Компания KRW изготавливает как отдельные шпиндельные подшипники в универсальном конструктивном исполнении, которые подходят для установки по любой схеме, а также подогнанные друг к другу комплекты подшипников с определенным предварительным натягом.

По предварительному натягу шпиндельные подшипники подразделяются на различные классы. Они не регламентированы стандартами. Классы предварительного натяга подшипников KRW определяются дополнительной маркировкой. Предварительный натяг выбирается таким образом, чтобы он сохранялся в ненагруженном ответном подшипнике в достаточном объеме при воздействии максимальных осевых усилий. Следите за подъемными усилиями. По этому вопросу вы можете проконсультироваться у инженеров инженерно-технологической службы KRW.

Радиальные прецизионные высокоточные подшипники

Прецизионные шарикоподшипники радиального типа используются в производстве электродвигателей, а также шпинделей, применяемых в деревообрабатывающем оборудовании. Изделия отличает работа на повышенных оборотах, низкий уровень производства шума, низкий уровень трения и незначительное выделение тепла. Степень точности из производства соответствует классу Р2-Р5 с размерной серией 62, 63, 60. В производстве используется комбинированные материалы: сталь/нитрид кремния.

Сепаратор

Шпиндельные подшипники KRW стандартно оснащаются сепаратором из текстолита, центрируемым по наружному борту (дополнительная маркировка: TPA). Другие варианты конструктивного исполнения сепаратора доступны по запросу или выбираются в зависимости от области применения и снабжаются соответствующей дополнительной маркировкой на подшипнике.

Специальная дополнительная маркировка

C Модифицированная внутренняя конструкция, угол контакта 15°
D Модифицированная внутренняя конструкция, угол контакта 20°
E Модифицированная внутренняя конструкция, угол контакта 25°
TPA Массивный сепаратор оконного типа из текстолита, центрируемый по борту наружного кольца
U Универсальные подшипники; за дополнительной маркировкой следует буква, обозначающая степень предварительного натяга подшипника. Различают следующие варианты:
L – легкий предварительный натяг
M – средний предварительный натяг
H – сильный предварительный натяг
DU Комплект подшипников, состоящий из двух универсальных подшипников; за дополнительной маркировкой следует символ, обозначающий степень предварительного натяга подшипника. Различают следующие варианты:
L – легкий предварительный натяг
M – средний предварительный натяг
H – сильный предварительный натяг
TU Комплект подшипников, состоящий из трех универсальных подшипников; за дополнительной маркировкой следует символ, обозначающий степень предварительного натяга подшипника. Различают следующие варианты:
L – легкий предварительный натяг
M – средний предварительный натяг
H – сильный предварительный натяг
QU Комплект подшипников, состоящий из четырех универсальных подшипников; за дополнительной маркировкой следует символ, обозначающий степень предварительного натяга подшипника. Различают следующие варианты:
L – легкий предварительный натяг
M – средний предварительный натяг
H – сильный предварительный натяг
PU Комплект подшипников, состоящий из пяти универсальных подшипников; за дополнительной маркировкой следует символ, обозначающий степень предварительного натяга подшипника. Различают следующие варианты:
L – легкий предварительный натяг
M – средний предварительный натяг
H – сильный предварительный натяг

Компенсация угловой погрешности

Шпиндельные подшипники не подходят для компенсации смещений. Смещения ведут к ненадлежащему движению шариков, вызывая дополнительные напряжения в подшипнике, сокращающие срок его службы.

Частота вращения

Решающее значение для фактически достижимой частоты вращение имеет общий энергетический баланс системы подшипника. Она зависит от:

  • количества подшипников;
  • схемы установки подшипников;
  • внешней нагрузки;
  • класса предварительного натяга;
  • смазки;
  • отвода тепла.

Предельная кинематическая частота вращения nG — это практическое механическое предельное значение, которое основывается на механической эксплуатационной прочности подшипника качения в зависимости от монтажных условий и смазки. В отличие от других типов подшипников, предельная частота вращения шпиндельных подшипников различается в зависимости от используемого смазочного материала (nG консист. смазка или nG масло) и не должна превышаться даже в оптимальных условиях эксплуатации без предварительного разрешения компании KRW.

Предельная частота вращения при использовании консистентной смазки действительна только в том случае, если применяется правильное количество высокоскоростной консистентной смазки, соответствующей эксплуатационной специфике.

Частота вращения в подшипниках с разными схемами установки

Если шпиндельные подшипники монтируются попарно с жестким предварительным натягом по схеме «O», «X» или параллельно (см. ССЫЛКУ на рис. 1), приведенная в таблицах подшипников предельная частота отдельного подшипника уменьшается. С этой целью был введен коэффициент понижения fr, который указан в таблице ниже для каждой схемы установки.

L: легкий предварительный натяг, M: средний предварительный натяг, H: высокий предварительный натяг

Допустимые значения рабочей температуры

Допустимая рабочая температура подшипника определяется в зависимости от материала сепаратора, размерной устойчивости деталей подшипника (колец и тел качения), а также смазочного материала. Подшипники KRW стандартно стабилизированы с расчетом на температуру до 200 °C (S1). Однако сепаратор из текстолита ограничивает максимальную рабочую температуру до 100 °C. По запросу компания KRW поставляет подшипники качения для эксплуатации в условиях более высокой рабочей температуры.

Расчет размеров

Расчет размеров шпиндельных подшипников возможен по сроку службы в соответствии с ISO 281, однако на практике это не принято. В связи с тем, что шпиндельные подшипники, как правило, обладают высокой усталостной прочностью, т. е. эксплуатируются в условиях воздействия предельной усталостной нагрузки, закономерности теории усталости материалов здесь не применимы. Расчет размеров выполняется в соответствии с требованиями к опоре в части несущей способности, жесткости и точности.

Статическая несущая способность шпиндельных подшипников рассчитывается по следующей формуле.

S0* коэффициент нагрузки для усталостной прочности, динамический коэффициент запаса [-]
C0 статическая допускаемая нагрузка (из таблицы подшипников) [кН]
P0* эквивалентная нагрузка на подшипник с усилиями динамической нагрузки рассчитывается по уравнению статической эквивалентной нагрузки [kN]

Статическая эквивалентная нагрузка на подшипник P0 * :

Шпиндельные подшипники подчиняются следующим закономерностям:

P0 статическая эквивалентная нагрузка [кН]
F0,r статическая радиальная сила [кН]
F0,a статическая осевая сила [кН]
e Расчетный коэффициент, см. таблицу [-]
X Расчетный коэффициент, см. таблицу [-]
Y Расчетный коэффициент, см. таблицу [-]
Исполнение e X Y
Исполнение C 1,09 0,5 0,46
Исполнение D 1,2 0,5 0,42
Исполнение E 1,30 0,5 0,38

Если в точке опоры используются несколько подшипников, установленных по схеме «O», «X» или параллельно, внешние нагрузки распределяются между ними. В зачет всегда идет наиболее сильно нагруженный подшипник. В таблице ниже приведены сведения о распределении внешних нагрузок в комбинированных подшипниках.

Для более точного расчета шпиндельных подшипников используется определение герцевского контактного напряжения сжатия между шариками и дорожками качения с помощью вычислительной программы и стандарта ISO/TS 16281. Запрещается превышать максимальное значение контактного напряжения 2000 Н/мм².

Минимальная радиальная нагрузка

Для надежной эксплуатации подшипника качения требуется параметр минимальной нагрузки. При падении нагрузки ниже минимального значения возможно проскальзывание. Минимальная радиальная нагрузка для шпиндельных подшипников ориентировочно составляет 1 % от статической допускаемой нагрузки C0 подшипника. При падении параметра ниже этого значения следует обращаться в инженерно-технологическую службу компании KRW.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий