Подшипник

Подшипник — это техническое устройство, являющееся частью опоры вращающихся или качающихся деталей машин и механизмов. Основное назначение подшипника — передавать нагрузку от одной детали к другой, обеспечивая при этом их относительное вращение или качение с минимальным сопротивлением, а также фиксировать положение деталей в пространстве. Подшипники являются одним из наиболее распространённых и важных элементов в машиностроении, приборостроении и транспортной технике.

История

Прообразы современных подшипников использовались ещё в древности. В Древнем Египте при строительстве пирамид применялись катки из брёвен, которые можно считать прототипом подшипников качения. В Древнем Риме в поворотных механизмах использовались бронзовые втулки — прообразы подшипников скольжения.

Первое документальное упоминание о подшипнике качения относится к эпохе Возрождения. Леонардо да Винчи в своих эскизах около 1500 года изобразил устройство, напоминающее шарикоподшипник. Однако промышленное производство подшипников началось лишь в конце XVIII века с развитием паровых машин и металлорежущих станков.

В 1794 году английский изобретатель Филипп Воган получил первый патент на шариковый подшипник. В 1869 году француз Жюль Сюррей запатентовал конструкцию шарикоподшипника с сепаратором, что стало важным шагом в развитии технологии. В 1883 году немецкий инженер Фридрих Фишер основал компанию по производству шарикоподшипников, которая впоследствии стала частью концерна Schaeffler.

В России первый подшипниковый завод был построен в 1916 году в Москве (ныне — Московский подшипниковый завод). В советский период подшипниковая промышленность активно развивалась, были созданы крупные предприятия в Самаре, Саратове, Томске и других городах. В 1932 году был введён в эксплуатацию Государственный подшипниковый завод № 1 (ГПЗ-1) в Москве, ставший одним из крупнейших в мире.

Классификация

Подшипники классифицируются по нескольким основным признакам: по принципу работы, по форме тел качения, по направлению воспринимаемой нагрузки, по способу монтажа и другим параметрам.

По принципу работы

• Подшипники скольжения — работают на основе скольжения сопряжённых поверхностей. Вращающаяся деталь (вал) скользит по поверхности вкладыша, изготовленного из антифрикционного материала (бронза, баббит, полимеры). Между трущимися поверхностями обычно находится смазочный материал, разделяющий их и снижающий износ.
• Подшипники качения — работают на основе качения тел (шариков или роликов) между двумя кольцами. Благодаря низкому коэффициенту трения качения (в 5–10 раз меньше, чем трение скольжения) они обеспечивают высокий КПД и долговечность.

По форме тел качения (для подшипников качения)

• Шариковые — тела качения имеют форму шара. Обеспечивают высокую скорость вращения, но ограниченную грузоподъёмность.
• Роликовые — тела качения имеют форму цилиндров, конусов, игл или бочкообразных роликов. Обладают большей грузоподъёмностью по сравнению с шариковыми, но могут работать на меньших скоростях.
• Цилиндрические — воспринимают радиальные нагрузки.
• Конические — воспринимают комбинированные (радиальные и осевые) нагрузки.
• Игольчатые — имеют ролики малого диаметра, что позволяет уменьшить габариты подшипника.
• Сферические (самоустанавливающиеся) — компенсируют перекосы вала.

По направлению воспринимаемой нагрузки

• Радиальные — воспринимают нагрузку, направленную перпендикулярно оси вращения.
• Упорные — воспринимают нагрузку, направленную вдоль оси вращения.
• Радиально-упорные — воспринимают комбинированную нагрузку (радиальную и осевую одновременно).

По способу монтажа

• Закрытые (с защитными шайбами или уплотнениями) — не требуют дополнительной смазки в процессе эксплуатации.
• Открытые — требуют регулярной смазки и защиты от загрязнений.

Устройство и характеристики

Конструкция подшипника качения

Основными элементами подшипника качения являются:

• Наружное кольцо — неподвижная часть, устанавливаемая в корпус.
• Внутреннее кольцо — вращающаяся часть, насаживаемая на вал.
• Тела качения (шарики или ролики) — передают нагрузку между кольцами.
• Сепаратор — разделяет тела качения, предотвращая их соприкосновение и обеспечивая равномерное распределение.

Материалы: кольца и тела качения изготавливаются из высокоуглеродистой хромистой стали (например, ШХ15), нержавеющей стали, керамики (нитрид кремния) или пластика. Сепараторы делают из стали, латуни, бронзы, полимеров.

Конструкция подшипника скольжения

Подшипник скольжения состоит из корпуса и вкладыша (втулки). Вкладыш может быть цельным или разъёмным. Материалы вкладышей: бронза, баббит, алюминиевые сплавы, полимеры (капрон, фторопласт). Для снижения трения применяется смазка (масло, консистентная смазка, вода, воздух).

Основные характеристики

• Грузоподъёмность — максимальная нагрузка, которую подшипник может выдержать без разрушения (статическая и динамическая).
• Предельная частота вращения — максимальная скорость, при которой подшипник сохраняет работоспособность.
• Класс точности — определяет допуски на геометрические параметры (по ГОСТ 520-2011 и ISO 492).
• Радиальный зазор — зазор между телами качения и кольцами.
• Уровень шума и вибрации — важен для высокоскоростных и прецизионных механизмов.

Применение

Подшипники используются практически во всех отраслях промышленности и транспорта:

• Машиностроение — станки, прессы, конвейеры, насосы, компрессоры.
• Автомобилестроение — ступицы колёс, коробки передач, двигатели, генераторы.
• Авиация и космонавтика — турбины, редукторы, системы управления.
• Железнодорожный транспорт — буксы колёсных пар, тяговые двигатели.
• Энергетика — турбины, генераторы, ветроустановки.
• Сельское хозяйство — тракторы, комбайны, сельхозмашины.
• Бытовая техника — стиральные машины, пылесосы, электродвигатели, вентиляторы.
• Медицинская техника — стоматологические бормашины, томографы, центрифуги.

Производство в России

Подшипниковая промышленность России представлена несколькими крупными предприятиями. Основные производители:

• ОАО «Московский подшипник» (ГПЗ-1) — выпускает широкий спектр подшипников качения, включая прецизионные.
• ОАО «Самарский подшипниковый завод» (ГПЗ-4) — специализируется на крупногабаритных и специальных подшипниках.
• ОАО «Саратовский подшипниковый завод» (ГПЗ-3) — производит подшипники для железнодорожного транспорта и сельхозмашиностроения.
• ОАО «Томский подшипниковый завод» (ГПЗ-5) — выпускает роликовые и шариковые подшипники.
• ОАО «Волжский подшипниковый завод» (ВПЗ-15) — одно из крупнейших предприятий в Европе по производству подшипников.

Российские заводы выпускают подшипники по ГОСТ (государственным стандартам) и международным стандартам ISO. Продукция экспортируется в страны СНГ, Азии, Ближнего Востока.

Интересные факты

• Самый большой подшипник в мире был изготовлен в 2015 году компанией SKF для ветрогенератора. Его наружный диаметр составил более 6 метров.
• Самый маленький подшипник имеет диаметр менее 1 мм и используется в микромеханизмах, например, в наручных часах.
• В 2020 году российские учёные из Института проблем машиноведения РАН разработали подшипник из керамики, способный работать при температурах до 1000 °C.
• В подшипниках скольжения для гидротурбин в качестве смазки может использоваться вода.
• Подшипники качения составляют около 80% всех подшипников, производимых в мире.

Источники

• ГОСТ 520-2011 «Подшипники качения. Общие технические условия».
• ГОСТ 24955-81 «Подшипники скольжения. Термины и определения».
• Артоболевский И. И. «Теория механизмов и машин». — М.: Наука, 1988.
• Решетов Д. Н. «Детали машин». — М.: Машиностроение, 1989.
• История подшипниковой промышленности России. — М.: ВНИИПП, 2005.
• SKF Group. «Rolling bearings catalogue». — 2020.
• Schaeffler Technologies. «Technical principles of rolling bearings». — 2019.