Шарикоподшипники лежат в основе почти всех вращающихся машин. Они обеспечивают вращение воздушно-турбинного стоматологического наконечника с частотой до 400 000 об/мин (NSK), работу тягового электродвигателя электромобиля и вентилятора охлаждения стоящего перед вами ноутбука.
В этой статье разобрано, где применяются шарикоподшипники и как выбрать подходящий подшипник для конкретной задачи. Конструкция шарикоподшипников и их место среди роликоподшипников, подшипников скольжения и магнитных подшипников рассмотрены в нашем основном руководстве по видам подшипников. Там же приведён расчёт ресурса L10, лежащий в основе подбора. О компаниях, которые выпускают такие подшипники, читайте в обзоре производителей подшипников.
Ключевые выводы
- Шарикоподшипники чаще всего применяют в компактных вращающихся узлах с умеренной нагрузкой и высокой частотой вращения: электродвигателях, насосах, вентиляторах, автомобильных агрегатах и большинстве устройств бытовой электроники.
- Почти все коммерческие задачи решают пять конструктивных типов: радиальные, радиально-упорные, упорные, самоустанавливающиеся и миниатюрные шарикоподшипники.
- Выбор материала — хромистой или нержавеющей стали либо гибридного исполнения с керамическими шариками — определяется прежде всего условиями эксплуатации и частотой вращения, а не только нагрузкой.
- Гибридный подшипник с керамическими шариками не является высокотемпературным: предел задают его стальные кольца. Керамические шарики обеспечивают электрическую изоляцию и возможность работы при повышенной частоте вращения.
- При подборе нужно ответить на пять вопросов: каковы нагрузка, частота вращения, условия эксплуатации, требуемый класс точности и план обслуживания.
- Проблемы со смазыванием и загрязнение, а не классическая контактная усталость, являются основными причинами преждевременных отказов (SKF).
Где применяются шарикоподшипники?
Шарикоподшипники применяются во всех отраслях с вращающимся оборудованием, но особенно широко — в компактных узлах, где умеренная нагрузка сочетается с высокой частотой вращения. На семь перечисленных ниже направлений приходится основная часть мирового спроса.
Автомобилестроение
В каждом современном автомобиле шарикоподшипники установлены сразу в нескольких узлах. Ступичные подшипниковые узлы воспринимают комбинированные радиальные и осевые нагрузки, действующие на колесо. Валы коробки передач и дифференциала опираются на радиальные однорядные шарикоподшипники, нередко в сочетании с коническими роликоподшипниками. Генераторы, насосы системы охлаждения, компрессоры кондиционеров и стартеры также содержат шарикоподшипники, рассчитанные на вибрацию, перепады температуры и многолетнюю эксплуатацию. В тяговых электродвигателях электромобилей всё шире применяются гибридные подшипники с керамическими шариками. Керамические шарики прерывают путь прохождения наведённых инвертором токов вала, вызывающих электроэрозию дорожек качения обычных стальных подшипников (Schaeffler).
Промышленные машины и производство
Электродвигатели, составляющие основу промышленного производства, почти всегда работают на радиальных однорядных шарикоподшипниках. В шпинделях станков с ЧПУ прецизионные радиально-упорные шарикоподшипники обеспечивают микронную точность при высокоскоростной обработке. Бесперебойная работа конвейеров, упаковочных линий и промышленных вентиляторов также зависит от надёжности подшипников. В тяжёлых узлах прокатных станов, где шарикоподшипники оказались бы перегружены, их функцию принимают на себя четырёхрядные конические или цилиндрические роликоподшипники.
Аэрокосмическая и оборонная техника
Подшипники авиационной техники должны обладать исключительно высокой надёжностью. Опоры главного вала гражданских турбовентиляторных авиадвигателей работают при высокой температуре и частоте вращения, поэтому в передовых конструкциях всё чаще применяют керамические шарики из нитрида кремния. Низкая плотность нитрида кремния уменьшает массу и инерционные силы, что и позволяет повысить частоту вращения (SKF). В гироскопах и инерциальных навигационных системах работают сверхпрецизионные миниатюрные подшипники.
Медицинская и стоматологическая техника
Воздушно-турбинные стоматологические наконечники вращаются с частотой до 400 000 об/мин (NSK). Это обеспечивают миниатюрные прецизионные шарикоподшипники, причём подшипник должен также обеспечить полную остановку инструмента до его извлечения из полости рта пациента. Специализированные подшипники также применяются в хирургических роботах, порталах аппаратов МРТ и КТ и лабораторных центрифугах.
Потребительская электроника и бытовая техника
Раньше в жёстких дисках применяли шарикоподшипники, затем ради почти бесшумной работы перешли на гидродинамические подшипники скольжения. В вентиляторах ноутбуков, серверов и игровых ПК устанавливают миниатюрные шарикоподшипники с ресурсом в десятки тысяч часов. Другие повседневные примеры — стиральные машины, пылесосы, блендеры и электроинструмент.
Робототехника и автоматизация
Современные роботы-манипуляторы должны обеспечивать точное, воспроизводимое позиционирование на протяжении миллионов циклов. В их шарнирных узлах преобладают перекрёстно-роликовые подшипники и прецизионные радиально-упорные шарикоподшипники. Перекрёстно-роликовые подшипники относятся к роликовым, а не шариковым, однако их настолько часто устанавливают в одном шарнире с радиально-упорными шарикоподшипниками, что здесь стоит упомянуть оба типа.
Спортивный и развлекательный инвентарь
В колёсах скейтбордов и роликовых коньков устанавливают шарикоподшипники классов точности ABEC, как правило от ABEC-3 до ABEC-7 (ANSI/ABMA 20-2025). В велосипедных втулках, каретках и рулевых колонках применяют насыпные подшипники с чашками и конусами либо картриджные узлы. Даже плавную намотку лески в рыболовной катушке обеспечивают миниатюрные коррозионностойкие подшипники.
Пять типов шарикоподшипников, применяемых на практике
Пять конструктивных типов охватывают подавляющее большинство промышленных и коммерческих применений шарикоподшипников. Каждый рассчитан на определённое сочетание направления нагрузки, частоты вращения и допустимой несоосности. Подробнее принцип работы каждого типа разобран в разделе о шарикоподшипниках основного руководства.
| Тип | Направление нагрузки | Предельная частота вращения | Допустимая несоосность | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| Радиальный шарикоподшипник | Радиальная + умеренная осевая | Очень высокая | Низкая | Электродвигатели, насосы, вентиляторы |
| Радиально-упорный шарикоподшипник | Комбинированная радиальная + осевая | Высокая | Низкая | Шпиндели станков, ступицы колёс |
| Упорный шарикоподшипник | Только осевая | Умеренная | Отсутствует | Рулевые колонки, крюки кранов |
| Самоустанавливающийся шарикоподшипник | Радиальная + лёгкая осевая | Умеренная | Высокая (зависит от серии) | Конвейеры, сельское хозяйство |
| Миниатюрный шарикоподшипник | Радиальная + лёгкая осевая | Очень высокая | Низкая | Стоматологические наконечники, дроны, HDD |
Несколько практических замечаний, которых обычно нет в каталожных таблицах:
- Радиальный однорядный шарикоподшипник обычно рассматривают первым. Если он удовлетворяет требованиям по нагрузке и частоте вращения, его преимущества по стоимости и доступности трудно превзойти. Изучите полный ассортимент радиальных однорядных шарикоподшипников.
- Радиально-упорные шарикоподшипники почти всегда устанавливают подобранными парами по схеме O, X или тандем, то есть DB, DF или DT. Так узел воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях, а предварительный натяг пары остаётся контролируемым. См. нашу линейку радиально-упорных шарикоподшипников.
- Упорные шарикоподшипники воспринимают только осевую нагрузку. Установка такого подшипника на вал с заметной радиальной нагрузкой — одна из самых частых ошибок подбора, которые мы выявляем при анализе возвращённых подшипников.
- Самоустанавливающиеся шарикоподшипники компенсируют как статическую, так и динамическую несоосность вала относительно корпуса (SKF). Допустимый угол зависит от серии и исполнения уплотнений, поэтому его следует брать из каталожных данных конкретного подшипника, а не использовать одно общее значение. Компромисс — меньшая грузоподъёмность по сравнению со сферическими роликоподшипниками, которые решают ту же проблему несоосности при более высокой нагрузке. Допустимые режимы приведены для нашей серии самоустанавливающихся шарикоподшипников.
- Миниатюрные подшипники выпускают с диаметром отверстия вплоть до 1 мм и выбирают прежде всего по точности и уровню шума, а не по нагрузке. Здесь класс точности ABEC действительно важен, хотя для большинства других задач это не так.
Материалы шарикоподшипников: как выбор материала влияет на ресурс
Материал выбирают прежде всего по условиям эксплуатации и частоте вращения, а затем уже по нагрузке. В серийных изделиях преобладают три группы материалов. Подшипниковые стали, включая сравнение стали 52100 со сквозной закалкой и цементируемой M50NiL для экстремальных нагрузок, подробно рассмотрены в руководстве по материалам подшипников прокатных станов.
| Материал | Твёрдость | Коррозионная стойкость | Макс. температура непрерывной работы | Оптимальное применение |
|---|---|---|---|---|
| Хромистая подшипниковая сталь (SAE 52100) | Кольца — 60–64 HRC; шарики — 60–67 HRC | Низкая | ~120 °C при стандартной термостабилизации | Общая промышленность, автомобилестроение |
| Нержавеющая сталь (AISI 440C) | Кольца — 58–62 HRC; шарики — 58–65 HRC | Высокая | ~120 °C при стандартной термостабилизации | Пищевая, морская и медицинская техника, оборудование, подвергаемое мойке |
| Гибридный подшипник (шарики Si₃N₄, стальные кольца) | Шарики: 75–80 HRA | Шарики не корродируют; стальные кольца по-прежнему подвержены коррозии | Определяется стальными кольцами, а не керамикой | Тяговые двигатели электромобилей, высокоскоростные шпиндели |
Температурный предел колец определяется режимом термостабилизации стали, а не одним лишь составом сплава. Поэтому до окончательного выбора проверяйте допустимую рабочую температуру в каталожных данных конкретного подшипника.
В гибридных керамических подшипниках шарики из нитрида кремния сочетаются с кольцами из подшипниковой стали (SKF; Schaeffler). Такие подшипники легче, меньше нагреваются при высокой частоте вращения, обладают повышенной жёсткостью, лучше переносят загрязнение и обеспечивают электрическую изоляцию. Именно изоляция предотвращает прохождение наведённых инвертором токов через подшипники тяговых электродвигателей.
У гибридного подшипника есть два важных ограничения. Во-первых, он не обладает полной коррозионной стойкостью: стальные кольца по-прежнему корродируют и требуют уплотнений либо применения нержавеющей стали. Во-вторых, это не высокотемпературный подшипник, поскольку те же стальные кольца ограничивают диапазон рабочих температур. Нитрид кремния подшипникового качества сохраняет работоспособность примерно до 800 °C, но воспользоваться этим преимуществом можно только в полностью керамическом подшипнике, где из керамики изготовлены и кольца, и шарики; такие подшипники рассмотрены в нашем основном руководстве. Назначать гибридный подшипник для высокотемпературного узла, исходя только из возможностей керамики, — реальная и регулярно повторяющаяся ошибка. Гибридные подшипники всё ещё заметно дороже аналогов из хромистой стали, но разница постепенно сокращается.
Как выбрать подходящий шарикоподшипник?
Неправильно подобранный шарикоподшипник не просто отработает меньше. Последствиями могут стать внеплановый простой, повреждение оборудования и производственные потери. При подборе последовательно ответьте на пять вопросов:
- Каковы тип и направление нагрузки? Для преимущественно радиальной нагрузки подходит радиальный однорядный шарикоподшипник. При сочетании радиальной и осевой нагрузки применяют радиально-упорные подшипники, установленные парами DB, DF или DT для задания предварительного натяга и восприятия осевой нагрузки в обоих направлениях. Для чисто осевой нагрузки нужен упорный шарикоподшипник.
- Какова частота вращения? Чем она выше, тем важнее низкое трение и правильно выбранная смазка. Сверьте параметр DN подшипника (диаметр отверстия в мм × об/мин) с предельным значением производителя при смазывании пластичной смазкой или маслом.
- Каковы условия эксплуатации? Влага, пыль, химические вещества и экстремальные температуры определяют материал (52100, 440C или керамика) и исполнение подшипника: открытое, с защитными шайбами либо с контактными уплотнениями 2RS и смазкой на весь срок службы.
- Какой класс точности требуется? В стандартных узлах применяют ABEC-1 или ABEC-3 по ANSI/ABMA 20. Для станков и аэрокосмической техники могут потребоваться ABEC-7 или ABEC-9.
- Как будет обслуживаться узел? Подшипники с контактными уплотнениями (2RS) поставляются заполненными пластичной смазкой и не требуют обслуживания. Открытые подшипники и исполнения с защитными шайбами (ZZ) допускают пополнение смазки в узлах с большим требуемым ресурсом. Данные по частоте вращения, температуре и ресурсу для обоих вариантов приведены в сравнении подшипников с уплотнениями и защитными шайбами.
Если остаются сомнения, рассчитайте ресурс L10 по ISO 281 с использованием базовой динамической грузоподъёмности C, указанной производителем. На практике часто выбирают подшипник со значением C на 20–30 % выше расчётного минимума, чтобы увеличить срок службы сверх проектного минимума.
Часто задаваемые вопросы
В: Где используются шарикоподшипники в повседневной жизни?
Шарикоподшипники есть почти во всех окружающих нас изделиях с вращающимися деталями: в ступицах автомобильных колёс и генераторах, барабанах стиральных машин, двигателях пылесосов, вентиляторах ноутбуков и серверов, компрессорах холодильников, электросамокатах, скейтбордах, рыболовных катушках, стоматологических наконечниках и двигателях дронов. Если вал вращается с умеренной или высокой частотой под умеренной нагрузкой, его опорой, скорее всего, служит шарикоподшипник.
В: Шарикоподшипники и роликоподшипники — это одно и то же?
Нет. В шарикоподшипниках применяются сферические тела качения, которые контактируют с дорожками качения в точке. Благодаря этому трение ниже, а допустимая частота вращения выше, но грузоподъёмность меньше. В роликоподшипниках цилиндрические, конические или бочкообразные тела качения контактируют с дорожкой по линии. Линейный контакт позволяет воспринимать значительно большую динамическую нагрузку, чем у шарикоподшипника сопоставимых габаритов, но при меньшей допустимой частоте вращения. Этот компромисс подробно разобран в основном руководстве.
В: Почему в двигателях электромобилей всё чаще используют гибридные шарикоподшипники с керамическими шариками?
Тяговые электродвигатели работают с высокой частотой вращения и питаются от частотных инверторов, которые могут наводить токи вала, вызывающие питтинг дорожек качения обычных стальных подшипников. Шарики из нитрида кремния обладают электроизоляционными свойствами, поэтому разрывают путь прохождения тока и предотвращают электроэрозию (SKF). Их низкая плотность также уменьшает инерционные силы, позволяя подшипнику работать при более высокой частоте вращения.
В: Может ли гибридный подшипник с керамическими шариками работать при высокой температуре?
Не за счёт одной лишь керамики. В гибридном подшипнике шарики изготовлены из нитрида кремния, а кольца — из подшипниковой стали (Schaeffler). Поэтому предельную температуру определяют стальные кольца и смазочный материал, как и в цельностальном подшипнике. Часто приводимое для подшипникового нитрида кремния значение около 800 °C относится к полностью керамическим подшипникам, у которых кольца также изготовлены из керамики. Проверяйте допустимую температуру конкретного гибридного подшипника по каталогу, а не по паспорту свойств материала Si₃N₄.
В: Показывает ли класс ABEC качество шарикоподшипника?
Нет. Класс ABEC, определённый в ANSI/ABMA 20, характеризует только размерные допуски и точность вращения, но не грузоподъёмность, качество поверхности, внутренний зазор, смазочный материал или уровень шума. Высокий класс ABEC важен для прецизионных шпиндельных узлов, но сам по себе не служит показателем качества подшипника общего назначения, для которого гораздо важнее внутренняя геометрия и смазывание.
В: Сколько должен прослужить шарикоподшипник в типовом промышленном электродвигателе?
Ресурс подшипников оценивают по показателю L10 из ISO 281: это наработка, при которой 90 % одинаковых подшипников в одинаковых условиях продолжают работать. Правильно подобранный и смазанный шарикоподшипник в стандартном промышленном электродвигателе обычно служит от 20 000 до 50 000 часов. Проблемы со смазыванием и загрязнение вызывают преждевременные отказы гораздо чаще, чем классическая контактная усталость (SKF). В нашем руководстве по отказам подшипников причины классифицированы по видам повреждений ISO 15243.
В: Когда стоит перейти с шарикоподшипника на роликоподшипник?
Переходить на роликоподшипник следует, когда длительная радиальная или комбинированная нагрузка превышает возможности радиального либо радиально-упорного шарикоподшипника приемлемых габаритов, а также при ожидаемых ударных нагрузках. В прокатных станах, редукторах горнодобывающего оборудования и крупных насосах почти всегда применяют роликоподшипники. В анализе отказов подшипников стана горячей прокатки на конкретном примере показано, почему шарикоподшипники не устанавливают в прокатных клетях.
Подбирайте подшипник под задачу
Шарикоподшипники — одно из важнейших механических изобретений промышленной эпохи: они компактны и точны, а замечают их обычно только после отказа. При проектировании новой машины, анализе преждевременного отказа или подборе замены для планового ремонта в основе решения всегда лежат пять параметров: направление нагрузки, частота вращения, условия эксплуатации, класс точности и план обслуживания.
Готовы подобрать подшипник для своего узла? Изучите наш ассортимент шарикоподшипников, просмотрите полный каталог ANDE Bearing или обратитесь к нашим инженерам за технической консультацией.
Об авторе
Jeff Li пишет о подшипниковой технике и международных закупках для ANDE Bearing. Он напрямую работает со специалистами по закупкам у производителей оригинального оборудования (OEM) и компаний вторичного рынка в автомобилестроении, тяжёлой промышленности и возобновляемой энергетике. Связаться с ним можно в LinkedIn.
