Фланцевые самосмазывающиеся подшипники: что это такое и как правильно выбрать

Что такое фланцевый самосмазывающийся подшипник и почему это важно

Фланцевый самосмазывающийся подшипник представляет собой подшипник скольжения (то есть в нем используется поверхность скольжения, а не элементы качения), который имеет встроенный фланец на одном конце цилиндрического отверстия. Фланец служит встроенным осевым фиксирующим элементом и упорной поверхностью, предотвращая проталкивание подшипника через корпус в одном направлении и позволяя ему одновременно воспринимать комбинированные радиальные и осевые нагрузки. Самосмазывающийся аспект означает, что подшипник предназначен для работы без внешней смазки или подачи масла, вместо этого он использует твердые смазочные материалы, встроенные в его поверхность скольжения или нанесенные на нее, для поддержания непрерывного контакта с низким коэффициентом трения между отверстием подшипника и валом, проходящим внутри него.

Такое сочетание характеристик — расположение фланца и не требующая обслуживания смазка — делает фланцевый самосмазывающийся подшипник исключительно практичны в широком спектре промышленных, сельскохозяйственных и механических применений. Они устраняют необходимость в смазочных ниппелях, графиках смазки и связанном с этим труде по техническому обслуживанию. Они упрощают конструкцию корпуса, устраняя необходимость в отдельных упорных шайбах или стопорных кольцах для фиксации подшипника в осевом направлении. А поскольку они работают всухую или почти всухую, они надежно работают в средах, где подшипники с обычной смазкой не справляются: пыльные, влажные, высокотемпературные, пригодные для пищевых продуктов или в труднодоступных местах, где регулярная дополнительная смазка нецелесообразна или запрещена.

Как работают фланцевые самосмазывающиеся подшипники

Механизм самосмазывания в этих подшипниках работает по-разному в зависимости от конструкции из конкретного материала, но основной принцип один и тот же: материал подшипника постоянно высвобождает или образует смазочную пленку на поверхности скольжения, снижая трение и износ без какого-либо внешнего ввода смазки со стороны оператора или системы технического обслуживания.

Твердые смазочные резервуары из пористой бронзы

Фланцевые подшипники из спеченной пористой бронзы производятся путем прессования и спекания бронзового порошка для создания подшипника с контролируемой сетью взаимосвязанных пор по всей его структуре. Эти поры затем пропитываются в вакууме смазочным маслом — обычно минеральным маслом ISO VG 68 или VG 100 — которое удерживается внутри пористой матрицы за счет капиллярного действия. Когда вал вращается внутри подшипника, тепло трения и насосное действие поверхности вала вытягивают масло из пор к поверхности скольжения, образуя смазочную пленку. Когда подшипник охлаждается и вращение вала прекращается, масло втягивается обратно в поры под действием капиллярных сил. Этот цикл самовосполнения продолжается на протяжении всего срока службы подшипника, при этом масляный резервуар обеспечивает годы работы без технического обслуживания в условиях легкой и умеренной нагрузки.

Футеровки из ПТФЭ и полимерных композитов

В многослойных композитных фланцевых самосмазывающихся подшипниках используется другой механизм. Наиболее распространенная конструкция состоит из стальной основы для структурной прочности, промежуточного слоя из спеченной бронзы, который обеспечивает механическое соединение, и тонкого поверхностного слоя соединения ПТФЭ (политетрафторэтилена) — обычно ПТФЭ, смешанного со свинцом, бронзовым порошком или другими наполнителями — в качестве поверхности скольжения. ПТФЭ имеет исключительно низкий коэффициент трения (около 0,04–0,20 в зависимости от условий нагрузки и скорости) и действует как твердая смазка: когда вал скользит по поверхностному слою ПТФЭ, на валу образуется микроскопическая передаточная пленка, создавая согласованную пару поверхностей с низким коэффициентом трения, которые устойчивы в процессе работы. Этот механизм вообще не требует жидкой смазки, что делает эти подшипники настоящими компонентами, работающими всухую, подходящими для применений, где любое загрязнение маслом недопустимо.

Подшипники с заглушками из графита и дисульфида молибдена

В некоторых фланцевых самосмазывающихся подшипниках, особенно тех, которые используются в условиях высоких температур или тяжелых нагрузок, используются пробки с твердой смазкой или вставки из графита или дисульфида молибдена (MoS₂), встроенные непосредственно в бронзовый или чугунный корпус. По мере вращения вала заглушки постепенно изнашиваются, постоянно оставляя твердую смазку на поверхности вала и в отверстии подшипника. Графит особенно эффективен при высоких температурах, когда смазочные материалы на масляной основе окисляются или испаряются, что делает фланцевые подшипники с графитовыми пробками обычным выбором в печном оборудовании, направляющих печных вагонеток и высокотемпературных конвейерных системах.

Основные типы материалов фланцевых самосмазывающихся подшипников

Эксплуатационные возможности и соответствующие условия применения фланцевого самосмазывающегося подшипника во многом определяются системой материалов, использованных в его конструкции. Основные доступные категории существенно различаются по грузоподъемности, скорости, температурному диапазону и химической стойкости.

Спеченная пористая бронза (пропитанная маслом)

Фланцевые подшипники из спеченной бронзы, пропитанные маслом, являются наиболее широко используемым типом самосмазывающихся подшипников в общем машиностроении. По размерам они соответствуют стандартам ISO 2795 и DIN 1850 и легко доступны в метрических и дюймовых размерах от широкого круга производителей. Их типичная несущая способность умеренная — динамические радиальные нагрузки примерно до 60–80 Н/мм² — и они хорошо работают при скоростях вала примерно до 2–3 м/с в зависимости от нагрузки. Диапазон рабочих температур ограничен пропитанным маслом, обычно от -20°C до 80°C для пропитки минеральным маслом, при этом для вариантов синтетического масла возможны более высокие температурные диапазоны. Они экономичны, легко поддаются механической обработке и хорошо понятны в обслуживании.

Композитный ПТФЭ со стальной основой (тип DU)

Композитные фланцевые подшипники со стальной основой, широко известные под обозначением DU, происходящим от подшипника Glacier DU, разработанного в 1950-х годах, стали мировым стандартом в конструкции необслуживаемых подшипников. Стальная основа обеспечивает высокую прочность на сжатие, а композитный скользящий слой из ПТФЭ обеспечивает очень низкое трение и работу без масла. Эти подшипники выдерживают более высокие удельные нагрузки, чем спеченная бронза — статические до 250 Н/мм², динамические до 140 Н/мм² в стандартных классах — и их диапазон рабочих температур обычно составляет от –200°C до 280°C, что намного превышает диапазон рабочих температур бронзы, пропитанной маслом. Они являются стандартным выбором для автомобильных компонентов, шарниров сельскохозяйственной техники, строительного оборудования и любых применений, сочетающих высокую нагрузку, низкоскоростное колебательное движение и потребность в смазке, не требующей технического обслуживания.

Твердая бронза с графитовыми заглушками

Цельнолитые или кованые бронзовые фланцевые подшипники с графитовыми вставками в пробках обеспечивают надежную несущую способность в сочетании с самосмазывающимися характеристиками при повышенных температурах. Обычно используемые бронзовые сплавы включают CuSn8, CuSn12 и CuAl10Fe3, каждый из которых предлагает различное сочетание твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Графитовые пробки впрессовываются в предварительно просверленные отверстия в бронзовом корпусе через равные промежутки по поверхности подшипника, занимая примерно 20–30% площади скольжения. Эти подшипники хорошо подходят для медленно движущихся тяжелых машин, систем с водяной смазкой и высокотемпературных сред, где теплопроводность бронзового корпуса помогает рассеивать тепло трения.

Подшипники из термопластичного полимера и PEEK

Фланцевые подшипники из специального полимера, изготовленные из таких материалов, как компаунды IGLIDUR (igus), PEEK, нейлон (PA) или ацеталь (POM) со встроенными смазочными присадками, предлагают уникальные преимущества в приложениях, требующих электроизоляции, устойчивости к коррозии, очень малого веса или работы в химически агрессивных средах. Высокопроизводительные полимерные подшипники на основе PEEK могут работать при постоянной температуре до 250°C и выдерживать агрессивные химические среды, которые могут воздействовать на подшипники с бронзовой или стальной основой. Их грузоподъемность обычно ниже, чем у металлических подшипников, но сочетание немагнитных, непроводящих и некоррозионных свойств делает их незаменимыми в конкретных областях применения, таких как медицинское оборудование, производство полупроводников и оборудование для пищевой промышленности.

Сравнение материалов фланцевых самосмазывающихся подшипников

В таблице ниже приведены основные эксплуатационные характеристики основных типов материалов фланцевых самосмазывающихся подшипников, которые помогут при выборе области применения:

Фланец: расчетная функция и несущая способность

Фланец фланцевого подшипника скольжения — это больше, чем просто элемент крепления — это конструктивный элемент, который фундаментально меняет характеристики подшипника по сравнению с цилиндрической втулкой скольжения. Понимание того, что делает фланец на практике, помогает инженерам выбрать правильную конфигурацию подшипника для их применения.

Фланец обеспечивает осевое расположение подшипника внутри корпуса, предотвращая миграцию подшипника вдоль оси вала при осевой нагрузке. В приложениях с комбинированными радиальными и осевыми нагрузками (например, шарнирный палец, который должен противостоять как изгибающим, так и осевым силам) поверхность фланца действует как поверхность упорного подшипника, перенося осевые нагрузки на поверхность корпуса. Площадь контакта поверхности фланца определяет его осевую нагрузку, поэтому больший диаметр фланца обеспечивает более высокие значения осевой нагрузки. Для применений с очень высокими или постоянными осевыми нагрузками важно убедиться, что контактное давление на поверхность фланца остается в допустимых пределах для материала — превышение этих пределов приводит к прогрессирующему износу поверхности фланца и возможной потере точности осевого позиционирования.

Фланцевые подшипники обычно имеют две конфигурации толщины фланца: стандартный фланец (более толстый, с более высокой осевой нагрузкой) и тонкий фланец (уменьшенная толщина фланца для конструкций корпусов с ограниченным пространством). Некоторые производители также предлагают подшипники с двойным фланцем, в которых фланец имеется на обоих концах отверстия, что обеспечивает осевую фиксацию в обоих направлениях без необходимости использования отдельного фиксирующего элемента. Конфигурации с двумя фланцами особенно полезны в приложениях с качающимися шарнирами, где осевые нагрузки могут изменить направление.

Размеры, допуски и пригодность вала для фланцевых самосмазывающихся подшипников

Правильные размеры и допуски на посадку имеют решающее значение для производительности и срока службы любого подшипника скольжения, и фланцевые самосмазывающиеся подшипники не являются исключением. Для правильной работы подшипника как посадка отверстия в корпусе, так и зазор между валом и отверстием должны находиться в указанных пределах.

Посадка отверстия корпуса

Фланцевые самосмазывающиеся подшипники предназначены для запрессовки в корпуса с контролируемой посадкой с натягом — обычно комбинация допусков H7/p6 или H7/r6 в системе ISO — которая предотвращает вращение подшипника в корпусе при рабочих нагрузках. Для композитных подшипников со стальной основой посадка с натягом также помогает подшипнику соответствовать любым незначительным неровностям в отверстии корпуса, улучшая площадь контакта и рассеивание тепла. Отверстие корпуса должно быть обработано с соблюдением допусков, указанных производителем подшипника, с хорошей чистотой поверхности (обычно Ra 0,8–1,6 мкм) и правильной цилиндричностью. Отверстие корпуса слишком большого размера приводит к вращению подшипника в корпусе, а не на валу, что приводит к быстрому повреждению обоих компонентов. Отверстие меньшего размера чрезмерно сжимает подшипник, уменьшая диаметр отверстия ниже требуемого и потенциально заклинивая вал.

Зазор вала

Рабочий зазор между валом и отверстием подшипника не менее важен. Слишком маленький зазор приводит к высокому трению, перегреву и преждевременному износу. Слишком большой зазор допускает перемещение вала, что увеличивает ударную нагрузку и поверхностное напряжение. Рекомендуемые допуски вала для фланцевых самосмазывающихся подшипников обычно составляют h6 или f7 для вращающихся валов и h9 или e8 для вибрирующих устройств. После запрессовки подшипника в корпус диаметр отверстия немного уменьшится из-за посадки с натягом — это уменьшение запрессовки необходимо учитывать при определении диаметра вала, чтобы конечный рабочий зазор попадал в рекомендуемый диапазон. Большинство производителей подшипников предоставляют таблицы, показывающие ожидаемое уменьшение диаметра отверстия после прессования в зависимости от натяга корпуса и толщины несущей стенки.

Твердость и обработка поверхности вала

Вал, работающий внутри фланцевого самосмазывающегося подшипника, должен быть достаточно твердым и хорошо обработанным, чтобы обеспечить длительный срок службы подшипника. Для композитных подшипников из ПТФЭ со стальной основой, как правило, рекомендуется твердость вала не менее 55 HRC (цементированная или индукционная закалка) для достижения оптимальных характеристик износа, с шероховатостью поверхности Ra 0,2–0,8 мкм. Более мягкие или шероховатые валы вызывают ускоренное истирание поверхности подшипника и значительно сокращают срок службы. Для подшипников из спеченной бронзы приемлемы несколько более мягкие и шероховатые валы, поскольку бронзовый материал более терпим к изменениям поверхности вала. Можно использовать валы из нержавеющей стали, но их следует проверить на достаточную твердость, поскольку некоторые марки нержавеющей стали относительно мягкие и сами могут изнашиваться по поверхности подшипника.

Распространенное применение фланцевых самосмазывающихся подшипников

Фланцевые самосмазывающиеся подшипники используются в огромном диапазоне промышленных и механических применений. Сочетание интегрированного осевого расположения и работы, не требующей технического обслуживания, делает их выбором по умолчанию во многих проектных ситуациях.

• Сельскохозяйственная техника: Точки поворота плугов, культиваторов и уборочной техники идеально подходят для фланцевых самосмазывающихся подшипников. Эти соединения работают в сильно загрязненных средах, где затруднительно повторное смазывание вручную и где попадание абразивных частиц почвы быстро разрушает смазанные подшипники. Необслуживаемые фланцевые подшипники со стальной основой из ПТФЭ или бронзо-графитовой конструкции значительно сокращают время простоя и затраты на техническое обслуживание в сельскохозяйственном оборудовании.
• Строительная и землеройная техника: В шарнирах стрелы, тягах ковша и цилиндрах подъема отвала на экскаваторах, погрузчиках и грейдерах используются фланцевые подшипники скольжения, позволяющие выдерживать комбинированные радиальные и осевые нагрузки в средах с высоким уровнем загрязнения. Композитные фланцевые подшипники со стальной опорой, рассчитанные на высокие нагрузки, являются стандартной спецификацией для этих применений в конструкциях большинства производителей оборудования.
• Обработка продуктов питания и напитков: Там, где гигиенические правила запрещают загрязнение продукции жиром, в приводах конвейеров, упаковочном оборудовании и смесительном оборудовании используются необслуживаемые фланцевые подшипники из пищевого композита ПТФЭ или одобренных полимерных материалов. Их безмасляная работа исключает любой риск загрязнения смазочного материала, а также отвечает требованиям по промывке и санитарии.
• Компоненты легковых и коммерческих автомобилей: В шарнирах педалей тормоза, тягах подвески, компонентах рулевого управления и механизмах регулировки сидений в легковых и грузовых автомобилях обычно используются самосмазывающиеся подшипники с запрессованными фланцами, которые обеспечивают смазку на весь срок службы, что соответствует требованиям современного дизайна транспортных средств, не требующим обслуживания.
• Печатное и упаковочное оборудование: В высокоскоростном печатном и упаковочном оборудовании используются фланцевые подшипники из спеченной бронзы или композитных материалов в кулачковых толкателях, направляющих роликах и механизмах регулировки приводки, где точное расположение вала и минимальное время простоя на техническое обслуживание имеют важное значение для эффективности производства.
• Шпильки гидроцилиндра: Шарнирные соединения гидравлических цилиндров промышленного и мобильного оборудования представляют собой классическое применение фланцевых самосмазывающихся подшипников, где фланец обеспечивает осевое удержание в отверстии скобы, в то время как самосмазывающийся вкладыш справляется с колебательными движениями под нагрузкой при выдвижении и втягивании цилиндра.

Рекомендации по установке фланцевых подшипников скольжения

Правильная установка имеет важное значение для достижения номинальной производительности и срока службы фланцевого самосмазывающегося подшипника. Неправильный монтаж, особенно композитных подшипников со стальной опорой, является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода подшипников из строя в полевых условиях.

• Используйте пресс, а не молоток: Фланцевые самосмазывающиеся подшипники всегда следует запрессовывать в корпуса с помощью пресс-инструмента, который равномерно и прямо прикладывает усилие к внешней поверхности подшипника, а не забивать молотком. Ударная нагрузка во время установки может привести к разрушению тефлоновой накладки композитных подшипников или искажению геометрии подшипника, создавая нестандартное отверстие, что приведет к преждевременному износу вала.
• Приложите усилие к наружному диаметру, а не к отверстию: Усилие запрессовки должно быть приложено к наружному диаметру подшипника (стальной основе или бронзовой внешней поверхности), а не к отверстию или поверхности фланца. Приложение силы к отверстию повреждает поверхность скольжения еще до того, как подшипник будет введен в эксплуатацию.
• Убедитесь, что корпус чистый и без заусенцев: Перед запрессовкой подшипника убедитесь, что отверстие корпуса чистое, без стружки и заусенцев в результате механической обработки и находится в пределах указанного допуска на диаметр. Заусенцы или сколы в отверстии корпуса могут локально повредить внешнюю поверхность подшипника во время прессования, создавая концентрацию напряжений, которая в конечном итоге приводит к растрескиванию материала основы.
• Не смазывайте композитные подшипники из ПТФЭ: Композитные фланцевые подшипники из ПТФЭ со стальной основой предназначены для работы всухую. Нанесение на них смазки во время установки — распространенная ошибка, вызванная привычкой — фактически снижает их производительность, мешая работе механизма переноса пленки из ПТФЭ и притягивая абразивные загрязнения к скользящей поверхности.
• Проверьте диаметр отверстия после опрессовки: После запрессовки подшипника в корпус измерьте диаметр отверстия, чтобы убедиться, что после запрессовки оно закрылось в пределах ожидаемого диапазона. Если отверстие слишком закрыто, рабочий зазор вала будет недостаточным. Если отверстие корпуса было обработано с превышением размера или подшипник плохо прилегал, возможно, отверстие слишком велико, и подшипник может проворачиваться во время эксплуатации.

Как правильно выбрать фланцевый самосмазывающийся подшипник для вашего применения

Выбор правильного фланцевого самосмазывающегося подшипника для конкретного применения требует систематической проработки набора рабочих параметров. Вот практический процесс выбора, которому следуют инженеры по подшипникам.

Начните с четкого определения условий эксплуатации: радиальная нагрузка на подшипник (в ньютонах или килоньютонах), любые осевые или осевые нагрузки, которые должна выдерживать поверхность фланца, диаметр вала, тип движения (непрерывное вращение, колебание или смешанное), скорость вала или частота колебаний, диапазон рабочих температур, а также можно ли использовать какую-либо смазку или требуется полностью сухая работа. Установив эти параметры, рассчитайте удельное давление в подшипнике (нагрузка, деленная на площадь проекции, длина отверстия × диаметр) и значение PV (удельное давление, умноженное на скорость скольжения) — этот комбинированный параметр является стандартной основой для сравнения условий эксплуатации с пределами возможностей материала подшипника.

Сопоставьте эти расчетные значения с данными о характеристиках материала, предоставленными производителем подшипников — для каждого типа материала указаны максимальные пределы P, V и PV, выше которых скорость износа становится неприемлемо высокой. Для применений, близких к предельным возможностям материала, учтите любое повышение температуры из-за трения (более высокий PV означает большее выделение тепла) и убедитесь, что температурный диапазон выбранного материала все еще обеспечивает запас. Наконец, убедитесь, что подшипники стандартной размерной серии доступны с требуемым диаметром вала — большинство фланцевых самосмазывающихся подшипников производятся в стандартных метрических сериях (ISO 3547 для спеченной бронзы, DIN 1850 для подшипников скольжения) с диаметром отверстия от 3 мм и выше, с широким выбором конфигураций фланцев, доступных на складе.