Подшипник скольжения — это опорный узел, в котором вал скользит непосредственно по рабочей поверхности опоры, а не катится по шарикам или роликам. Именно характер движения и дал название всему классу: не качение, а скольжение. Это один из старейших и по-прежнему незаменимых типов опор в машиностроении — от двигателей внутреннего сгорания до гидравлических цилиндров строительной техники.
В этой статье разберём, что такое подшипник скольжения простыми словами, как он устроен, какие существуют виды и чем он отличается от подшипника качения.
Подшипник скольжения — определение
Подшипник скольжения — опорная деталь машины, в которой цапфа (шейка) вала скользит по рабочей поверхности подшипника. Между валом и опорой находится либо тонкая плёнка смазочного материала, либо специальное антифрикционное покрытие — именно оно принимает нагрузку и снижает трение. Никаких тел качения (шариков, роликов, игл) здесь нет.
Если объяснять совсем просто: представьте металлическую ось, вставленную в бронзовую втулку. Ось вращается — и скользит по внутренней поверхности втулки. Между ними — слой масла или антифрикционного материала. Вот это и есть подшипник скольжения что это такое простыми словами.
При достаточной скорости вращения масло создаёт гидродинамический клин — устойчивую несущую плёнку, которая полностью разделяет металлические поверхности. В этом режиме трение минимально, а ресурс деталей — максимален. В безобслуживаемых конструкциях роль смазки берёт на себя PTFE или полимерный композит: такие подшипники не требуют масла вообще.
Устройство: втулка и вкладыш подшипника скольжения
Конструктивно подшипник скольжения — это всегда корпус и рабочий элемент, по поверхности которого скользит вал. Рабочий элемент может быть выполнен в двух основных формах: втулки или вкладыша.
Втулка подшипника скольжения — что это?
Втулка подшипника скольжения — цельная монолитная деталь цилиндрической формы с отверстием, которая запрессовывается в корпус механизма. Вал вращается или совершает качательные движения внутри втулки. Это самый распространённый вид подшипника скольжения. В зависимости от условий работы втулки изготавливают из массивной бронзы, обёрточной бронзы (свёрнутая полоса), металлокерамики, а также из композитных материалов на основе PTFE — последние не требуют смазки в процессе эксплуатации.
Вкладыш — это тоже подшипник скольжения
Вкладыш — разборный вариант подшипника скольжения. Рабочая поверхность выполнена в виде двух полуколец (полувтулок), которые вставляются в разъёмный корпус — постель. Классический пример — коренные и шатунные вкладыши коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. Они состоят из стальной основы с нанесённым антифрикционным слоем (баббит, алюминиево-оловянный сплав) и заменяются без полной разборки узла.
Таким образом, и втулка, и вкладыш — это конструктивные исполнения одного и того же класса опор. Втулка цельная, вкладыш разборный, функция одна: создать поверхность скольжения для вала.
Виды подшипников скольжения кратко
Подшипники скольжения классифицируются по конструктивному исполнению и характеру воспринимаемой нагрузки. Ниже приведена классификация, принятая ведущими мировыми производителями, в частности компанией SKF, чья номенклатура plain bearings является отраслевым стандартом.
Втулки (bushings)
Цельные бронзовые втулки — изготавливаются из массивной бронзы. Хорошо работают в условиях загрязнения и допускают периодическое смазывание. Рабочая поверхность содержит канавки-резервуары для удержания смазки. Применяются там, где возможно регулярное техническое обслуживание.
Обёрточные (навитые) бронзовые втулки — изготавливаются из полосы бронзы, свёрнутой в цилиндр. Более экономичный вариант по сравнению с цельными; канавки на рабочей поверхности выполняют роль смазочных резервуаров. Типичное применение — сельскохозяйственная техника, насосы, редукторы.
Композитные безобслуживаемые втулки — трёхслойная конструкция: стальная основа, промежуточный слой из пористой бронзы, рабочий слой из PTFE или POM. Не требуют смазки в процессе эксплуатации. Предназначены для медленных вращательных, качательных и возвратно-поступательных движений под высокой нагрузкой. Широко применяются в автомобильных подвесках, педальных узлах, сельхозтехнике.
Намотанные втулки (filament wound bushings) — высокопрочная безобслуживаемая конструкция: несущий слой из стеклянных нитей, пропитанных эпоксидной смолой, рабочий слой из волокон PTFE и полимерных нитей. Коррозионностойкие, выдерживают очень высокие нагрузки при малых габаритах. Применяются в гидравлических цилиндрах, строительной и лесозаготовительной технике, ветроэнергетических установках.
Сферические подшипники скольжения (spherical plain bearings)
Это отдельный и принципиально важный класс подшипников скольжения. В отличие от цилиндрических втулок, здесь внутреннее кольцо имеет выпуклую сферическую наружную поверхность, а внешнее — соответствующую вогнутую. Такая конструкция позволяет компенсировать перекос и несоосность вала относительно корпуса, а также воспринимать качательные, угловые и осциллирующие движения — то, с чем подшипники качения справляются лишь в ограниченной мере.
Радиальные сферические подшипники скольжения, требующие обслуживания — пара трения сталь/сталь. Требуют периодической подачи смазки. Особенно хорошо подходят для ударных нагрузок переменного направления и тяжёлых статических нагрузок. Типичное применение — строительная и горнодобывающая техника, сельскохозяйственные машины, грузовые автомобили.
Радиальные сферические подшипники скольжения, не требующие обслуживания — рабочая поверхность выполнена из современных антифрикционных материалов: спечённая бронза/PTFE, PTFE-ткань или PTFE-металлополимерный композит. Смазка в процессе эксплуатации не нужна, что снижает затраты на обслуживание и повышает надёжность в труднодоступных узлах. Применяются в гидроцилиндрах, ветроэнергетике, подвесках.
Угловые контактные сферические подшипники скольжения — рабочие поверхности расположены под углом к оси подшипника. Такое исполнение позволяет одновременно воспринимать комбинированные нагрузки: и радиальные, и осевые. Применяются в узлах, где на опору действуют силы сразу в нескольких направлениях.
Упорные сферические подшипники скольжения — воспринимают исключительно осевые нагрузки. Как правило, безобслуживаемые: пара трения сталь/стеклопластик (FRP). Применяются в вертикальных валах, рулевых тягах, домкратах.
Шарнирные головки (rod ends)
Шарнирная головка — это готовый сборочный узел: корпус с резьбовым хвостовиком и встроенным сферическим подшипником скольжения. Хвостовик ввинчивается непосредственно в шток или тягу, что упрощает монтаж и уменьшает количество деталей в узле. Выпускаются с правой и левой резьбой, с внутренней и наружной. Бывают как требующие обслуживания (сталь/сталь), так и безобслуживаемые (PTFE-материалы). Применяются в рулевых тягах, гидроцилиндрах, подвесках, системах управления.
Подшипники скольжения и качения — в чём разница
Это один из самых частых вопросов. Принципиальное отличие одно: в подшипнике качения вал опирается на тела качения — шарики, ролики или иглы, которые катятся по дорожкам внутреннего и внешнего колец. В подшипнике скольжения вал скользит непосредственно по рабочей поверхности опоры через слой смазки или антифрикционного материала — без каких-либо промежуточных тел.
Подшипники качения хорошо работают при умеренных нагрузках, несложны в обслуживании, полностью стандартизированы и взаимозаменяемы. Однако они чувствительны к ударным нагрузкам и создают шум при высоких частотах вращения.
Подшипники скольжения выдерживают ударные, вибрационные и очень высокие статические нагрузки, работают бесшумно, имеют меньшие радиальные габариты при том же диаметре вала. Безобслуживаемые исполнения на PTFE не требуют ни масла, ни смазочных интервалов. Основной недостаток смазываемых конструкций — повышенное трение при пуске (до образования масляной плёнки) и необходимость надёжной системы смазки.
Если совсем кратко: подшипник качения катится — подшипник скольжения скользит. Первый чаще встречается в электродвигателях, редукторах, колёсных узлах. Второй незаменим там, где нужна надёжность при тяжёлых и ударных нагрузках: двигатели, турбины, гидроцилиндры, прокатные станы.
Преимущества и недостатки подшипников скольжения
Преимущества. Выдерживают очень высокие радиальные, осевые и ударные нагрузки. Компактны в радиальном направлении — вал большого диаметра при небольших габаритах корпуса. Работают бесшумно при высоких скоростях вращения. Сферические исполнения компенсируют несоосность и перекосы. Безобслуживаемые варианты на PTFE полностью исключают затраты на смазку. При правильной эксплуатации ресурс исключительно высок.
Недостатки. Смазываемые конструкции требуют надёжной системы подачи смазки и чувствительны к её загрязнению. При пуске (до образования масляной плёнки) трение повышено. Проектирование смазываемого узла сложнее, чем установка стандартного подшипника качения.
Где применяются подшипники скольжения
В двигателях внутреннего сгорания вкладыши коренных и шатунных шеек коленчатого вала являются подшипниками скольжения — они воспринимают ударные нагрузки от сгорания топлива при давлении масла в системе смазки. В гидравлических цилиндрах строительной, лесозаготовительной и сельскохозяйственной техники применяются намотанные безобслуживаемые втулки и сферические подшипники скольжения в шарнирных головках штоков. В ветроэнергетических установках безобслуживаемые сферические подшипники скольжения работают в узлах регулировки угла лопастей, где доступ для обслуживания крайне затруднён. В паровых и газовых турбинах смазываемые опорные подшипники несут валы при высоких скоростях вращения. В прокатных станах подшипники скольжения работают под нагрузками в сотни тонн. В рулевых системах и подвесках автомобилей применяются шарнирные головки и сферические подшипники скольжения, компенсирующие угловые перемещения.
Итог
Подшипник скольжения — это опорный узел, в котором вал скользит по рабочей поверхности опоры через слой смазки или антифрикционного покрытия. Никаких шариков и роликов. По конструкции различают три основные группы: втулки (цельные бронзовые, обёрточные бронзовые, композитные PTFE, намотанные из стеклопластика), сферические подшипники скольжения (радиальные с обслуживанием и без, угловые контактные, упорные) и шарнирные головки. Основные достоинства — высокая нагрузочная способность, бесшумность, компактность и возможность полностью безобслуживаемой работы в современных исполнениях. Подшипники скольжения незаменимы в двигателях, гидроцилиндрах, турбинах, ветроустановках и везде, где требуется надёжная опора при тяжёлых, ударных или осциллирующих нагрузках.
