Что ограничивает линейную скорость подшипника? (Часть 1)

Даниэль Коллинз | 28 мая 2017 г.

Высокоскоростное движение является требованием для приложений, где пропускная способность является критическим фактором, таких как упаковка и сборка электроники. В этих системах обычно используются линейные двигатели или ременные передачи, армированные сталью, в сочетании с линейными направляющими на подшипниках с рециркуляцией, что обеспечивает хорошую жесткость и высокую грузоподъемность. Но скорости, необходимые для этих применений, могут создать проблему для линейных подшипников с рециркуляцией, которые обычно рассчитаны на максимальную скорость 3 м/с (9,8 фута/с).

В зависимости от типа линейной направляющей и производителя может быть рекомендован коэффициент нагрузки от 2 до 4, если максимальная скорость превышает 2 м/с (6,6 фута/с). При расчете срока службы подшипника его динамическая грузоподъемность делится на коэффициент нагрузки. Это сделано для учета вибраций и ударов, возникающих на высоких скоростях.

Линейные шарикоподшипники с рециркуляцией имеют очень хорошие ходовые качества, обеспечивая контакт качения между тщательно обработанными поверхностями и минимальным трением (при правильной смазке). Так почему же у них ограничена максимальная скорость?

Ответ связан с ускорением и вторым законом движения Ньютона: F = ma (сила = масса x ускорение).

Напомним, что шарики в линейных подшипниках с рециркуляцией меняют направление по мере движения из зоны нагрузки в зону рециркуляции. Для этого они должны замедлиться, поскольку механизм рециркуляции направляет их вокруг торцевой крышки. Это замедление создает нагрузку на элементы рециркуляции, особенно на торцевую крышку блока подшипников. Чем выше скорость шариков (в зависимости от скорости блока подшипников), тем больше замедление и тем выше силы, действующие на торцевую крышку (обратно к F = ma).

В линейном подшипнике с рециркуляцией шарики меняют направление по мере прохождения через блок подшипников. Это приводит к большим нагрузкам на элементы рециркуляции и торцевые крышки. Изображение предоставлено: Schaeffler Group Inc.

Понимая принцип рециркуляции, можно увидеть, чтоСуществует два способа достижения более высоких скоростей с помощью линейных шарикоподшипников с рециркуляцией: использовать торцевую крышку, способную выдерживать более высокие силы, или уменьшить массу шариков.

Большинство производителей линейных подшипников действительно предлагают шарикоподшипники с рециркуляцией воздуха с усиленными механизмами рециркуляции, включая торцевые крышки. Часто это конструкция линейных подшипников, обозначенных как «высокоскоростные» с максимальной скоростью до 5 м/с (16,4 фута/с).

Некоторые производители также предлагают высокоскоростные линейные рециркуляционные подшипники с шариковыми цепями (также называемые сепараторами шариков, проставками шариков или шариками в сепараторах), поскольку они исключают контакт между шариками, что еще больше снижает трение и нагрев, и обеспечивают постоянную подачу к каждому шарику и достаточной смазки.

Шариковые цепи обеспечивают постоянную и достаточную смазку каждого шарика. Изображение предоставлено: THK

Другая альтернатива заключается в уменьшении массы шариков, тем самым уменьшая силы, действующие на торцевые крышки во время рециркуляции. Для этого некоторые производители предлагают блоки линейных подшипников с керамическими шариками. Керамика используется потому, что она имеет низкое соотношение массы и прочности и обладает хорошими свойствами качения при использовании на стальной поверхности. Линейные подшипники с керамическими шариками могут развивать максимальную скорость до 10 м/с (32,8 фута/с), но их допустимая динамическая нагрузка снижается до 30 процентов по сравнению с аналогичными подшипниками с обычными стальными шариками.

Далее мы рассмотрим факторы, ограничивающие скорость линейных подшипников скольжения.

Изображение предоставлено: Федеральное управление автомобильных дорог.