Методы испытаний на износ материалов для подшипников

Подшипник (П) представляет собой узел механизма, предназначенный для уменьшения трения в опорах осей и валов. Если выражаться проще – это устройство, которое используется для уменьшения трения между вращающимися или скользящими деталями механизма. Одновременно П служит опорой для вращающихся осей либо валов.

Испытания подшипников – проверка нагруженного П и сравнение полученных результатов с установленными НТД.

Классификация подшипников

Подшипники принято классифицировать по видам, назначению и техническим характеристикам. По конструктивному исполнению П делятся на подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипники качения состоят из двух колец, между которыми находятся тела качения – шарики, ролики, иголки.

В зависимости от формы тела качения подшипники получили свое название – шариковые, роликовые, игольчатые. По исполнению П подразделяются на:

• радиальные;
• упорные;
• радиально-упорные;
• сферические.

Радиальные. Воспринимают перпендикулярную осевую нагрузку. Исполнение – однорядные, двухрядные, закрытые и открытые. Изготовляются из высококачественной легированной стали. Используются практически во всех машинах и механизмах.

Упорные. Воспринимают осевые нагрузки вдоль оси вращения. Элемент качения – шарики, ролики или иголки. Могут быть однорядными и многорядными. Применяются в станкостроении, грузоподъемной технике и др. механизмах.

Радиально-упорные. Одновременно воспринимают радиальные и осевые нагрузки. Применяются в машиностроении (станкостроение, редукторы, насосы, центрифуги).

Сферические. Образуют группу самоустанавливающихся. Воспринимают нагрузки любых направлений, в том числе вибрации и ударные нагрузки. Устанавливаются в агрегатах и механизмах горнодобывающей техники, металлургических прокатных станах, конвейерах.

Значительную группу представляют П, изготовленные из пластиковых композитов. Они примерно в четыре раза легче металлических (при одинаковых габаритах), инертны к агрессивным средам, обладают диэлектрическим свойством, практически бесшумные. Применяются в пищевой, медицинской, химической и электротехнической отраслях. Основной недостаток – ограниченная грузоподъемность и чувствительность к высоким температурам.

Подшипники скольжения не имеют тел качения. Вращающийся вал скользит по внутренней поверхности подшипника. Такая конструкция имеет ряд преимуществ и недостатков.

К преимуществам относятся простота конструкции, устойчивость к высоким нагрузкам, компактность и относительная бесшумность во время работы. В то же время в П возникают значительные силы трения, что способствует повышенному износу и необходимости применения смазочных материалов в больших объемах.

Несмотря на имеющиеся недостатки, П скольжения нашли широкое применение в моторостроении, изготовлении насосов, сельскохозяйственной и строительной технике, станкостроении.

Испытание материалов подшипников на износ

Типовые испытания включают три основных вида – ресурсные, контрольные и специальные. Контроль качества материала П производится на готовых изделиях методами визуального осмотра и механических испытаний. Проверяются внешний вид, отсутствие видимых повреждений, вибростойкость, усталость, долговечность материала и др. параметры.

Одним из ключевых видов контроля являются испытания подшипников на износостойкость – способность материала (изделия) сохранять эксплуатационные свойства при длительном механическом воздействии. Исследования проводятся согласно требованиям ГОСТ 30480-97, ГОСТ 18855-2013 и ГОСТ ISO 13936-2023.

Испытание на износ – комплексное. Для определения износостойкости необходимо оценить:

• коэффициент трения;
• момент трения;
• интенсивность и скорость изнашивания;
• амплитуду и частотный спектр вибрации;
• акустические свойства.

Испытания проводят в лабораторных условиях на испытательных стендах.

В качестве примера рассмотрим метод расчета коэффициента трения при испытании лепестковых газодинамических радиальных подшипников скольжения, установленный ГОСТ ISO 13939-2023.

Для определения коэффициента трения необходимо найти значения силы трения F_s и статическую грузоподъемность F_w,s. Для их определения собирается установка по приведенной схеме в нормативном документе.

При испытании частоту вращения вала устанавливают равной частоте вращения реального подшипника. Затем ее увеличивают на 10 % и к подшипнику прикладывают начальную нагрузку. В этом режиме наблюдают за процессом испытания в течение пяти минут. Если возникнут вибрации П, испытание прекращается.

Сила трения F определяется с использованием преобразователя 7. Момент вращения находится как произведение F на расстояние r между осями корпуса и преобразователя по формуле M = F · r. Статическая грузоподъемность F_w,s – максимальная постоянная нагрузка, которую может выдержать П.

После завершения испытания по формуле μ = F_s / F_w,s высчитывается коэффициент трения (μ).

Методики испытаний материалов подшипников на износ отражены в стандартах:

• ГОСТ 520-2011 «Подшипники качения. Общие технические условия»;
• ГОСТ ISO 13939-2023 «Подшипники скольжения. Испытания статической грузоподъемности, коэффициента трения и ресурса лепестковых газодинамических радиальных подшипников скольжения»;
• ГОСТ ИСО 7905-1-1-99 «Подшипники скольжения. Усталость подшипников скольжения. Испытания на стендах в условиях гидродинамической смазки»;
• ГОСТ 30480-97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытания на износостойкость. Общие требования»;
• ГОСТ 28428-90 «Подшипники радиальные шариковые сферические двухрядные. Технические условия»;
• ГОСТ ИСО 4383-2006 «Подшипники скольжения. Многослойные материалы для тонкостенных подшипников скольжения».