Радиальная нагрузка против осевой нагрузки: соответствие типа подшипника направлению силы

В любом вращающемся оборудовании силы редко действуют исключительно в одном направлении. Рабочее колесо насоса толкает жидкость осево, поддерживая вес вала радиально; спиральная передача создает как разделяющие, так и осевые силы; подшипник колеса автомобиля должен поглощать осевую нагрузку при поворотах наряду с весом шасси. Неправильная характеристика этих сил и выбор типа подшипника, который кинематически способен их поддерживать, приводит к чрезмерному износу, перегреву и катастрофическим поломкам. Эта статья разъясняет различие между радиальными и осевыми нагрузками и предоставляет систематический метод для сопоставления направлений сил с наиболее подходящей конфигурацией подшипника.

1. Определение радиальных и осевых нагрузок

Радиальная нагрузка (F_r) действует перпендикулярно оси вала. Она может возникать от веса вала, натяжения ремня, разделяющих сил шестерен или дисбаланса. Радиальные силы пытаются толкать вал вбок.
Осевое нагрузка (F_a) , также известная как осевая нагрузка, действует параллельно оси вала. Общими источниками являются тяга пропеллера, силы спиральных шестерен, наклонные конвейеры и разности давления в насосах или турбинах. Осевые силы пытаются переместить вал вдоль его оси.

На практике большинство приложений комбинируют оба компонента нагрузки. Инженерный анализ должен количественно оценить номинальные значения F_r и F_a на протяжении полного рабочего цикла, включая старт-стоп, перегрузку и переходные условия, прежде чем будет произведен какой-либо выбор.

2. Как типы подшипников реагируют на направления нагрузки

Катки подшипников предназначены для принятия специфических направлений нагрузки на основе геометрии их дорожек и катящихся элементов. Выбор типа, несовместимого с вектором нагрузки, является фундаментальной ошибкой, которую нельзя компенсировать увеличением размера.

Bearing type	Чистая радиальная грузоподъемность	Осевое грузоподъемность (в одном направлении)	Осевое грузоподъемность (в обоих направлениях)	Примечания
Подшипник с глубокими канавками	Отлично	Умеренно	Умеренно (в обе стороны)	Наиболее универсальный выбор; осевая грузоподъемность уменьшается на очень высоких скоростях.
Цилиндрический роликовый подшипник (дизайн NU/N)	Очень высокая	Никаких	Никаких	Не может принимать осевую нагрузку, если не оснащен направляющими кромками (конструкции NJ, NUP предлагают ограниченное одностороннее осевое расположение).
Angular contact ball bearing	Хорошо	Высокий (односторонний)	Только в парной компоновке (лицом к лицу, спина к спине или в тандеме).	Угол контакта (15°, 25°, 40°) определяет соотношение осевой нагрузки.
Конусный роликовый подшипник	Высокий	Очень высокий (односторонний)	Пары необходимы для двунаправленной осевой нагрузки.	Эффективно принимает комбинированные нагрузки; по своей природе разъемный для легкой установки.
Сферический роликовый подшипник	Очень высокая	Умеренный (в обе стороны)	Уже двунаправленный.	Допуск на несоосность является значительным дополнительным преимуществом.
Упорный шариковый подшипник	Никаких	Высокий (односторонний)	Двунаправленный с двойным рядом.	Разработан исключительно для осевой нагрузки; не должен нести радиальную нагрузку.
Упорный цилиндрический / сферический роликовый подшипник	Никаких	Чрезвычайно высокий (односторонний)	–	Для тяжелых приложений с чистым осевым усилием, таких как экструдеры или вертикальные валы.
Подшипник с четырехточечным контактом	Ограниченная радиальная способность	Высокий (двунаправленный)	Уже двунаправленный.	Экономит место, заменяя два угловых подшипника в некоторых приложениях.

Таблица выше формирует начальную фильтрационную матрицу: тип подшипника должен физически быть способен справляться с направлениями нагрузки, присутствующими в приложении. Только после прохождения этого фильтра следует проводить расчеты срока службы и статической надежности.

3. Смешанные нагрузки и эквивалентная динамическая нагрузка

Когда существуют как радиальные, так и осевые нагрузки, два компонента объединяются в эквивалентную динамическую нагрузку P, которую можно сравнить с динамическим рейтингом нагрузки подшипника C. ISO 281 определяет общую формулу для радиальных подшипников:

P = X · F_r + Y · F_a

Факторы X (радиальный фактор) и Y (осевой фактор) зависят от типа подшипника и, что важно, от соотношения F_a / F_r. Подшипник с глубоким канавкой, подвергнутый небольшой осевой силе, будет вести себя очень иначе, чем тот же подшипник под доминирующей осевой нагрузкой. Каталоги производителей предоставляют подробные таблицы, указывающие X и Y для различных углов контакта и классов зазоров. Основная философия выбора такова:

Когда F_a / F_r мала (доминирующе радиальная), подшипники с глубокими канавками или цилиндрические роликовые подшипники, вероятно, будут оптимальными.
Когда F_a / F_r умеренная или высокая, угловые контактные шариковые подшипники или конические роликовые подшипники становятся необходимыми для эффективной передачи осевого компонента.
Когда F_a / F_r очень велика (почти чистое осевое усилие), необходимо вводить специализированные осевые подшипники, а радиальная поддержка должна обеспечиваться отдельным радиальным подшипником.

Это соотношение определяет не только тип подшипника, но и необходимый угол контакта. Для угловых контактных подшипников угол контакта 40° может нести примерно в два раза большую осевую нагрузку, чем подшипник 15° того же размера — ценой меньшей скорости. Конические роликовые подшипники по своей природе предлагают высокое соотношение сил благодаря углу конуса.

4. Примеры выбора, основанные на приложении

Случай A – Электродвигатель (горизонтальный, привод на V-ремне)

Натяжение ремня создает постоянное радиальное усилие; ротор не расположен осево против осевого давления.
Рекомендуемый тип: Глубокий радиальный шариковый подшипник на приводном конце для комбинированной нагрузки; цилиндрический роликовый подшипник (NU) на не приводном конце для допуска теплового расширения вала при чисто радиальной нагрузке.

Случай B – Выходной вал червячного редуктора

Червячный привод создает значительное осевое давление вместе с радиальной нагрузкой, разделяемой шестерней.
Рекомендуемый тип: Параллельные конические роликовые подшипники, расположенные в конфигурации "спина к спине" или "лицом к лицу", чтобы справляться с высокими комбинированными нагрузками и обеспечивать жесткое позиционирование вала. В качестве альтернативы, шариковый осевой подшипник для чисто осевой нагрузки плюс цилиндрический роликовый подшипник для радиальной поддержки.

Случай C – Вертикальный насос с направленным вниз импеллером

Восходящее гидравлическое давление во время запуска, нисходящее давление во время стабильной работы; минимальная радиальная нагрузка.
Рекомендуемый тип: Параллельные шариковые подшипники с угловым контактом (часто 40° угол контакта), установленные для принятия двунаправленного осевого давления, поддерживаемые глубоким радиальным шариковым подшипником сверху для радиальной стабильности. В больших насосах предпочтителен осевой шариковый подшипник двойного направления или шариковый осевой подшипник.

Случай D – Колесо тележки верхнего конвейера

Чисто радиальная нагрузка от веса; боковые направляющие силы минимальны и прерывисты.
Рекомендуемый тип: Глубокий радиальный шариковый подшипник с зазором C3 и уплотнительными кольцами для учета небольших отклонений вала и предотвращения загрязнения. Цилиндрические роликовые подшипники используются только в том случае, если требования радиальной нагрузки превышают статическую емкость шарикового подшипника.

5. Специальные соображения по направлению нагрузки

Двунаправленные осевые нагрузки могут быть приняты только одним типом подшипника, если конструкция подшипника это позволяет (например, глубокий радиальный шариковый подшипник, двухрядный подшипник с угловым контактом, подшипник с четырехточечным контактом, шариковый роликовый подшипник). В противном случае два односторонних подшипника должны быть спарены с преднапряжением, чтобы устранить внутренний зазор и избежать скольжения шариков.
Моментные нагрузки вызванные нависающими силами создают неравномерное осевое и радиальное распределение по набору подшипников. В этих случаях расстояние между двумя подшипниками (разброс) и их грузоподъемности должны рассчитываться вместе — один oversized подшипник редко решает проблему момента.
Скорость и смазка взаимодействуют с выбором нагрузки. Высокая скорость может исключить конические роликовые подшипники из-за центробежных эффектов на набор роликов. Шариковые подшипники с угловым контактом или гибридные керамические глубокие радиальные шариковые подшипники могут быть единственными вариантами, даже если сырые данные нагрузки благоприятствуют роликовому подшипнику.

6. Пошаговый контрольный список для соответствия типа подшипника направлению нагрузки

Определите все векторы силы действующие на вал во время нормальной работы, запуска, остановки и перегрузки.
Разделите силы на радиальные и осевые компоненты, и вычислите максимальные F_r и F_a для каждой фазы работы.
Определите доминирующий режим нагрузки: чисто радиальный, чисто осевой, комбинированный радиально-осевой или комбинированный с значительным моментом.
Отфильтруйте типы подшипников с использованием таблицы возможностей (раздел 2); исключите любой тип, который не может физически удовлетворить осевому или радиальному требованию.
Рассчитайте эквивалентную динамическую нагрузку P с использованием соответствующих факторов X и Y, выбирая размер подшипника на основе требуемого срока службы L₁₀.
Проверьте статическую безопасность для пиковых ударных или статических нагрузок, используя статическую эквивалентную нагрузку P₀ и статический рейтинг нагрузки C₀.
Просмотрите вторичные факторы: скорость, температура, смазка, несоосность и посадка. Отрегулируйте класс зазора или измените тип, если это необходимо — например, заменив шариковый радиальный подшипник, если выравнивание вала не может быть гарантировано.

Заключение

Радиальные и осевые нагрузки не являются взаимозаменяемыми величинами; они определяют сам тип подшипника, который может быть использован. Игнорирование осевого компонента приводит к отказу подшипников, предназначенных только для радиальных сил, вызванному осевыми нагрузками, в то время как применение шарикового подшипника с глубоким канавкой там, где нужен конический роликовый подшипник, приводит к сокращению срока службы и плохой жесткости. Тщательно сопоставляя направление нагрузки и соотношение сил F_a / F_r с кинематической архитектурой подшипника, инженеры создают надежные вращающиеся узлы, которые соответствуют как требованиям производительности, так и долговечности.