История создания подшипника. Подшипник Да Винчи

Подшипник — небольшой элемент, значение которого для технического прогресса сравнимо с колесом и лопатой. Впервые найденный археологами в стоянках древнего человека подшипник за столетия претерпел немалые изменения, которые коснулись как конструктивных особенностей, так и таких моментов, как обработка и смазка. В Средние века широкое применение этого устройства произошло с лёгкой руки Леонардо да Винчи, который придумал подшипник качения, используемый и по сей день. Сегодняшние производители соперничают между собой, предлагая производителям горношахтного оборудования подшипники, способные выдерживать экстремальные нагрузки.

Подушка и опора

Подшипники сегодня — как и сотни лет назад — широко используют в самых разных механизмах, чей принцип действия основан на вращении и перемещении. В добывающей отрасли линейка подобных механизмов представлена достаточно широко.
«В частности, это электродвигатели, редукторы, проходческие комбайны, грохоты и прочие механизмы. Как правило, в оборудовании для добывающей отрасли используют стандартные подшипники, но встречаются и специальные, разработанные под определённые условия — в них применяют специальные стали, сплавы или материалы, антикоррозионные или защитные покрытия. Иногда, чтобы упростить монтаж, такие подшипники делаются разъёмными. Но практически все они представляют собой не просто отдельные элементы, а высокотехнологичный узел машин и механизмов, поддерживающий или направляющий вращающийся вал или ось», — рассказывает инженер новосибирского подразделения компании ООО «Шэффлер Руссланд» Валерий Юрганов.

Любопытно, что главный принцип действия подшипника был описан в одном из первых словарей, составленных Владимиром Далем: «Подшипник — это часть механизма, его подушка, опора, на котором покоится шип оси или вала», что и отражено в слове — «под шип».

Первые подшипники, которые представляли собой обтесанные камни, археологи нашли ещё на стоянках первобытного человека эпохи неолита. Спустя тысячелетия человечество научилось применять подшипники для перемещения тяжёлых грузов. Так, в древнем Египте, где фараоны были одержимы идеей создания масштабных сооружений, инженеры использовали шарики и ролики для доставки каменных глыб. Более совершенные элементы, напоминающие сегодняшние образцы, обнаружили в древних греческих городах.
У греков была письменность, что позволило установить имя инженера Диада, применившего подшипник в конструкции осадного орудия. Для нынешних инженеров принцип очевиден: таран для разрушения крепости двигался по желобкам с роликами.

Гай Калигула и Леонардо да Винчи

Шариковые подшипники, свидетельствуют археологи, появились уже во времена Калигулы. Властитель, чтобы подчеркнуть свою безграничную мощь, решил построить два корабля гигантских размеров. Один из них должен был стать храмом в честь покровительницы Калигулы — богины Дианы, другой планировали использовать как плавучий дворец. Над проектом работали лучшие инженеры и строители того времени, которые использовали последние технические достижения, в том числе и подшипники.
Были обнаружены удивительные поворотные платформы, в механизмах которых использовались подшипники. Под одной из платформ оказалось восемь бронзовых шаров, двигавшихся в желобе. Другая платформа также лежала на восьми конических деревянных роликах, помещенных в желоб. Обе конструкции напоминают подшипники качения, прототип которых был описан в XVI веке Леонардо да Винчи. Учёный разработал шарикоподшипник, состоящий из двух колец, внутреннего и внешнего, между которыми поместил вращающиеся шарики.

После открытия Да Винчи сфера применения подшипников стремительно начала расширяться. Так, например, в Англии инженеры использовали чугунный подшипник качения, состоящий из двух дорожек, между которыми находилось 40 шаров в конструкции ветряной мельницы. Также механизмы на подшипниках для транспортировки своих кораблей использовал Петр I. Кстати, постамент Медного всадника, знаменитый гром-камень, также доставили до места с использованием подшипников линейного перемещения. Спустя 100 лет инженеры сконструировали подшипник колеса железнодорожного вагона. Дальше технические изобретения посыпались как из рога изобилия: немец Фишер придумал машинку для шлифования стальных шариков, американец Генри Тимкен основал в США производство подшипников, в нулевых годах двадцатого века основатель компании SKF разработал роликовые подшипники, способные воспринимать значительные нагрузки. В 1945 г. появились безмаслянные подшипники скольжения.

Подшипники облегчали транспортировку и перемещение, но на эффективность отрицательно влияла сила трения. Поэтому начиная с самых первых образцов инженеры экспериментировали с различными смазками. Так, в Асуанской долине Нила, откуда древние египтяне доставляли гранит и другие каменные глыбы для строительства, для смазки придумали использовать мокрую глину, затем — масло кокоса. Но все эти смазки имели существенный недостаток — они были слишком вязкие и быстро пересыхали. Следующим этапом стали животные жиры, а затем и продукты на основе нефти, которая выходит в тех местах на поверхность. В России проблему смазки решали с помощью дёгтя.
Сейчас около 70-80% оборудования смазывают ручным способом, считает Валерий Юрганов. Неравномерное распределение смазки, по его словам, «не является проблемой», поскольку в подшипниковом узле всегда есть вращающиеся части, и смазка легко примешивается. Тем не менее, как переизбыток, так и недостаток смазки может существенно снизить ресурс подшипникового узла.

«Чтобы избежать этого, мы рекомендуем использование автоматических систем смазки на две и на восемь точек смазывания, соответственно. Благодаря им можно отдельно регулировать количество и периодичность подачи смазки по каналам», — уточняет эксперт.

Вращать, дробить, вибрировать

XX век для подшипников стал золотым — в результате стремительного развития промышленности сфера их применения существенно расширяется. В советские годы на территории страны появляются крупные предприятия-производители подшипников, которые осваивают широкую ассортиментную линейку — подшипники с низким моментом вращения, микроподшипники для микроэлектроники, подшипники с керамическими телами качения и множество других разновидностей. Развитие элементов шло по пути многочисленных усовершенствований конструкции, направленных на получении характеристик, отвечающих требованиям всё усложняющейся техники.

Сейчас подшипники применяют в огромном спектре станков и механизмов, напоминает руководитель группы внедрения и технического сопровождения продукции отдела маркетинга управления маркетинга ОАО «Минский подшипниковый завод» Андрей Гордейко. По его словам, это дробильно-размольное, вибрационное оборудование, дымососы, вентиляторы, электрические машины, роликовые секции МНЛЗ, редукторы прокатных станов, экскаваторов, карьерных самосвалов, проходческих, очистных комбайнов, стабилизаторы горизонтального оперения самолетов МиГ и СУ, турбины атомных электростанций, колёсные пары, редукторы тепловозов и электровозов и другие.
Распад Cоюза привёл к переделу рынка, место пришедших в упадок советских гигантов заняли зарубежные игроки. Введение в 2014 году санкций в отношении российских предприятий и принятая в качестве ответной меры политика импортозамещения, стала фактором, позволившим российским и белорусским производителям если не вернуть, то серьёзно усилить свои позиции — не только на Родине, но и на рынках ближнего и дальнего зарубежья.
Сейчас существенные объёмы у Минского подшипникового завода заказывают предприятия разных отраслей, в том числе и горно-металлургические.

Подшипники для экстремальных нагрузок

«Подшипники, которые используют в горнодобывающей промышленности, должны отвечать определённым требованиям: важны грузоподъёмность и долговечность, а также предельная частота вращения», — разъясняет Валерий Юрганов.
Он уточняет, что еще на этапе поставки задачи конструктор задаёт ресурс оборудования, где помимо вышеназванных характеристик, важную роль играет эксплуатационная надёжность.
Подшипники, которые используют в оборудовании горнодобывающей промышленности, подвергаются повышенным, по сравнению с другими отраслями, нагрузкам. Этому способствуют непростые природные условия, в которых ведётся добыча.

Подшипник практически непрерывно контактирует с влагой, с другими загрязнениями. Имеет место механическое воздействие на корпус изделия (включая удары или повышенную вибрацию), из-за особенностей породы подача нагрузок на подшипник в процессе дробления минералов и горных пород неравномерная. Достаточно распространённым явлением в процессе работы нагруженного карьерного оборудования стали высокие температуры, выше 100 °С. Тем не менее важно, чтобы даже в экстремальных условиях функциональные узлы механизмов и машин справлялись со своими задачами корректно и без перебоев, причём это касается не только мельниц и дробилок, но и сит сортировочных машин, агломерационных установок, а также печей. Определённые подшипники и их узлы нуждаются в компенсации усиленных прогибов вала и несоосности опор. Кроме того, особые требования предъявляют как к уплотнителям, так и применяемому смазочному материалу.
С 1997 года «Шэффлер Групп» ввела метод расчёта достижимой долговечности, основанный на теории усталости материалов. Этот метод сначала вошёл в немецкие нормы, а позже с 2007 года стал частью международных стандартов ISO281.

Человеческий фактор

Теперь при расчёте долговечности учитывают такие факторы, как величина нагрузки на подшипник, предел усталости материала, степень разделения поверхностей при применении смазки, чистота смазывающего слоя, наличие и состав присадок в смазочном материале, внутреннее распределение нагрузки и трение в подшипнике.
«Однако все расчёты будут правильными только в том случае, если подшипник будет правильно смонтирован и в процессе работы будет правильно обслуживаться. Я бы назвал этот фактор «умелые руки», — аргументирует инженер.

Вопрос, стоит ли восстанавливать подшипники, которые использовались ранее, является дискуссионным. Валерий Юрганов поясняет, что существует четыре уровня восстановления подшипников: инспекция, профилактический ремонт, ремонт с заменой деталей и капитальный ремонт. По его мнению, окончательное решение нужно принимать с учётом двух факторов: область применения и цена на новое изделие и его эксклюзивность.

«В том случае, если есть высокие требования к безопасности, точности оборудования, или количество используемых типоразмеров подшипников слишком велико, то смысла заниматься восстановлением подшипников, скорее всего, нет. И наоборот, если, например, при производстве стали используется большое количество однотипных подшипников в МНЛЗ или дорогих многорядных подшипников в прокатных станах, то восстановление более чем оправдано», — считает эксперт.
Он также отмечает, что срок изготовления специального подшипника или подшипника с наружным диаметром от одного метра может доходить до года.
«Восстановление подшипника займёт два-три месяца, а цена будет на 50-60% ниже цены на новый подшипник», — подытоживает он.

Предложение ролико-сферических подшипников, на которых также специализируется Минский подшипниковый завод, сейчас на рынке достаточно велико, рассказывает Андрей Гордейко. В качестве конкурентов он указывает на предложения других производителей с китайскими комплектующими. Использование китайских деталей обусловлено стремлением снизить конечную стоимость продукции, что не всегда положительно сказывается на надёжности. Инженер рассказывает, что для повышения срока службы и более полного удовлетворения потребностей заказчика на Минском заводе наладили связи со смежниками, производителями горно-шахтного и другого оборудования.
«Наша задача — выяснить проблемные узлы подшипника так, чтобы оптимизировать внутреннюю конструкцию, наладить выпуск подшипников, наиболее подходящих под конкретное оборудование заказчика, способных выдерживать в том числе экстремальные нагрузки», — подытожил Андрей Гордейко.

Текст: Яна Янушкевич