Опоры валов и осей подшипники качения. Конструктивные элементы валов и осей. Недостатки подшипников скольжения

5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

По принципу работы различают:

● Подшипники скольжения.

● Подшипники качения.

5.2. Что такое подшипник скольжения?

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.

5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.

Достоинства:

● Малые габариты в радиальном направлении.

● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.

● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки:

● Большие габариты в осевом направлении.

● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.

● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.

5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:

● Малый коэффициент трения.

● Высокую износостойкость.

● Хорошую прирабатываемость.

● Коррозионную стойкость.

● Малый коэффициент линейного расширения.

● Низкую стоимость.

Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.

5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей можно разделить на три группы.

● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.

● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.

● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.

5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.

Основным критерием является износостойкость трущейся пары.

Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .

5.7. Что такое подшипник качения?

Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.

5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.

Достоинства:

● Малые потери на трение.

● Высокий КПД.

● Незначительный нагрев.

● Высокая нагрузочная способность.

● Малые габаритные размеры в осевом направлении.

● Высокая степень взаимозаменяемости.

● Простота в эксплуатации.

● Малый расход смазки.

Недостатки:

● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Большие габариты в радиальном направлении.

● Шум при больших оборотах.

5.9. Как классифицируются подшипники качения?

● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.

● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).

● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.

5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.

● Усталостное выкрашивание после длительной работы.

● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.

● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.

● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.

● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.

5.11. Как проводится подбор подшипников качения?

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.

Различают подбор подшипников:

● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.

● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.

Муфты

6.1. Назначение муфт.

Муфта – устройство, основное назначение которого соединение валов и передача вращающего момента с одного вала на

другой без изменения его величины и направления.

Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт.

Некоторые типы муфт дополнительно:

● Компенсируют монтажные неточности.

● Разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя.

● Предохраняют машину от поломок в аварийных режимах.

● Поглощают толчки и вибрации.

6.2. Как классифицируют муфты?

● Постоянные (нерасцепляемые) муфты, обеспечивающие постоянное соединение валов.

● Муфты сцепления, обеспечивающие соединение (сцепление) или разъединение валов во время работы машины.

Управляемые муфты сцепления соединяют (разъединяют) валы по команде.

Самоуправляемые муфты сцепления срабатывают автоматически, соединяя и разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины и принципа действия муфты.

6.3. Виды несоосности валов.

Вследствие погрешностей изготовления и монтажа имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального (соосного) расположения валов:

● Радиальное смещение, или эксцентриситет, D .

● Осевое (продольное) смещение l , которое может возникнуть также из-за деформации валов при изменении температуры.

● Угловое смещение, или перекос, g .

6.4. Что такое глухая муфта?

Глухая муфта образует жесткое соединение валов. Она не компенсирует ошибки изготовления и монтажа и требует точной центровки валов.

● Муфта втулочная – простейший представитель глухих муфт. Скрепление втулки с валами выполняют с помощью штифтов или шпонок.

● Муфта фланцевая – две полумуфты, соединенные болтами.

6.5. Что такое компенсирующая муфта?

Компенсирующая муфта компенсирует ошибки изготовления и монтажа, а именно несоосность валов. Компенсация обеспечивается конструктивными особенностями: вращающий момент

передается с одной полумуфты на другую через промежуточный диск или упругие элементы из резины.

6.6. Управляемые муфты.

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления:

● Муфта, работа которой основана на зацеплении (кулачковая или зубчатая). Состоит из двух полумуфт, на торцах которых имеются выступы (кулачки). В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения одну из полумуфт устанавливают на валу подвижно в осевом направлении.

● Муфта, работа которой основана на трении (фрикционная). Состоит из двух полумуфт, одна из которых перемещается вдоль вала и прижимается ко второй полумуфте с определенной силой.

6.7. Муфты самоуправляемые (самодействующие).

● Муфта предохранительная с разрушающимся элементом. Состоит из двух полумуфт, соединенных цилиндрическим предохранительным элементом (штифтом). При перегрузке предохранительный элемент срезается и полумуфты размыкаются.

● Муфта предохранительная фрикционная. При перегрузке полумуфты размыкаются. Автоматически восстанавливается работоспособность машины после прекращения действия перегрузки.

● Муфта обгонная (свободного хода). Служит для передачи вращающего момента только в одном направлении.

● Муфта центробежная (пусковая). Автоматически соединяет валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение.

Список литературы

1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 408 с.

2. Куклин Н.Г., Куклина Г.С., Житков В.К. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 406 с.

3. Мархель И.И. Детали машин: Учебник. – М., Форум, Инфра-М, 2011. – 336 с.

4. Рощин Г.И., Самойлов Е.А. Детали машин и основы конструирования: Учебник. – М., Дрофа, 2006. – 415 с.

5. Сухих Р.Д. Детали машин и основы конструирования: Краткий толковый словарь. – СПб, Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. – 43 с.

1. Общие сведения о машинах и механизмах…………….…..1

2. Соединения деталей машин…………………………...…….5

2.1. Неразъемные соединения ……………………….........6

2.2. Разъемные соединения…………………………….....9

3. Механические передачи…………………………………....12

3.1. Общие сведения о механических передачах……….12

3.2. Зубчатые передачи…………………………………...13

3.3. Цепные передачи…………………………………….22

3.4. Фрикционные передачи……………………………...22

3.5. Ременные передачи …………………………….........24

4. Валы и оси…………………………………………………..25

5. Опоры валов и осей………………………………………...27

6. Муфты………………………………………………….........31

Список литературы………………………………………....35

Опоры валов и осей предназначены для поддержания вращательного или качательного движения валов и осей и передачи усилий от них на корпус. От конструкции опор во многом зависят точность действия и надежность работы механизма в целом. Опоры, предназначенные для восприятия радиальной или комбинированной (радиальной и осевой) нагрузки, принято называть подшипниками, а опоры, воспринимающие только осевые нагрузки, – подпятниками.

По виду трения они делятся на опоры качения и опоры скольжения. Выбор того или иного тина опоры определяется условиями работы, нагрузками, действующими на опору, габаритными ограничениями, требуемой долговечностью и стоимостью механизма.

Подшипники качения

Подшипник качения – это готовый сборочный узел, состоящий из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, между которыми располагаются тела качения 3 и сепаратор 4, удерживающий тела качения на определенном расстоянии друг от друга и направляющий их вращение (рис. 4.72, а). Подшипники качения являются наиболее распространенной законченной сборочной единицей и используются практически во всех механизмах, имеющих вращающиеся детали (за исключением механизмов с опорами скольжения).

Подшипники качения стандартизованы и выпускаются на специализированных государственных подшипниковых заводах (ГПЗ). По производству подшипников отечественная промышленность занимает одно из ведущих мест в Европе. В конце 1980-х гг. выпускалось до 1 млрд подшипников в год различных типоразмеров – от 1 мм внутреннего диаметра до 3 м наружного диаметра.

Преимущества : относительно малые потери на трение; сравнительно низкая стоимость подшипников при их массовом производстве; относительно малая длина опоры; меньший расход смазочного материала; малые пусковые моменты; полная взаимозаменяемость, что облегчает сборку и ремонт механизмов. В конструкциях валов и осей с подшипниками качения проще решаются вопросы осевой фиксации и компенсации температурных деформаций, они менее чувствительны к перекосам и прогибам валов под нагрузкой, к несоосности опор.

Недостатки : высокая чувствительность к ударным нагрузкам; ограниченная быстроходность, связанная с кине-

Рис. 4.72

матикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопические моменты и др.); высокая стоимость при единичном или мелкосерийном производстве; сравнительно большие радиальные размеры опоры; ограниченный диапазон рабочих температур; шум во время работы, обусловленный погрешностями формы; подшипники общего применения не работают в агрессивных средах.

Подшипники общего применения, которые используют в общем машиностроении, железнодорожном транспорте, автомобилестроении и других отраслях промышленности, выпускают пяти классов точности, которые различаются величинами допусков на размеры колец и тел качения. С повышением точности изготовления возрастает стоимость подшипников, поэтому выбор класса точности должен иметь соответствующее обоснование. В табл. 4.22 приведена сравнительная стоимость подшипников различных классов точности.

Таблица 4.22

По форме тел качения подшипники разделяют на шариковые и роликовые. Ролики могут быть короткие цилиндрические, бочкообразные, конические, витые и длинные цилиндрические (рис. 4.72, б).

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на радиальные, воспринимающие только радиальную или радиальную и некоторую осевую нагрузки; радиальноупорные, служащие для восприятия радиальной и значительной осевой нагрузок; упорно-радиальные, воспринимающие радиальные нагрузки наряду с осевыми; упорные, предназначенные для восприятия осевой нагрузки.

По способу самоустановки подшипники могут быть несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся.

По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные, двух- и многорядные.

По соотношению габаритных размеров однотипные подшипники разделяют на серии: сверхлегкую, особо легкую

Рис. 4.73

(рис. 4.73, а), легкую (рис. 4.73, б), легкую широкую (рис. 4.73, в), среднюю (рис. 4.73, г), среднюю широкую (рис. 4.73, д ) и тяжелую (рис. 4.73, е ). Подшипники легкой и средней серий – самые распространенные и, соответственно, при массовом выпуске имеют низкую стоимость.

Рассмотрим некоторые основные типы подшипников общего применения.

Радиальные подшипники. Подшипник шариковый радиальный однорядный (рис. 4.74, а) предназначен для восприятия радиальной нагрузки, но может воспринимать и осевую нагрузку в пределах до 70% от неиспользованной радиальной. Эти подшипники фиксируют положение вала в двух осевых направлениях, при низких частотах вращения допускают небольшие перекосы валов (до 8"), величина которых зависит от внутренних зазоров между кольцами и телами качения.

Подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, б) воспринимает радиальную нагрузку при взаимном повороте осей колец до 2–3° и осевую, составляющую до 20% от неиспользованной радиальной. Самоустанавливающиеся подшипники имеют преимущества при значительных прогибах валов и несоосности опор. При качательных движениях эти подшипники работают лучше, чем радиальные однорядные.

Подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами (рис. 4.74, в) воспринимает радиальную нагрузку, в 1,7 раза бо́льшую, чем шариковый подшипник тех же размеров. В конструкции таких подшипников одно из колец имеет направляющие буртики, а другое относительно роликов не фиксируется. Осевую нагрузку эти подшипники не воспринимают. При несоосности опор возникает дополнительное давление по кромкам роликов,

Рис. 4.74

резко снижающее долговечность подшипников. Их применяют в электродвигателях, редукторах, газовых турбинах и других машинах.

Подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, г) воспринимает повышенную радиальную нагрузку и осевую до 25% от неиспользованной радиальной. Ролики этого подшипника имеют бочкообразную форму, и наружное кольцо может свободно проворачиваться в осевом направлении относительно внутреннего кольца. Такие подшипники могут компенсировать несоосность и прогибы вала при перекосах колец до 2,5°. Они фиксируют вал в осевом направлении в обе стороны в пределах имеющихся зазоров. Применяют эти подшипники в опорах насосов, прокатных станов и других машин, где действуют большие радиальные нагрузки и возможны перекосы валов.

Подшипник роликовый игольчатый (рис. 4.74, ∂ ) воспринимает большие радиальные нагрузки при малых радиальных габаритных размерах. Он используется при скоростях на палу до 5 м/с, а также при качательных движениях. Телами качения являются ролики диаметром 1,6–6 мм и длиной, составляющей 4–10 диаметров роликов, которые устанавливаются без сепаратора. Иногда подшипники используют без внутреннего кольца, и ролики обкатываются по поверхности вала. Эти подшипники очень чувствительны к прогибам валов и несоосиости посадочных мест. Игольчатый подшипник используют в опорах кривошипно-шатунных и кулисных механизмов, карданах, узлах фрезерных станков и др.

Радиально-упорные подшипники. Подшипник шариковый радиально-упорный однорядный (рис. 4.74, е) воспринимает радиальную и одностороннюю осевую нагрузку. В этих подшипниках на наружном кольце с одной стороны имеется скос, благодаря чему можно установить большее (на 45%) количество шариков и увеличить радиальную нагрузочную способность па 30–40%. Воспринимаемая осевая нагрузка составляет 70–200% от неиспользованной радиальной, в зависимости от угла контакта а шариков с кольцами. Подшипники выполняют с углами контакта 12, 18, 26 и 36°. С увеличением угла контакта возрастает воспринимаемая осевая нагрузка и снижается быстроходность подшипников. Для восприятия знакопеременной осевой нагрузки часто подшипники устанавливают по два и более в одну опору. Радиально-упорные шариковые подшипники устанавливают в шпинделях станков, электродвигателях, червячных редукторах и т.п.

Подшипник роликовый конический (рис. 4.74, ж) воспринимает одновременно значительную радиальную и одностороннюю осевую нагрузки. Телом качения этого подшипника является конический ролик. Применяют их при скоростях до 15 м/с. При очень больших нагрузках (в прокатных станах) устанавливают многорядные конические роликоподшипники, способные воспринимать двусторонние осевые нагрузки. Величина воспринимаемой осевой нагрузки зависит от угла конусности наружного кольца, с увеличением которого возрастает осевая и уменьшается радиальная грузоподъемность. При монтаже этих подшипников необходима регулировка осевых зазоров. Очень малые или чрезмерно большие зазоры могут привести к разрушению деталей подшипника. Применяют эти подшипники в колесах самолетов, автомобилей, в цилиндрических и червячных редукторах, коробках передач, в шпинделях металлорежущих станков.

Упорно-радиальные шариковые подшипники (рис. 4.74, з ) предназначены для восприятия осевых нагрузок, но могут воспринимать и небольшие радиальные нагрузки. Угол наклона контактной линии 45–60°. Применяют их при небольших частотах вращения.

Упорные подшипники. Подшипник шариковый упорный (рис. 4.74, и) предназначен для восприятия только осевой нагрузки при скоростях на валу до 10 м/с, лучше работает на вертикальных валах. При больших скоростях условия работы подшипника ухудшаются вследствие центробежных сил и гироскопических моментов, действующих на шарики. Очень чувствительны к точности монтажа, допускают взаимный перекос колец до 2". Используют их в передачах винт-гайка, для домкратов, крюков кранов и др.

Подшипник роликовый упорный (рис. 4.74, к) предназначен для восприятия только осевой нагрузки, главным образом на вертикальных валах с малыми частотами вращения. Характеризуются высокой грузоподъемностью. Очень чувствительны к перекосам колец: допустимый перекос не более 1.

Специальные подшипники. Кроме подшипников общего применения выпускают также специальные подшипники, например авиационные, коррозионно-стойкие, самосмазывающиеся, малошумные и др. К авиационным подшипникам относят тяжелонагруженные высокоскоростные подшипники для газотурбинных двигателей, подшипники для механизмов управления летательных аппаратов (ЛА), совершающих качательное движение при действии больших нагрузок, подшипники для элсктроагрегатов с частотами вращения до 100 000 об/мин. Подшипники для механизмов управления ЛА выпускают без сепаратора с полным заполнением шариками, пластичной смазкой и защитными шайбами, удерживающими смазочный материал в пространстве между кольцами. Коррозионно-стойкие подшипники выполняют из хромистой стали 95X18, 11X18, сепаратор – из фторопласта-4. Самосмазывающиеся подшипники устанавливают в механизмах специальной техники, работающих в условиях глубокого вакуума, сверхнизких или сверхвысоких температур (механизмы космической техники). В этих условиях пластичные и жидкие смазочные материалы теряют вязкость и поэтому применяют твердые смазочные материалы, в качестве которых используют дисульфит молибдена MoS2, графит, фторопласт, специальные марки пластмасс. На дорожки качения наносят специальные покрытия из серебра, никеля, золота. Работают эти подшипники при скоростях в 2 раза меньших, чем обычные, поскольку нет отвода теплоты из зоны трения. Малошумные подшипники применяют в механизмах, работающих относительно продолжительное время в присутствии человека (системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, механизмы бытовой техники и т.п.). Снижение уровня вибраций и соответственно шума достигают за счет уменьшения зазоров между телами качения и кольцами подшипника, повышая точность их изготовления.

Подшипники изготавливают из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15, ШХ15СГ с содержанием углерода 1–1,5%. Число в обозначении марки стали указывает содержание хрома в десятых долях процента. Используются также цементируемые легированные стали 18ХГТ, 20Х2Н4А, 20НМ. Твердость тел качения и колец подшипников 60–65 HRC. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкие стали 9X18, 9X18Ш. Сепараторы чаще всего изготавливаются штампованными или клепанными из стальной ленты. При относительных окружных скоростях колец больше 10 м/с применяют сепараторы из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов и неметаллических материалов.

Выбор тина подшипника. При выборе подшипника качения учитываются величина, характер действия и направление нагрузки, частота вращения, требуемая долговечность, условия монтажа, воздействие окружающей среды и т.п. Для одних и тех же условий работы могут быть использованы подшипники различных типов, и при их подборе учитывают экономические факторы и опыт эксплуатации аналогичных конструкций. Вначале рассматривают возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников легкой или средней серии как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов подшипников должен быть обоснован. Размеры подшипника определяются требованиями к грузоподъемности, диаметром цапфы вала (определяемой прочностью), условиями размещения опор. Таким образом, выбор подшипника – важный и ответственный момент этапа проектирования механизма.

Расчет подшипников. Расчет долговечности подшипника ведется по его динамической грузоподъемности. При вращении подшипника иод нагрузкой в точке взаимодействия тела качения с кольцом возникают контактные напряжения, изменяющиеся по отнулевому циклу. Критерием их работоспособности является сопротивление усталостному разрушению поверхности контакта. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость между действующей нагрузкой и долговечностью:

где L – долговечность подшипника, млн оборотов; – коэффициенты; С – динамическая грузоподъемность, представляющая собой постоянную радиальную нагрузку, которую подшипник с неподвижным наружным кольцом выдерживает 1 млн оборотов; Р – эквивалентная нагрузка, действующая на подшипник; – показатель степени ( для шарикоподшипников и для роликоподшипников).

Надежность подшипников общего применения соответствует вероятности безотказной работы . При необходимости повышения надежности вводят коэффициент долговечности (табл. 4.23).

Таблица 4.23

Коэффициентзависит от материала, из которого изготовлен подшипник, и условий эксплуатации. Для механизмов общего применения можно принимать

Эквивалентная нагрузка для радиальных и радиальноупорных шариковых и роликовых конических подшипников определяется зависимостью

где X и Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (см. табл. 4.16); V– коэффициент вращения, равный 1, если вращается внутреннее кольцо и 1,2 – при вращении наружного кольца; и – радиальная и осевая нагрузки; – коэффициент безопасности, учитывающий характер действующей нагрузки; – температурный коэффициент, равный единице при рабочей температуре подшипника С.

Коэффициент безопасности при нагрузке без толчков;при легких толчках и вибрациях; при умеренных толчках и вибрациях;при сильных ударах и высоких перегрузках.

Эквивалентную нагрузку для подшипников с короткими цилиндрическими роликами находят по формуле

а для упорных подшипников – по формуле

При увеличении эквивалентной нагрузки Р в 2 раза долговечность снижается в 8–10 раз, поэтому необходимо как можно точнее определять нагрузку, действующую на подшипник.

Долговечность подшипника(в ч) сравнивают с ресурсом механизма:

где п – частота вращения кольца подшипника, об/мин; Г – ресурс механизма, ч.

Расчет долговечности по динамической грузоподъемности ведется для подшипников с частотой вращения;об/мин. В подшипниках качательного движения или вращающихся с частотойоб/мин действующую нагрузку рассматривают как статическую и сравнивают ее со статической грузоподъемностью Q. Под статической грузоподъемностью понимают такую силу, при которой остаточная деформация тел качения и колец не превышает допускаемую , где D – диаметр тела качения. Значения статической и динамической грузоподъемности приведены в каталогах подшипников.

Смазочные материалы. Большое значение имеет правильный выбор смазочного материала, наличие которого уменьшает потери на трение, способствует отводу тепла из зоны трения, смягчает удары тел качения о сепаратор и кольца, защищает от коррозии, снижает уровень шума. Выбор того или иного вида смазочного материала для подшипников зависит от режимов и условий работы, конструкции механизма, окружающей среды, специальных требований и др. Для смазывания применяют пластичные и жидкие смазочные материалы. Пластичные смазочные материалы марок ЦИЛТИМ-201,

Литол-24, ВНИИ НП-207 и др. используют в диапазоне температур -60...+ 150°С, умеренных нагрузках и частотах вращения; жидкие смазочные материалы (масла) – для скоростных и тяжелонагруженных подшипников. Последние обеспечивают более эффективный отвод тепла, имеют лучшее проникновение к поверхностям трения. Их применяют также в труднодоступных для смены смазочного материала узлах трения и при необходимости постоянного контроля за наличием смазочного материала. Основные марки жидких масел: индустриальные И-5А, И-12А, трансмиссионные ТАД-17, авиационные МС-14, МК-22 и др.

Уплотнение подшипниковых узлов . Важное условие надежной работы подшипников – обоснованный выбор уплотнений, которые защищают полость подшипника от проникновения в нее из окружающей среды пыли, влаги, абразивных частиц и препятствуют вытеканию смазочного материала. Конструкция выбранного уплотнения зависит от вида смазочного материала, условий и режима работы узла подшипника, а также степени его герметичности.

По принципу действия уплотнения разделяют на контактные, в которых герметизация осуществляется за счет плотного прилегания уплотняющих элементов к подвижной поверхности вала; бесконтактные – герметизация в которых осуществляется за счет малых зазоров сопряженных элементов; комбинированные, состоящие из комбинации контактных и бесконтактных уплотнений.

Контактные уплотнения. Основными типами контактных уплотнений являются сальниковые и манжетные. Уплотнения войлочными кольцами (сальниковые) применяют для герметизации полостей подшипников, работающих на пластичном смазочном материале до окружных скоростей v = 8 м/с и Т= 90°С. Контакт кольца 2 с валом 1 (рис. 4.75, а) обеспечивают за счет предварительного натяга. Перед установкой в проточку в корпусной детали войлочные кольца пропитывают разогретой смесью из смазочного материала (85%) и графита. Не рекомендуется применять эти уплотнения при избыточном давлении и повышенной запыленности окружающей среды. Эффективность и долговечность сальниковых уплотнений повышается при установке их в комбинации с другими уплотнениями (щелевыми и лабиринтными).

Манжетные уплотнения (рис. 4.75, б) имеют уплотнительное кольцо 3, изготовленное из резины, имеющее выступающую рабочую кромку, которая соприкасается с поверхностью вала 1. Контакт рабочей кромки манжеты шириной 0,2-0,5 мм с валом обеспечивают за счет предварительного натяга, а также поджатием ее к валу браслетной пружиной 2. Уплотнение устанавливают так, чтобы рабочая кромка прижималась к валу избыточным давлением уплотняемой среды. Манжеты для работы в засоренной среде выполняют с дополнительной рабочей кромкой-пыльником 5. Для повышения жесткости корпус манжеты может быть армирован стальным кольцом 4. Применяют манжетные уплотнения в подшипниковых узлах при скоростях V = 25÷30 м/с и избыточном давлении Р = 0,2÷0,3 МПа. Эффективность работы повышают последовательной установкой двух манжет на расстоянии 3–8 мм.

Рис. 4.75

Уплотнение подшипниковых узлов при любом смазочном материале и скоростях v > 5 м/с может быть обеспечено фасонными шайбами 2 (рис. 4.75, в). Толщина шайб зависит от их размера и составляет 0,3-0,5 мм. Фиксация шайбы осуществляется гайкой 1. Не рекомендуется уплотнять фасонными шайбами самоустанавливающиеся подшипники с большими осевыми зазорами из-за возможности нарушения контакта между шайбой и обоймой подшипника.

Недостаток контактных уплотнений – наличие трения между контактирующими поверхностями, которое приводит к дополнительным энергетическим затратам, а также нагреву и износу поверхностей. Трение и износ контактной пары ограничивают долговечность и область применения контактных уплотнений.

Бесконтактные уплотнения. Эти уплотнения работают за счет сопротивления протеканию смазочного материала через узкие щели или каналы с резко изменяющимися проходными сечениями. Они не обеспечивают абсолютной герметичности, а служат для ограничения утечек. Основным преимуществом бесконтактных уплотнений являются повышенная долговечность и надежная работа при любых температурах и скоростях. По принципу действия их можно разделить на статические и динамические. В статических уплотнениях, щелевых и лабиринтных, величина утечек зависит только от геометрических характеристик соединения сопряженных элементов. Эффективность динамических уплотнений зависит от геометрии соединения и относительной скорости вращения сопряженных элементов.

Щелевое уплотнение (рис. 4.75, г) применяют при пластичном смазочном материале и скоростях v = 5 м/с. Степень герметизации уплотнения зависит от величины зазора и длины щели /. Зазор определяется прогибом вала в месте установки уплотнения, эксцентриситетом поверхностей вала 2 и корпуса 1 по отношению к оси вращения, зазором в подшипниках и т.п. Уменьшение зазора достигают нанесением на неподвижную деталь мастики 3 , приготовленной на порошкообразном графите.

Уплотнение подшипниковых узлов, работающих на пластичном и жидком смазочном материале при температурах Т= 80÷400°С и скоростях v = 30 м/с, можно обеспечить жировыми канавками (рис. 4.75,Э), которые при сборке заполняют пластичным смазочным материалом. Размеры канавок и величину зазора назначают в зависимости от диаметра вала. Например, при d = 20÷95 мм r = 1÷1,25 мм и δ = 0,3÷0,4 мм.

Лабиринтное уплотнение применяют при скоростях v > 30 м/с. В зависимости от числа щелей они могут быть одно- и многоступенчатыми. Радиальное уплотнение (рис. 4.75, е) допускает относительное смещение втулки 2 относительно крышки опоры 1, поэтому его применяют для плавающих опор подшипников. В аксиальном лабиринтном уплотнении (рис. 4.75, ж) при неразъемном корпусе 3 используют составную лабиринтную втулку 4. Это уплотнение устанавливают при осевых смещениях вала.

В подшипниковых опорах с жидким смазочным материалом применяют динамические уплотнения, которые работают при вращении вата, но теряют эффективность при остановках. Для предотвращения утечек в неработающих механизмах такие уплотнения часто используют в комбинациях со статическими контактными или бесконтактными уплотнениями. Спиральное (резьбовое ) уплотнение (рис. 4.75, з) выполняют в виде одно- или многозаходной нарезки прямоугольного или треугольного профиля. При вращении вала смазочный материал отбрасывается в полость редуктора. На-

Рис. 4.76

правление нарезки необходимо согласовывать с направлением вращения вала. Спиральное уплотнение нельзя применять в реверсивных механизмах.

На рис. 4.76 показано комбинированное уплотнение узла подшипника редуктора авиационного двигателя АИ-14В, состоящее из маслоотражательного кольца 2 и упругих металлических колец 1. В неработающем редукторе герметизация обеспечивается за счет контакта упругих колец с крышкой подшипника 4. При вращении вала под действием центробежных сил жидкий смазочный материал отбрасывается к периферии кольца 2 и стекает в нижнюю часть корпуса, где имеется канал 3 для его слива.

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft , нем. zappen , голл. shiffen – вал ). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:

подшипники скольжения (трение скольжения);

подшипники качения (трение качения).

Подшипники скольжения

Основным элементом таких подшипников является вкладыш из антифрикционного материала или, по крайней мере, c антифрикционным покрытием. Вкладыш устанавливают (вкладывают) между валом и корпусом подшипника .

Трение скольжения безусловно больше трения качения, тем не менее, достоинства подшипников скольжения заключаются в многообразных областях использования:

в разъёмных конструкциях (см. рисунок);

при больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n  10 000 об/мин );

при необходимости точного центрирования осей;

в машинах очень больших и очень малых габаритов;

в воде и других агрессивных средах.

Недостатки таких подшипников – трение и потребность в дорогих антифрикционных материалах.

Кроме того, подшипники скольжения применяют во вспомогательных, тихоходных, малоответственных механизмах.

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением :

температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша);

абразивный износ;

усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок.

При всём многообразии и сложности конструктивных вариантов подшипниковых узлов скольжения принцип их устройства состоит в том, что между корпусом и валом устанавливается тонкостенная втулка из антифрикционного материала, как правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для малонагруженных механизмов из пластмасс. Имеется успешный опыт эксплуатации в тепловозных дизелях М753 и М756 тонкостенных биметаллических вкладышей толщиной не более 4 мм, выполненных из стальной полосы и алюминиево-оловянного сплава АО 20-1.

Большинство радиальных подшипников имеет цилиндрический вкладыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галтелей на валу и закругления кромок вкладыша. Подшипники с коническим вкладышем применяются редко, их используют при небольших нагрузках, когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор от износа подшипника для сохранения точности механизма.

Для правильной работы подшипников без износа поверхности цапфы и втулки должны быть разделены слоем смазки достаточной толщины. В зависимости от режима работы подшипника в нём может быть:

полужидкостное трение , когда неровности вала и вкладыша могут касаться друг друга и в этих местах происходит их схватывание и отрыв частиц вкладыша. Такое трение приводит к абразивному износу даже без попадания пыли извне.

Обеспечение режима жидкостного трения является основным критерием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.

Критерием прочности, а следовательно, и работоспособности подшипника скольжения являются контактные напряжения в зоне трения или, что, в принципе, то же самое – контактное давление. Расчётное контактное давление сравнивают с допускаемым p = N / (l d )  [ p ] . Здесь N – сила нормального давления вала на втулку (реакция опоры), l - рабочая длина втулки подшипника, d – диаметр цапфы вала.

Иногда удобнее сравнивать расчётное и допускаемое произведение давления на скорость скольжения. Скорость скольжения легко рассчитать, зная диаметр и частоту вращения вала.

Произведение давления на скорость скольжения характеризует тепловыделение и износ подшипника. Наиболее опасным является момент пуска механизма, т.к. в покое вал опускается ("ложится") на вкладыш и при начале движения неизбежно сухое трение.

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения .

Это могут быть или шарики, или ролики (короткие толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкообразные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутреннего колец, между которыми и помещены тела качения.

Тела качения во избежание ненужного контакта друг с другом и равномерного распределения по окружности заключены в специальную кольцеобразную обойму – сепаратор (лат. Separatum – разделять ).

В некоторых конструкциях, где приходится бороться за уменьшение радиальных габаритов, применяются т.н. "бескольцевые" подшипники, когда тела качения установлены непосредственно между валом и корпусом. Однако нетрудно догадаться, что такие конструкции требуют сложной, индивидуальной, а, следовательно, и дорогой сборки-разборки.

Достоинства подшипников качения:

низкое трение, низкий нагрев;

экономия смазки;

высокий уровень стандартизации;

экономия дорогих антифрикционных материалов.

Недостатки подшипников качения:

высокие габариты (особенно радиальные) и вес;

высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;

слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:

форма тел качения;

габариты (осевые и радиальные);

точность выполнения размеров;

направление воспринимаемых сил.

По форме тел качения подшипники делятся на:

Шариковые (быстроходны, способны к самоустановке за счёт возможности некоторого отклонения оси вращения);

Роликовые – конические, цилиндрические, игольчатые (более грузоподъёмны, но из-за точно фиксированного положения оси вращения не способны самоустанавливаться, кроме бочкообразных роликов).

По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий:

По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии:

По классам точности подшипники различают следующим образом:

"0" – нормального класса;

"6" – повышенной точности;

"5" – высокой точности;

"4" – особовысокой точности;

"2" – сверхвысокой точности.

При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".

По воспринимаемым силам все подшипники делятся на четыре группы. Вычислив радиальную F r и осевую F a реакции опор вала, конструктор может выбрать:

Радиальные подшипники (если F r << F a ), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если F a = 0 ) и радиальные шариковые подшипники.

Радиально-упорные подшипники (если F r > F a ), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса.

Упорно-радиальные подшипники (если F r < F a ), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса.

Упорные подшипники , "подпятники" (если F r << F a ), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.

Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения.

Здесь используются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А.

Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60  65 , а у шариков немного больше – HRC 62  66 , поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс.

Причины поломок и критерии расчёта подшипников

Главная особенность динамики подшипника – знакопеременные нагрузки.

Циклическое перекатывание тел качения может привести к появлению усталостной микротрещины. Постоянно прокатывающиеся тела качения вдавливают в эту микротрещину смазку. Пульсирующее давление смазки расширяет и расшатывает микротрещину, приводя к усталостному выкрашиванию и, в конце концов, к поломке кольца. Чаще всего ломается внутреннее кольцо, т.к. оно меньше наружного и там, следовательно, выше удельные нагрузки. Усталостное выкрашивание – основной вид выхода из строя подшипников качения.

В подшипниках также возможны статические и динамические перегрузки, разрушающие как кольца, так и тела качения.

Следовательно, при проектировании машины необходимо определить, во-первых, количество оборотов (циклов), которое гарантированно выдержит подшипник, а, во-вторых - максимально допустимую нагрузку, которую выдержит подшипник.

Вывод: работоспособность подшипника сохраняется при соблюдении двух критериев:

Долговечность.

Грузоподъёмность.

Расчёт номинальной долговечности подшипника

Номинальная долговечность это число циклов (или часов), которые подшипник должен проработать до появления первых признаков усталости. Существует эмпирическая (найденная из опыта) зависимость для определения номинальной долговечности L n = ( C / P )  , [ млн. оборотов ] ,

где С – грузоподъёмность, Р – эквивалентная динамическая нагрузка,  = 0,3 для шариков,  = 0,33 для роликов.

Номинальную долговечность можно вычислить и в часах

L h = (10 6 / 60 n ) L n , [ часов ] ,

где n – частота вращения вала.

Эквивалентная динамическая нагрузка это такая постоянная нагрузка, при которой долговечность подшипника та же, что и при реальных условиях работы. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка.

Эквивалентная динамическая нагрузка вычисляется по эмпирической формуле

P = ( V X F r + Y F a ) K Б K Т ,

где F r , F a – радиальная и осевая реакции опор;

V – коэффициент вращения вектора нагрузки (V = 1 если вращается внутреннее кольцо, V = 1,2 если вращается наружное кольцо)

X , Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипников, определяются по справочнику;

К Б – коэффициент безопасности, учитывающий влияние динамических условий работы (К Б = 1 для передач, К Б = 1,8 для подвижного состава),

К Т – коэффициент температурного режима (до 100 о С К Т = 1 ).

Грузоподъёмность это постоянная нагрузка, которую группа идентичных подшипников выдержит в течение одного миллиона оборотов. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка. Если вал вращается медленнее одного оборота в минуту, то речь идёт о статической грузоподъёмности C 0 , а если вращение быстрее одного оборота в минуту, то говорят о динамической грузоподъёмности C . Величина грузоподъёмности рассчитывается при проектировании подшипника, определяется на экспериментальной партии подшипников и заносится в каталог.

Методика выбора подшипников качения

Опытный проектировщик может назначать конкретный тип и размер подшипника, а затем делать проверочный расчёт. Однако здесь требуется большой конструкторский опыт, ибо в случае неудачного выбора может не выполниться условие прочности, тогда потребуется выбрать другой подшипник и повторить проверочный расчёт.

Во избежание многочисленных "проб и ошибок" можно предложить методику выбора подшипников, построенную по принципу проектировочного расчёта, когда известны нагрузки, задана требуемая долговечность, а в результате определяется конкретный типоразмер подшипника из каталога .

Методика выбора состоит из пяти этапов:

Вычисляется требуемая долговечность подшипника исходя из частоты вращения и заданного заказчиком срока службы машины.

По найденным ранее реакциям опор выбирается тип подшипника (радиальный, радиально-упорный, упорно-радиальный или упорный), из справочника находятся коэффициенты радиальной и осевой нагрузок Х , У .

Рассчитывается эквивалентная динамическая нагрузка.

Определяется требуемая грузоподъёмность C = P * L ( 1/ α ) .

По каталогу, исходя из требуемой грузоподъёмности, выбирается конкретный типоразмер ("номер") подшипника, причём должны выполняться два условия:

грузоподъёмность по каталогу не менее требуемой;

внутренний диаметр подшипника не менее диаметра вала.

Особенности проектирования подшипниковых узлов

ТЕМА 3. ВАЛЫ И ПОДШИПНИКИ. ЛЕКЦИЯ 13. ОПОРЫ ОСЕЙ И ВАЛОВ. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ. Вопросы, изложенные в лекции: 1 Опоры осей и валов. Общие сведения. Классификация. 2 Подшипники скольжения. Общие сведения. 3 Режимы работы подшипников скольжения. 4 Смазка подшипников скольжения. 5 Расчет подшипников скольжения

Опоры осей и валов. Классификация Опорами валов и вращающихся осей служат подшипники и подпятники. Подшипник часть опоры вала или оси, непосредственно взаимодействующая с цапфой. Воспринимает радиальные и осевые нагрузки и передает их на корпус или раму машины. Подпятник – воспринимает осевые нагрузки, преимущественно вертикальные. Классификация: 1 По направлению силовой нагрузки, воспринимаемой опорой: 1.1 радиальные подшипники воспринимают нагрузку, направленную перпендикулярно (по радиусу) к оси вращения; 1.2 упорные подшипники воспринимают нагрузку, направленную вдоль оси вращения (упорные подшипники называют подпятниками); 1.3 радиально-упорные подшипники воспринимают одновременно и радиальную, и осевую нагрузки, при этом радиальная нагрузка обычно больше осевой; 1.4 упорно-радиальные подшипники воспринимают и радиальную, и осевую нагрузки, но в этом случае радиальная нагрузка меньше осевой. 2 В зависимости от вида трения: 2.1 подшипники качения; 2.2 подшипники скольжения

Подшипники скольжения по конструктивным признакам делятся на неразъёмные (глухие) и разъёмные. Неразъёмные подшипники скольжения (рисунок 1) находят широкое применение там, где нагрузки и скорости скольжения невелики (v ск 3 м/с) – в приборах и механизмах управления. Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 1 – Неразъёмные (глухие) подшипники скольжения: а) встроенный в корпус; б) фланцевый Рисунок 2 – Разъёмный подшипник скольжения Разъёмные подшипники (рисунок 2) основное применение находят там, где невозможна или нежелательна осевая сборка (шейки коленчатых валов ДВС), а также в тяжёлом машиностроении для крепления тяжело нагруженных валов. Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа скользит по поверхности вкладыша.

Подшипники скольжения по виду воспринимаемой нагрузки бывают радиальными (рисунок 3 a) и осевыми (рисунок 3 b). Подшипники скольжения. Общие сведения Рисунок 3 – Подшипники скольжения: а) радиальный; б) осевой Рисунок 4 – Самоустанавливающийся подшипник Самоустанавливающийся подшипник подшипник, способный менять угловое положение продольной оси по отношению к поверхности основания, то есть отслеживать угловое положение цапфы вала (рисунок 4). Самоустанавливающиеся подшипники используют при большой длине цапф и возможной несоосности опорных узлов.

Достоинства: 1 малые габариты в радиальном направлении; 2 хорошая восприимчивость к динамическим нагрузкам (ударным и вибрационным); 3 высокая точность сопряжения; 4 хорошая прирабатываемость; 5 высокая долговечность в условиях обильной жидкостной смазки; 6 возможность работы в водной, абразивной и коррозионно-активной среде (при соответствующем подборе материалов); 7 возможность сборки как в осевом, так и в радиальном направлениях Недостатки: 1 большие габариты в осевом направлении; 2 значительный расход смазочного материала; 3 необходимость следить за постоянным поступлением смазочного материала к рабочим поверхностям; 4 высокий пусковой момент и большой износ в период пуска; 5 необходимость использования в подшипнике дорогостоящих антифрикционных материалов. Подшипники скольжения. Общие сведения

В зависимости от количества смазочного материала в подшипнике скольжения различают следующие режимы трения: 1) жидкостное трение – поверхности цапфы вала и подшипника разделены сплошным слоем смазки, непосредственное трение между ними отсутствует; 2) полужидкостное трение – сплошность масляного слоя нарушена; поверхности подшипника и цапфы вала контактируют вершинами микронеровностей на участках большей или меньшей протяженности; 3) полусухое (граничное) трение – поверхности цапфы вала и подшипника почти постоянно контактируют между собой, разделительный слой смазочного материала отсутствует, масло находится на поверхностях в виде адсорбированной пленки; 4) сухое трение – в зазоре между поверхностями цапфы вала и подшипника смазочный материал отсутствует полностью, вследствие чего эти поверхности находятся в состоянии непрерывного контакта. Режимы работы подшипников скольжения Характеристика режима работы подшипника: - динамическая вязкость смазки; - угловая скорость вала;- среднее давление на опорную поверхность.

Режимы работы подшипников скольжения Примеры саморегуляции подшипников скольжения. Жидкостной режим трения: 1 Увеличивается снижается уменьшается уменьшается тепловыделение повышается устойчивое равновесие. 2 Повышается снижается уменьшается уменьшается уменьшается тепловыделение устойчивое равновесие. Полужидкостной режим трения: Любой фактор, способствующий снижению (уменьшение вязкости масла, увеличение нагрузки), вызывает повышение коэффициента трения., как следствие, повышение, увеличение коэффициента трения. Выход из ситуации – контроль за частотой вращения.

Смазка, применяемая для смазывания подшипников скольжения, по степени консистентности (по густоте, твёрдости) классифицируется: – твёрдая - графит, дисульфид молибдена, некоторые обволакивающие металлы, например, индий; – пластичная (консистентную, не обладающую свойством каплепадения) – солидол, литол, некоторые смазки ЦИАТИМ; – жидкая – органические и минеральные масла, иногда вода и другие жидкости; – газообразная – воздух, азот, инертные газы (аргон). Чем выше вязкость смазочного материала, тем труднее он выдавливается из рабочего зазора подшипника и, следовательно, тем более толстым может быть его слой между цапфой и поверхностью подшипника в процессе их совместной работы. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили жидкая и консистентная смазки. При использовании жидкостной смазки в зависимости от способа подачи смазки в рабочий зазор подшипника и разделения твёрдых поверхностей слоем жидкой смазки различают гидростатический и гидродинамический способы смазывания. Смазка подшипников скольжения

Гидростатический способ основан на разделении трущихся поверхностей за счёт статического напора (давления) подводимой к подшипнику смазочной жидкости, создаваемого внешним источником (насосом). Поэтому при гидростатическом способе смазывания смазочная жидкость подаётся навстречу основным нагрузкам (рисунок 6), действующим на цапфу вала, а давление насоса выбирается таким, чтобы цапфа вала всплывала на слое смазки. Применяется этот способ подачи смазки для смазывания подшипников тяжело нагруженных тихоходных валов (например, для смазки подшипников валов прокатных станов), для гидростатической центровки валов в прецизионных машинах. Рисунок 6 – Гидростатическая смазка подшипника скольжения Смазка подшипников скольжения

Гидродинамический способ реализуется только в процессе вращения цапфы в подшипнике после достижения критической скорости вращения (рисунок 7). В состоянии покоя цапфа вала лежит на поверхности подшипника (рисунок 7 а). По мере увеличения угловой скорости цапфы (рисунок 7 б) частицы смазочного масла за счёт налипания на её поверхность втягиваются в клиновой зазор между цапфой и подшипником. Рисунок 7 – Гидродинамическая смазка подшипника скольжения В результате, цапфа вала всплывая, оторвётся от поверхности подшипника, происходит полное разделение трущихся поверхностей. Давление, развивающееся в клиновом зазоре, повышается прямо пропорционально динамической вязкости масла, частоте вращения вала и обратно пропорционально толщине масляного слоя. Давление в клиновом слое может быть большим, и поэтому подача масла производится в зону разрежения, что не требует больших затрат мощности на смазывание и системы смазки высокого давления (насосы, фильтры, радиаторы, трубопроводы и т.п.). Смазка подшипников скольжения

В практике эксплуатации подшипников скольжения можно наблюдать следующие виды их изнашивания: 1) абразивный (происходит при попадании твёрдых частиц в рабочий зазор подшипника); 2) усталостное выкрашивание при действии пульсирующих нагрузок; 3) перегрев, являющийся следствием сухого трения и приводящий в конечном итоге к заеданию цапфы в подшипнике, появлению задиров или к выплавлению антифрикционного слоя материала. Таким образом, основной критерий работоспособности подшипника скольжения – износоустойчивость трущейся пары. Виды разрушения подшипников скольжения Требования к материалам фрикционной пары: 1) малый коэффициент трения; 2) высокая износостойкость и сопротивление усталости; 3) хорошая теплопроводность; 4) прирабатываемость и смачиваемость маслом.

1) антифрикционные чугуны (АЧС, АЧВ и др.) – при спокойной нагрузке, удельном давлении до 20 МПа и скоростях скольжения до 5 м/с; 2) бронзы оловянистые (БрОЦС5-5-5; БрОФ10-1 и др.), свинцовистые и оловянисто-свинцовистые (БрС-30; БрО5С25 и др.), безоловянистые (БрА9Ж3Л; БрА10Ж4Н4Л и др.) при скоростях скольжения до 12 м/с и удельных давлениях до 25 МПа; 3) латуни (ЛАЖМц, ЛКС и др.) – при скоростях скольжения до 2 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 4) баббиты, например Б89 (89% олово, 9% сурьма, ост. медь) - для условий обильной смазки и хорошего теплоотвода при скоростях скольжения до 15 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; 5) лёгкие сплавы на алюминиевой основе для неответственных подшипников (литейные АЛ3, АЛ4, АЛ5, деформируемые АК4, АК4-1); 6) неметаллические материалы (ДСП, текстолит, поликарбонаты, капрон, нейлон, фторопласты, резины) - при скоростях скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 10 МПа, некоторые из этих материалов (ДСП, резины) допускают использование воды в качестве смазки; Материалы фрикционной пары ПС

7) металлокерамика (бронзографит, железографит) - при скоростях скольжения до 3 м / с, удельных давлениях до 6 МПа и недостатке смазки. Металлокерамика отличается высокой пористостью (поры занимают до 40 % объёма), вследствие чего способна впитывать большие количества масла, этого запаса масла хватает обычно на несколько месяцев работы подшипника без смазки. Для работы с подшипником, цапфы вала необходимо подвергать термической или химико - термической обработке с целью получения высокой твёрдости рабочей поверхности (HRC>50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя. 50…55). Точность изготовления диаметральных размеров цапфы по 6…7 квалитету ЕСДП, а шероховатость поверхности R a – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна (хуже удерживает смазку). Материалы фрикционной пары ПС Высота микронеровностей цапфы R z 1 и вкладыша R z 2 должна обеспечивать режим жидкостной смазки. Т.к. в реальных условиях при установке подшипников имеют место перекосы вала, погрешности формы и температурные деформации, принимают: минимальная толщина масляного слоя.">

Для проверки основных размеров цапфы подшипника – длины l и диаметра d сравнивают расчетное и допускаемое давление в подшипнике. В этом случае условие прочности по среднему давлению p между контактирующими поверхностями цапфы вала и подшипника можно записать как: где R – радиальная нагрузка, действующая на цапфу вала, [ p ] – допустимая величина этого давления. При проектном расчёте принимается следующее допущение: удельное давление считается равномерно распределённым как по диаметру цапфы, так и по её длине. При проектном расчёте задаются величиной коэффициента длины подшипника. Для несамоустанавливающихся опор рекомендуют принимать = 0,4…1,2 (в отечественной технике чаще всего = 0,6…0,9). Применение самоустанавливающегося подшипника позволяет увеличить коэффициент длины до = 1,5…2,5. Расчет подшипников скольжения

При заданном коэффициенте длины подшипника его диаметр может быть найден по соотношению: Величину энерговыделения в работающем подшипнике характеризует произведение среднего давления p на скорость скольжения v. С целью предотвращения перегрева подшипника производится его проверка и по этому критерию: где n – частота вращения цапфы вала. Исходя из последнего выражения, при известных материалах трущейся пары цапфа - вкладыш подшипника, удобно найти длину подшипника следующим образом: Расчет подшипников скольжения а далее можно вычислить необходимый диаметр цапфы:

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки вала и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники.

По виду трения различают: подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности; подшипники качения, в которых между поверхностями вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения подшипника.

От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машины.

Существует много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъёмные и разъёмные.

Неразъёмный подшипник (рис.3.5) состоит из корпуса и втулки (вкладыша) из антифрикционного материала, на которую непосредственно опирается цапфа вала или оси. Втулка может быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него ("плавающая втулка"), в конструкции подшипника предусматривается смазочное устройство. Неразъемные подшипники обычно используют в тихоходных механизмах.

Разъёмный подшипник (рис.3.6) состоит из основания и крышки корпуса, разъёмного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъёмные подшипники используют в общем и особенно - тяжёлом машиностроении.

Достоинства подшипников скольжения:

Высокая работоспособность при больших скоростях и ударных нагрузках;

Бесшумность и обеспечение виброустойчивости вала при работе подшипника в режиме жидкостного трения (масляный слой между поверхностями цапфы и вкладыша обладает способностью гасить колебания);

Небольшие габариты в радиальном направлении;

Достаточно высокая работоспособность в особых условиях (химически агрессивных средах, при бедной или загрязнённой смазке).

Недостатки подшипников скольжения:

Большие потери на трение (не относится к подшипникам, работающим в режиме жидкостного трения, КПД которых больше 0,99);

Значительные размеры в осевом направлении;

Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей;

Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазки;

Не обеспечивается взаимозаменяемость подшипников при ремонте, так как большинство типов подшипников не стандартизировано.

Подшипники качения в большинстве случаев состоят из наружного 4 (рис. 3.7, а) и внутреннего 1 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов), сепаратора 2, разделяющего и направляющего тела качения. В некоторых подшипниках одно или оба кольца могут отсутствовать. В них тела качения обкатываются непосредственно по канавкам (цапфам) вала или корпуса.

Достоинства подшипников качения:

Значительно меньшие потери на трение, а следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;

Экономия дефицитных цветных материалов;

Меньший расход смазочного материала;

Высокая степень взаимозаменяемости (их массовое производство).

Недостатки подшипников качения:

Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам;

Большие габариты в радиальном направлении;

Малая надёжность в высокоскоростных приводах.

Классификация подшипников качения (см. рис.3.7):

По форме тел качения: шариковые (а, 6, ж, и), роликовые (с цилиндрическими (в), коническими (з), бочкообразными (г), игольчатыми (д) и витыми (е) роликами-;

По числу рядов тел качения: однорядные (а, в, ж), двухрядные (6, г), многорядные;

По направлению воспринимаемой нагрузки: радиальные (а...е), воспринимающие (в основном) радиальные нагрузки, т.е. нагрузки, направленные перпендикулярно к геометрической оси вала; упорные (и, к), воспринимающие от вала только осевые нагрузки; радиальпо-упорные (ж) и упорно-радиальные (з) могут воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки, при этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.

По габаритным размерам. В зависимости от соотношения размеров наружного и внутреннего диаметров подшипники делят на серии - сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние, тяжелые; по ширине на серии - узкие, нормальные, широкие, особо широкие.

3.3. ТИПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ