ОПОРЫ КАЧЕНИЯ Опоры валов и осей, в которых трение скольжения заменено трением качения, называются подшипниками качения Устройство подшипников качения Установка подшипника в корпусе 1, 2 – наружные и внутренние кольца; 3 – тела качения; 4 – сепаратор Выпускаются подшипники от d = 0, 6 мм; D = 2 мм; В = 0, 8 мм; m = 0, 015 г до d = 12 м; D = 14 м; В = 0, 45 м; m = 130 г.
ДОСТОИНСТВА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Ø наиболее стандартизованы в международном масштабе; Ø централизовано изготавливаются в массовом производстве; Ø по сравнению с подшипниками скольжения имеют меньшие моменты трения при пуске; Ø меньшие габариты по ширине; Ø малый расход смазочных материалов и простота обслуживания; Ø отсутствие необходимости в цветных металлах; Ø меньшие требования термообработке к материалам и
НЕДОСТАТКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Ø большие радиальные габариты; Ø значительные контактные напряжения, ограничивающие ресурс; Ø меньшая демпфирующая способность; Ø ограниченная быстроходность; Ø повышенный шум из-за циклического перекатывания тел качения через нагруженную зону; Ø высокая производстве; стоимость при мелкосерийном Ø неразъемность в радиальном направлении
МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ Детали подшипников работают в условиях высоких контактных напряжений. Они должны иметь повышенную прочность, структурную однородность и твердость. Кольца и тела качения изготавливают из подшипниковых сталей марок ШХ 15, ШХ 15 -Ш, ШХ 15 -В, ШХ 15 СГ-Ш и т. д. Твердость - колец и роликов составляет 58… 66 HRCЭ - шариков 63… 67 HRCЭ. Сепараторы изготавливают из мягкой углеродистой стали. Массивные сепараторы из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов, металлокерамики, текстолита, полиамидов и др. пластмассы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ По форме тел качения По направлению воспринима-емой нагрузки По числу рядов тел качения По способу самоустановки По соотношению габаритных размеров По классу точности По уровню вибрации По специальным требованиям
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ ПО ЧИСЛУ РЯДОВ ТЕЛ КАЧЕНИЯ ü различают подшипники одно –, двух – и многорядные ПО СПОСОБУ САМОУСТАНОВКИ ü самоустанавливающиеся (сферические), допускающие перекос колец до 40 ü несамоустанавливающиеся (допустимый взаимный перекос колец от 1 до 8 мин.)
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО СООТНОШЕНИЮ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ (наружного диаметра D, внутреннего диаметра d и ширины В) Различают серии: сверх легкую, особо легкую, легкую широкую, среднюю широкую и тяжелую В порядке возрастания наружного диаметра установлены серии диаметров, обозначаемые цифрами 0, 8, 9, 1, 7, 2, 3, 4 и 5. Аналогично серии ширин (высот для упорных подшипников) имеют обозначения 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4 и 5. Подшипники различных серий отличаются друг от друга в основном предельной частотой вращения и нагрузочной способностью.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО КЛАССУ ТОЧНОСТИ Стандартом установлены следующие классы точности подшипников (в порядке повышения): 8, 7, 0, 6 Х, 6, 5, 4, 2, Т. Класс точности определяет точность размеров и формы деталей подшипников. В зависимости от класса точности и дополнительных требований различают три категории подшипников: А, В, С. Наибольшее распространение имеют подшипники нормального класса точности 0. С повышением класса точности существенно возрастает стоимость изготовления подшипника. Например: класс точности 2 примерно в 10 раз дороже подшипника класса точности 0.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО УРОВНЮ ВИБРАЦИЙ ü различают подшипники с нормальным пониженным низким уровнем вибрации ПО СПЕЦИАЛЬНЫМ ТРЕБОВАНИЯМ ü выпускают подшипники теплостойкие малошумные коррозионностойкие немагнитные самосмазывающиеся и т. д.
ПРИМЕНЯЕМОСТЬ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Шариковые 38, 6% Роликовые конические 24, 7% Роликовые цилиндрические 8, 9% Роликовые сферические 5, 7% Игольчатые 5, 7% Остальные (приборные, прецизионные и т. д.) 16, 4% ВСЕГО 100%
ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 1. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей (на дорожках качения наиболее напряженных колец из-за действия знакопеременных напряжений появляются микротрещины, которые расклиниваются проникающей в них смазкой, что ведет к выкрашиванию). 2. Разрушение тел качения. 3. Износ колец и тел качения. 4. Образование вмятин на рабочих поверхностях (бринеллирование) при динамических нагрузках, статических нагрузках, без вращения. Опасность образования вмятин существенна в транспортных машинах, в которых возможны большие динамические нагрузки и существенные нагрузки без вращения. 5. Разрушение сепараторов.
ПРИМЕРЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ а, б – раскалывание наружного кольца соответственно шарикового и роликового подшипников; в – выкрашивание рабочей поверхности внутреннего кольца
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫБРАКОВАННЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ТРАКТОРОВ ПО ВИДАМ ПОВРЕЖДЕНИЙ Виды повреждений (выбраковочный признак) Частота возникновения выбраковочного признака, % Увеличение зазоров сверх предельных значений нарушения плотности посадки 65… 76 Нарушение плотности посадки 17… 21 Микроскопические повреждения рабочих поверхностей дорожек и тел качения 4… 11 Поломка деталей подшипников 5… 9
КРИТЕРИИ РАСЧЕТА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Основными причинами выхода из строя подшипников качения являются: пластические деформации при статическом нагружении и усталостное выкрашивание под действием переменных нагрузок. В зависимости от условий работы расчет (подбор) подшипников на заданный ресурс ведут по статической грузоподъемности (критерий максимальных контактных напряжений) и по динамической грузоподъемности (критерий усталостного выкрашивания). Расчеты по критерию износостойкости не нашли широкого применения из-за сложности недостаточности необходимых данных. и
РАСЧЕТ (ПОДБОР) ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО СТАТИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ (при n ≤ 1 об/мин) P 0 ≤ C 0, где C 0 – статическая грузоподъемность; P 0 – эквивалентная статическая нагрузка Статической грузоподъемностью подшипников называют такую радиальную (осевую) нагрузку, которая вызывает общую остаточную деформацию тел качения и дорожки качения равную 0, 0001 диаметра тела качения. Эквивалентная статическая нагрузка: P 0 = X 0 Fr + Y 0 Fa, но не меньше, чем P 0 = Fr где X 0 , Y 0 - коэффициенты радиальной Fr и осевой Fa статических нагрузок
ПОДБОР ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ НА НЕОБХОДИМЫЙ РЕСУРС Динамической грузоподъемностью С называют такую радиальную (осевую) нагрузку, которую с 90% вероятностью может выдержать подшипник без повреждений в течение одного миллиона оборотов внутреннего кольца. Ресурс подшипника качения – число оборотов, которые сделает одно из колец относительно другого до появления признаков усталости материала колец или тел качения. Ресурс подшипников выражают в миллионах оборотов L или в часах Lh = 106 L / (60 n), где n – частота вращения подшипника, мин-1 Уравнение кривой усталости Fr L 1/p = C или L = (C / Fr)p p = 3 - для шариковых подшипников p = 3, 33 - для роликовых подшипников Lh
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЗОВОГО РАСЧЕТНОГО РЕСУРСА Базовый расчетный ресурс L 10 в миллионах оборотов, соответствующий 90% надежности, определяют для подшипников, выполненных из обычных материалов по обычной технологии и работающих в обычных условиях, по формуле: L 10 = (C / Р)p где Р – эквивалентная динамическая нагрузка, учитывающая условия нагружения и конструкцию подшипника Для радиальных и радиально-упорных подшипников Для упорно радиальных где Fr и Fa – соответственно радиальная и осевая нагрузки; X и Y – коэффициенты радиальной и осевой динамической нагрузки; V – коэффициент вращения кольца, V = 1 при вращении внутреннего кольца, V = 1, 2 при вращении наружного кольца. Для сферических подшипников всегда V = 1. КТ - температурный коэффициент, КБ - коэффициент динамичности нагрузки.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКА ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Lna = a 1 a 23 (C / P)p где a 1 - коэффициент надежности; a 23 = a 2 a 3 ; a 2 – коэффициент учитывающий свойства материала; a 3 – коэффициент учитывающий смазку и условия работы подшипника. Долговечность Lna L 10 a La L 4 a L 3 a L 2 a L 1 a Надежность, % 90 95 96 97 98 99 Коэффициент долговечности а 1 1 0, 62 0, 53 0, 44 0, 33 0, 21 Значения коэффициента a 23 Условия использования Тип подшипника I II III Шарикоподшипники, кроме сферических 0, 7… 0, 8 1, 0 1, 2 Роликоподшипники цилиндрические и шарикоподшипники сферические 0, 5… 0, 6 0. 8 1… 1, 2 Роликоподшипники конические 0, 6… 0, 7 0, 9 1, 1… 1, 3 Роликоподшипники радиальные сферические двухрядные 0, 3… 0, 4 0, 6 0. 8
УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДШИПНИКОВ I – обычные условия применения подшипников; II – характеризующиеся наличием гидродинамической пленки масла между контактирующими поверхностями и отсутствием перекосов в узле; III – кольца и тела качения изготовлены из сталей электрошлаковой или вакуумной переплавки, остальные условия соответствуют II.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ ПО ТЕЛАМ КАЧЕНИЯ б а в а – на подшипник с нулевым радиальным зазором; б – с нормальным радиальным зазором; в – на подшипник с таким же зазором, но при действии как радиальной, так и осевой силы. При осевом нагружении (в) радиальный зазор в подшипнике уменьшается и происходит некоторое выравнивание сил по телам качения, создаваемых нагрузкой Fr. Определенное осевое нагружение подшипника оказывает положительное влияние на его ресурс. Для учета этого влияния вводят коэффициент осевого нагружения е – предельное отношение При е, Х = 1, Y = 0. При > е, Х 1, Y > 0.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА РАДИАЛЬНО-УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ В расчетах учитывают осевые силы, возникающие от радиальной нагрузки Fr вследствие наклона контактных площадок к оси вращения подшипника где е’ – коэффициент минимальной осевой нагрузки
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ОСЕВЫХ СИЛ НА ОПОРЫ Схема нагружения Соотношение сил Результирующие осевые силы Результирующая осевая нагрузка на фиксирующую опору равна сумме внешних осевых сил. Результирующая осевая нагрузка на другую опору равна собственной составляющей
КОНСТРУКЦИИ ВАЛА С ДВУМЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ В ФИКСИРУЮЩЕЙ ОПОРЕ а б а и б – вал червяка с фиксирующей опорой на радиально-упорных шариковых подшипниках и на радиально-упорных роликовых подшипниках соответственно.
КОНСТРУКЦИИ ВАЛА С ДВУМЯ ПЛАВАЮЩИМИ ОПОРАМИ а б а – вал, установленный на шариковых радиальных сферических подшипника; б – вал, установленный на роликовых радиальных подшипниках.
Src="http://present5.com/presentation/3/50410152_192278346.pdf-img/50410152_192278346.pdf-38.jpg" alt="Смазка подшипников Жидкими маслами: - окунанием; - разбрызгиванием (v>3 м/с); - масляным туманом (v>7"> Смазка подшипников Жидкими маслами: - окунанием; - разбрызгиванием (v>3 м/с); - масляным туманом (v>7 м/с); - капельная; - циркуляционная. Пластичные смазки. Твердые смазки
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПОДБОРА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 1. Назначают подшипника тип и схему установки 2. Назначают класс точности подшипника 3. Подбирают типоразмер подшипника из ряда стандартных, исходя из диаметра вала 4. Уточняют типоразмер подшипника с учетом необходимого ресурса.
ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ Подшипник скольжения – это опора, в которой опорная поверхность вала (цапфа) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) Радиально-упорный подшипник скольжения Fa Радиальный подшипник скольжения Упорный подшипник скольжения
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДОСТОИНСТВА работоспособность при очень больших скоростях ü небольшие габариты в радиальном направлении ü сохранение работоспособности в особых условиях (в агрессивных средах, воде, при загрязненной смазке, при отсутствии смазки) ü бесшумность ü хорошо демпфируют колебания ü легче и проще в изготовлении ü способны работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазке НЕДОСТАТКИ ü большие потери на трение для подшипников, работающих в условиях граничного и полужидкостного трения ü значительные габариты в осевом направлении ü сравнительная сложность конструкции и высокие требования к смазке для подшипников, работающих в условиях жидкостного трения ü не обеспечена взаимозаменяемость, отсутствует стандартизация ü необходимость применения цветных металлов
Примеры использования (сепараторы, центрифуги, газовые турбины, шлифовальные станки, водяные насосы, гребные винты судов, двигатели внутреннего сгорания и т. д.).
ТРЕБОВАНИЯ К ПОДШИПНИКОВЫМ МАТЕРИАЛАМ И ЦАПФАМ МАТЕРИАЛЫ ПОДШИПНИКОВ ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ: Ø малый коэффициент трения Ø высокую износостойкость и сопротивление усталости Ø хорошую теплопроводность Ø прирабатываемость Ø смачиваемость маслом Ø коррозионную стойкость Ø обрабатываемость Ø низкий коэффициент линейного расширения Ø низкую стоимость Применяется большое количество различных антифрикционных материалов ЦАПФЫ (как правило стальные) Ø должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность.
ПОДШИПНИКОВЫНЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТАЛЬНЫЕ баббиты бронзы сплавы на цинковой основе сплавы на алюминиевой основе антифрикционные чугуны МЕТАЛЛО- НЕМЕТАЛ-ЛИЧЕСКИЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ бронзографитовые железографитовые пластмассы древесные пластики резина графитовые материалы
ПРИМЕРЫ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Подшипник листового прокатного стана с вкладышем из древесины: 1 – корпус подшипника; 2 – вкладыш из прессованной древесины; 3 – боковые пластины Подшипник из полиамида: 1 – металлическая втулка; 2 – трубка из полиамида; 3 – зазор; 4 – упругие кольца Резиновый вкладыш из материала на основе термореактивной армированной резины холодной вулканизации, насыщенной графитом или дусильфидом молибдена.
СХЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ ПОДШИПНИКОВ а – лимонная форма расточки вкладышей; б – сборка со взаимным смещением вкладышей.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Важнейшие эксплуатационные характеристики опор скольжения – несущая способность и потери на трение. 1 – область граничного трения. Соответствует высоким нагрузкам, малым скоростям скольжения, f = 0, 1… 0, 2; 2 – область полужидкостного трения, трущиеся поверхности частично касаются друга; 3 – область жидкостного трения, трущиеся поверхности не касаются друга.
СХЕМА ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА 1 – дроссели (дозирующее отверстие); 2 – карманы во вкладышах. Дроссель примерно вдвое снижает давление масла, поступающего в карман, чем обеспечивается устойчивость цапфы в подшипнике
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ: Ø износ рабочих поверхностей (основная причина выхода из строя) Ø схватывание рабочих поверхностей Ø усталостные разрушения при циклически действующих нагрузках (машины ударного, вибрационного действия) Ø выплавление заливки вкладыша Ø заклинивание вала в подшипнике КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ Ø износостойкость Ø сопротивление усталости антифрикционного материала при переменной нагрузке Ø теплостойкость Ø виброустойчивость
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ШИПА Fr Fr Проектируя все силы на направление внешней нагрузки, получаем
ПРОВЕРКА ПОДШИПНИКА ПО УСЛОВИЮ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ Принимается допущение, что вся работа сил трения на трущихся поверхностях преобразуется в тепло. В этом случае удельная работа сил трения не должна превышать определенного предела При установившемся движении f теплостойкости будет обеспечено при = const условие
ПРОВЕРКА ПОДШИПНИКА ПО УСЛОВИЮ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ Считают, что элементарная работа сил трения одинакова для всех точек опорной поверхности пяты Эта гипотеза предполагает резко неравномерный характер распределения давления на опорной поверхности пяты со значительным повышением его в центре Применение кольцевых пят позволяет равномерное распределение давления. обеспечить более
Валы, оси и опоры
К атегория:
Слесарно-механосборочные работы
Валы, оси и опоры
Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты.
Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.
Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).
Рис. 1. Валы, оси и опоры: а - вал на опорах; 6 - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип, 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, J - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок
Цапфы- опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.
Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята- осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.
Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.
Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.
Подшипники принимают радиальную нагрузку, а под-пятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.
4.1 Оси и валы .
В современных механизмах наиболее широко используется вращательное движение, которое поддерживается в установившемся режиме неограниченное время. Все движители, находящиеся во вращении, осуществляют это движение вокруг некоторых геометрических осей. Теоретические оси воплощаются на практике в валы и оси. По условиям изготовления и монтажа длину осей и валов во многих случаях ограничивают, составляя их из отдельных отрезков, соединенных между собой с помощью соединительных муфт.
Оси и валы, несущие вращающие детали, должны опираться своими специально приспособленными для этого участками – цапфами (шипами) и пятами – на опорные устройства – подшипники и подпятники. Цапфы предназначены для восприятия радиальной, а пяты осевой нагрузок.
Оси предназначаются только для направления движения и поддержания неподвижно, или свободно посаженных на них деталей и не передают крутящего момента от одной детали к другой. В связи с этим оси могут выполняться как вращающимися, так и неподвижными
и воспринимать лишь поперечные (изгибающие), продольные (растягивающие и сжимающие) нагрузки.
Оси и валы для обеспечения для обеспечения достаточной прочности при минимальной массе выполняются ступенчатой формы.
Такая форма приближается к форме тела с разными сопротивлениями изгибу. Гладкие оси и валы нашли свое применение, вследствие простоты изготовления, их используют там, где на сопрягаемые с ними детали не действуют большие осевые нагрузки. Бывают такие валы коленчатые.
Для уменьшения массы и габаритных размеров длину валов и осей ограничивают. Для уменьшения массы валы изготавливают полыми. Это не приводит к резкому снижению прочности осей и валов, если соотношение между внутренним и наружным диаметром. . Так при масса металла уменьшается примерно на 40%, с момента сопротивления, лишь на 15%. Применение полых осей и валов в ряде случаев позволяет использовать полость для монтажа электропроводов, пропуска жидкости, газов и т. п. Конструкции ступенчатых валов и осей весьма разнообразны. Выбор рациональной формы вала зависит от типа опор вращения, типа деталей насаживаемых на вал последовательности сборки и характера действующих сил. Основными критериями надежной работы валов и осей является жесткость и прочность. Для нахождения минимальных размеров вала, обеспечивающих достаточную прочность и жесткость, составляет расчетную схему. При этом вал рассматривают как балку, лежащую на шарнирных опорах и, нагруженную силами, действующими на закрепленную на ней детали. Условно считают, что сила, от детали, посаженной на вал, передается как сосредоточенная сила, приложенная посередине приложенных элементов (шпонки, штифты и т. п.). Силы реакции в опорах приложенные посередине шарикоподшипника и на расстоянии (0.2 + 0.35)l, в подшипнике скольжения (l – длина уапфы). Рассмотрим схему нагрузок и опорных реакций, а также эпюры изгибающих и вращательных моментов, действующих на вал, на котором закреплены цилиндрическое косозубое и коническое зубчатые колеса.
Эпюры изгибающих моментов от составляющих нагрузок строятся в каждой плоскости осидально, и по ним находят эпюру результирующих моментов. Предварительный расчет валов выполняют с учетом условий прочности на кручение по пониженным допустимым напряжениям
Отпуск диаметра вала
Где = 10…30 МПа условное (пониженное) допустимое напряжение на кручение
Основной расчет валов на кручение и изгиб выполняют по эквивалентному моменту. Эквивалентное нормальное напряжение для валов
Опоры.
Устройства, которые обеспечивают движение одной детали относительно другой в определенном направлении - называются направляющими.
В соответствие с двумя простейшими видами движения (вращательным и поступательным) все направляющие можно разделить на направляющие для вращательного движения и направляющие для поступательного движения. Направляющие для вращательного движения называются опорами. В зависимости от вида трения направляющие могут работать с трением скольжения, качения и упругости. Для опор вращательного движения иногда используют трение о воздух или жидкость. Направляющие в точной механике должны удовлетворять следующим основным требованиям:
Иметь минимальные силы трения и износа
Обладать минимальными зазорами обеспечивающим наибольшую точность перемещения
Быть надежными в работе в широком интервале температур
Иметь плавный ход при передаче рабочего усилия
Расчет направляющих в приборостроении подводиться, прежде всего, на трение ввиду незначительных передаваемых усилий, при необходимости на прочность, износ нагревание.
Опоры для вращательного движения выполняются из двух деталей, образующих вращательную кинематическую пару – уапфы и подшипника, который часто делают виде втулки. Опоры должны предусматривать фиксацию осей либо уапфы от осевых и радиальных перемещения. Опоры вращательного движения в зависимости от вида трения можно разделить на опоры трения скольжения, качения и упругости. К специальным опорам можно отнести воздушные, жидкостные и магнитные. В зависимости от направления сил реакции возникающих в опорных узлах, опоры разделяются на подшипники (нагруженными поперечными силами) и по форме контактных деталей – на цилиндрические, конические, сферические. В зависимости от положения в пространстве и характера воспринимаемой нагрузки цилиндрические опоры делятся на горизонтальные, вертикальные, радиально – упорные и упорные.
Пусть на цапфу действует нагрузка в виде вертикальной силы Q. Момент трения для новой непроработанной цапфы для прираб.
Для твердого материала без смазки
Уапфы, диаметр которых больше 1мм рассчитывают по общим формулам сопротивления материалов
При проектном расчете определяют необходимый диаметр уапфы, задавая Q. Положив коэффициент длины уапфы
Коэффициент длины уапфы характеризует условия эксплуатации опоры. может колебаться в пределах
Также необходима проверка на критическую температуру работы опор
Где - угловая скорость вращения уапфы – рад/с
V - ее окружная скорость м/c
Для повышения прочности цапф, особенно в условиях вибраций применяют уапфы с параболическим пропилом. Прочность параболической уапфы почти в 10 раз превосходит обычную, показанную штрих пунктиром. Для подвижной уапфы ее подшипник делают неподвижным, либо в виде цилиндрического отверстия непосредственно в самой стойке, либо в виде отдельной втулки.
Цилиндрические опоры скольжения, воспринимающие осевые нагрузки, называются подпятниками или упорными подшипниками, форма и размер подпятников зависит от действующей нагрузки, скорости относительного скольжения и допустимого момента трения. Сплошная пята воспринимает значительные осевые нагрузки Q и работает при малых скоростях скольжения. Основным недостатком сплошной пяты является неравномерный износ в виду больших перепадов скоростей на ее поверхности, это приводит к увеличению в средней зоне давления, поэтому при значительных скоростях используют кольцевую пяту, износ которой наиболее равномерен. Во многих приборах с целью уменьшения трения применяют пяту со сферической поверхностью
Размеры опорных поверхностей из условий выдавливания смазочного материала.
Для сплошной пяты
Для кольцевой
Момент трения в сплошной пяте
Для кольцевой
Для сферической пяты момент трения
Недостатком сферических опор является невозможность точного центрирования оси, вследствие гарантированного радиального зазора. Конические опоры могут воспринимать одновременно как радиальные, так и осевые нагрузки. По сравнению с цилиндрическими опорами, они более износостойкие, так как имеют большую рабочую поверхность. Они сложны в изготовлении и требуют индивидуальной притирки. Их делают обычно с двумя полосками, и они являются самоустанавливающимися. Моменты трения в конических опорах значительно больше, чем в цилиндрических и определяются углом .
Опоры на центрах . Являются разновидностью конических опор. Их выполняют в виде двухсторонних сопряжений, конических уапф (центров) с подшипниками, имеющими раззенкованные цилиндрические отверстия.
Контакт между трущимися деталями происходит по коническим поверхностям с малой длиной образующей, поэтому такие опоры могут воспринимать малые нагрузки (обычно 5…10 Н) и работать при малых частотах вращения.
Опоры на центрах являются направляющими, в которых можно регулировать как осевые, так и радиальные зазоры.
Момент трения зависит от угла при вершине конуса уапфы втулки принимают - угол при вершине конуса и 90 втулке.
Шаровыми опорами называются опоры, рабочая поверхность которых представляет пояс шаровой формы. Эти опоры применяют, когда в процессе работы или регулировки механизма подвижная система кроме вращения вокруг оси, может поворачиваться вокруг опорного узла на некоторый угол.
Шаровые опоры позволяют точно фиксировать положение оси. Однако они быстро изнашиваются. Применяют при низкой частоте вращения, при действии на опору только радиальной силы Р, момент трения
В качестве подушечек используются каменные подшипники, изготовленные из рубина, корунда или агата. Кери изготавливают из стали марок У8А – У10А или кабальто-вольфрамового сплава. Твердость HRC – 55…60, полировка.
Ножевые опоры относятся к опорам трения качения. Их применяют в приборах, подвижная система которых находиться в колебательном движении с углом поворота не более +-(8-10). Деталями являются нож с рабочей кромкой, представляющую цилиндрическую поверхность, весьма малого радиуса, и подушечка, опорная поверхность которой может иметь призматическую, цилиндрическую и плоскую поверхность. Наибольшее распространение получил ножевой треугольный профиль с углом при вершине 60 или 45(для стальных ножей) и 60-120 (для ножей из агата).
При колебаниях поиска его рабочая кромка переламывается по поверхность подушки. Чем меньше радиус закругления, тем с большей точностью можно считать, что трение возникающее в опоре, является трением качения. Наибольшие распространение получили подушки призматической формы. Они просты в изготовлении по сравнению с цилиндрическими и сами обеспечивают центрирование.
Опоры валов и осей. Классификация подшипников
Подшипники бывают: 1) подшипники скольжения; 2) подшипники качения.
Подшипники скольжения
Подшипник скольжения является парой вращения, он состоит из опорного участка вала (цапфы) 1 и соответственно подшипника 2, в котором скользит цапфа (рис. 5.1).
Подшипники качения.
Общая характеристика.
Основные конструкции
Подшипники качения являются основным видом опор вращающихся (качающихся) деталей. Подшипник состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колен, между которыми расположены тела качения 3. Для предохранения тел качения от соприкосновения между собой их отделяют друг от друга сепаратором 4, который существенно уменьшает потери на трение (рис. 5.2).
Подшипники качения стандартизованы, их изготовляют в условиях высокоспециализированного массового производства подшипниковые заводы. Поэтому инженеру крайне редко приходится проектировать подшипники качения. Несравненно чаще требуется подобрать подшипник для узла опоры, спроектировать корпус опоры, обеспечивая технологичность, контроле- и ремонтопригодность узла, а также оценить остаточную долговечность подшипника при модернизации или
форсировании режима работы оборудования.
Классификация. Подшипники качения классифицируют по ниже перечисленным признакам.
I. По форме тел качения подразделяют на:
шариковые;
роликовые: с короткими цилиндрическими, коническими, бочкообразными, игольчатыми и витыми роликами.
Рис . 5.2. Шарикоподшипники
Рис . 5.3. Роликоподшипники
II. По направлению воспринимаемых относительно оси вала сил разделяют на типы:
радиальные (рис.5.2 а, 5.3 а), воспринимающие преимущественно радиальные нагрузки, действующие перпендикулярно оси вращения подшипника;
радиально-упорные (рис.5.2 б, 5.3 б), воспринимающие одновременно действующие радиальные и осевые нагрузки;
упорно-радиальные , воспринимающие осевые нагрузки при одновременном действии незначительной радиальной нагрузки;
упорные, воспринимающие только осевые силы.
Ш. По способности самоустановки подразделяют на несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся, допускающие поворот оси внутреннего кольца по отношению к оси наружного кольца.
IV. По числу рядов тел качения, расположенных по ширине, делят
не однородные (рие.5.2; 5.3). двухрядные, четырехрядные и многорядные.
Основными потребительскими (внешними) характеристиками подшипников являются грузоподъемность, быстроходность, масса, габариты, потери энергии.
Подшипники одного и того же диаметра отверстия подразделяют по наружному диаметру и ширине на серии: сверхлегкую, особо легкую , легкую, легкую широкую, среднюю, среднюю широкую и тяжелую.
Для особо высокой частоты вращения и легких нагрузок целесообразно использовать подшипники сверхлегкой и особо легкой серий. Для восприятия повышенных и тяжелых нагрузок при высокой частоте вращения используют подшипники легкой серии, а при недостаточной их грузоподъемности размещают в одной опоре по два подшипника.
Кроме стандартных подшипников, по специальному обоснованию изготовляют особые подшипники.
Достоинства и недостатки подшипников. Подшипники качения имеют ряд достоинств по сравнению с подшипниками скольжения: меньшие (в 2-3 раза) осевые размеры; меньшее трение и сопротивление пуску под нагрузкой и вращению при небольших и средних частотах вращения, постоянство сопротивления вращению; простоту технического обслуживания и подачи смазочного материала; низкую стоимость и взаимозаменяемость.
Недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения следующие: большие радиальные размеры; малая радиальная жесткость и, как следствие, склонность к возникновению колебаний вала из-за ритмичного прокатывания через нагруженную зону опоры; более сложный монтаж; большее сопротивление вращении (из-за трения между телами качения, кольцами, сепаратором и гидравлических потерь) при высоких частотах вращения и, как следствие, низкая долговечность (из-за перегрева).
Промышленность изготовляет подшипники качения пяти классов точности: 0, 6; 5; 4 и 2. Обозначения даны в порядке повышения точности, определяемой допусками на изготовление элементов, а также нормами плавности вращения (хода).
Основные размеры подшипников установлены ГОСТ 3478-79 (СТ СЭВ 402-76). В них входят: внутренний d и наружный D диаметры, ширина B (высота Н ) и радиус r фасок колец.
Материалы деталей подшипников. Кольца и тела качения подшипников изготовляют в основном из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15 и ШХ15СГ, ШХ20СГ, а также цементуемых легированных сталей 18ХГТ, 20Х2Н4А и др. При рабочей температуре до 100 °С тела качения и кольца имеют обычно твердость 60-64 HRC, шарики – 62-65 HRC.
Кольца и тела качения подшипников, работающих при повышенных температурах (до 500 °С), в агрессивных средах, изготовляют из жаропрочных и коррозионно-стойких сталей.
Сепараторы подшипников подвержены интенсивному изнашиванию из-за трения скольжения с телами качения и кольцами, поэтому сепараторы изготовляют из антифрикционных материалов. Сепараторы массовых подшипников изготовляют штамповкой из мягкой углеродистой стали, обладающей неплохими антифрикционными свойствами. Сепараторы высокоскоростных подшипников выполняют массивными из текстолита, фторопласта, дуралюмина, латуни и бронзы (материалы перечислены в порядке увеличения быстроходности подшипника) .
Основные типы подшипников и их характеристики приведены в справочниках.
4.1. Валы и оси. Назначение, типы валов и осей и их формы поперченных сечений.
Оси и валы
В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей. Валы и оси в большинстве случаев имеют форму тел вращения.
Вращающиеся детали и поддерживающие их валы обычно жестко соединены посадками с натягом, шпонками, шлицами и т. п., поэтому валы могут быть только вращающимися, при этом они всегда передают вращающий момент и подвержены кручению.
На осях вращающиеся детали могут быть либо закреплены неподвижно, например, с помощью посадок с натягом, и тогда оси должны вращаться, либо установлены свободно, например, по посадке с зазором, на подшипниках качения и т. п., и тогда оси могут быть неподвижными; в любом случае оси не передают вращающий момент и их можно рассматривать как частную разновидность валов, не подверженных кручению.
Ось - это брус круглого или фасонного сечения, используемый для поддержания закрепленных на нем вращающихся деталей . При этом сама ось может быть как неподвижной, так и вращающейся. На ось действуют только изгибающие нагрузки.
Вал - это ось, предназначенная не только для поддержания деталей, но и для передачи крутящего момента .
По назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.
Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты.
Валы по форме геометрической оси разделяют на прямые (рис. 83, а, б, в, г, д, е) и коленчатые (рис. 83, ж). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала) или наоборот. Особую группу представляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, их применяют для привода механизированного инструмента, в зубоврачебных бормашинах и т. п.
Оси (детали) имеют прямую геометрическую ось. Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным, и не рассмотрены в настоящем курсе.
Рис. 83. Основные типы валов и осей.
Наиболее распространены прямые валы и оси; они могут быть постоянного диаметра (рис. 83, а, б ) или ступенчатыми (рис. 83, в, г, д, е). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.
Форма валов и осей по длине определяется распределением действующих сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию равнопрочности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 83, в).
В поперечном сечений валы и оси могут быть сплошными (рис. 84, а ) или полыми (рис. 84, б), а по форме сечения - цилиндрическими (рис. 84, а, б), со шпоночными (рис. 84, в ) или шлицевыми (рис. 84, г )канавками, а также профильными (рис. 84, д ).
Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75, масса полого вала будет меньше почти в 1,5 раза.
Рис. 84. Формы поперечных сечений валов и осей.
Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами или шипами. Цапфы (шейки) валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют: цилиндрическими (рис. 85, а, б )или коническими (рис. 85, в ). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму е закругленным переходом (галтелью) и с заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 85, а ). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см. рис. 85, б ).
Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 86, а ). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника на валу или оси дополнительно предусматривают гайки (рис. 86, б ), стопорные пружинные кольца, устанавливаемые в кольцевые канавки (рис. 86, в ), и др.
Рис. 85. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения. Рис. 86. Цапфы валов и осей под подшипники качения.
Участки валов и осей под посадку ступиц деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяют для концевых участков валов.
Большое влияние на прочность, выносливость, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров; Галтели должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода - галтели постоянного радиуса (рис. 87, а ); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,ld (d - диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны ρ (рис. 87, в ).Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений служит также применение разгрузочных выточек (рис. 87, а ).Канавку (рис. 87, г ) шириной 3-5 мм и глубиной 0,25-0,5 мм, удобную для выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, используют в случае, когда определяющей является не усталостная прочность, а жесткость валов.
Рис. 87. Переходные участки валов и осей.
Наряду с концентрацией напряжений, вызванной геометрическими очертаниями деталей, на усталостную прочность влияет качество поверхностного слоя, т. е. микро-геометрия, как следствие механической обработки, и структурное состояние поверхностного слоя. Повышение усталостной прочности валов и осей достигается упрочнением материала посредством термической или химико-термической обработки, пластическим упрочнением (обкаткой роликами, обдувкой дробью), в результате которого в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, а также шлифованием, полированием и, другими методами.
Осевые нагрузки на валы от насаженных на них, деталей передаются следующими способами:
значительные нагрузки - упором деталей в уступы (буртики, заплечики) на валу или, оси (рис, 88, а ) или посадкой деталей с соответствующим натягом (рис. 88, б );
средние нагрузки - гайками (см. рис. 88, б и88, в) или штифтами (рис. 88, г ), а также выше перечисленными способам;
легкие нагрузки -стопорными винтами (рис. 88, д )стопорными пружинными кольцами (рис. 86, в и 88, е ) и др.
Рис. 88. Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах и осях.
Основными материалами, для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГГ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закалке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) с низким отпуском.
Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или из азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.
Валы, работающие в коррозионной среде, изготовляют из нержавеющих сталей, титановых сплавов.
Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.
Прямые стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготовляют из проката; валы большего диаметра и сложной формы - из поковок. Полые валы целесообразно изготовлять из стальных труб стандартных размеров или из специально заказываемого недоката труб (с утолщенными стенками).
Валы и оси обычно подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей (цапф, шеек, шипов) или шлифованию по всей поверхности (высоконапряженные валы).
В последнее время появилась конструкция полых валов из композитных материалов, получаемых намоткой.
Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.
4.2. Подшипники. Назначение и классификация. Подшипники скольжения: типы, области применения, достоинства и недостатки. Подшипники качения: классификация, их характеристики, области применения, достоинства и недостатки.
Подшипники
Подшипник - техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.
Опора с упорным подшипником называется подпятником .
По направлению воспринимаемых нагрузок подшипник разделяют на радиальные (для восприятия нагрузок, перпендикулярных к оси вала), упорные (для восприятия нагрузок, направленных по оси вала), а также радиально-упорные (для восприятия комбинированных, преимущественно радиальных нагрузок; реже применяют упорно-радиальные - преимущественно для восприятия осевых нагрузок). По виду трения различают подшипники качения (получили наибольшее распространение) и подшипники скольжения
Основные типы подшипников, которые применяются в машиностроении:
· подшипники качения;
· подшипники скольжения;
· газодинамические подшипники;
· гидростатические подшипники;
· магнитные подшипники.
Подшипник скольжения
Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа (опорная поверхность вала) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) (рис. 90). Для уменьшения сил трения и износа подшипники смазывают. Основное применение имеют жидкие смазочные материалы, особенно при больших нагрузках и скоростях. Газообразные смазочные материалы (главным образом воздух) применяют для высокоскоростных опор. Для тихоходных опор используют пластичные смазочные материалы. Для подшипников, работающих, в экстремальных условиях, применяют самосмазывающиеся материалы, т. е. материалы, которые содержат компоненты или покрытия, обеспечивающие смазывание.
По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения подразделяют, на две группы; радиальные и упорные (осевые). При совместном действии радиальных и осевых нагрузок применяют совмещенные опоры, в которых осевую нагрузку воспринимают торцы вкладышей (рис. 91) или специальные гребни.
По принципу образования подъемной силы в масляном слое подшипники делят на гидродинамические и гидростатические . Для разделения трущихся поверхностей слоем смазочного материала в нем необходимо создать избыточное давление. В гидродинамических подшипниках это давление возникает только при относительном движении поверхностей вследствие затягивания масла в клиновой зазор. В гидростатических подшипниках давление создается насосом. Основное распространение получили подшипники с гидродинамической смазкой как наиболее простые.
Подшипники скольжения применяют преимущественно в тех областях, в которых нецелесообразно или невозможно использовать подшипники качения:
при ударных и вибрационных нагрузках (используется хорошая демпфирующая способность масляного слоя);
при особо высоких частотах вращения;
для точных опор с постоянной жесткостью;
для опор с малыми радиальными размерами;
для разъемных опор;
для особо крупных и миниатюрных опор;
при работе в экстремальных условиях (высокие температуры, абразивные и агрессивные среды);
для неответственных и редко работающих механизмов.
Подшипники скольжения легче и проще в изготовлении, чем подшипники качения, бесшумны, обладают постоянной жесткостью и способностью работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазки, хорошо демпфируют колебания.
К недостаткам подшипников скольжения можно отнести сложность системы смазки для обеспечения жидкостного трения, необходимость применения цветных металлов, повышенные пусковые моменты и увеличенные размеры в осевом направлении. При работе с жидкими и пластичными смазочными материалами температура подшипника не может превышать 150 °С. Однако некоторые самосмазывающиеся материалы допускают работу при температурах до 700 °С.
Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, в тяжелых редукторах и других машинах.
Рис. 90. Радиальный подшипник скольжения: Рис. 91. Радиально-упорный
1 - корпус; 2 - вкладыш; 3 - отверстие для подачи подшипник скольжения
смазочного материала; 4 - цапфа; 5 - маслораздаточная канавка
Подшипник скольжения (см. рис. 90) содержит корпус 1, вкладыш 2 , смазывающие и защитные устройства. Корпус подшипника цельный или разъемный изготовляют как отдельную деталь либо деталь, присоединяемую к машине. Иногда корпус подшипника выполняют встроенным, т. е. как одно целое с корпусом машины или подвижной деталью (например, с шатуном). Вкладыши используют для того, чтобы не выполнять весь корпус из дорогих антифрикционных материалов. После износа вкладыши заменяют. В массовом производстве вкладыши штампуют из ленты с нанесенным на нее антифрикционным материалом, В мелкосерийном и единичном производстве применяют сплошные или разъемные втулки, а также биметаллические вкладыши, в которых тонкий слой антифрикционного материала наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу. Для распределения смазочного материала, поступающего из канала 3, по рабочей поверхности цапфы 4 вкладыши снабжают смазочными канавками 5. Канавки располагают в ненагруженной зоне и часто совмещают с разъемом.
Износ рабочих поверхностей является основной причиной выхода из строя подшипников скольжения. Абразивное изнашивание связано с попаданием в смазочный материал абразивных частиц с размерами больше толщины масляного слоя и работой подшипника при неблагоприятных режимах трения в периоды пусков и остановок. При действии больших контактных давлений и температур возможно схватывание рабочих поверхностей подшипника.
Усталостные разрушения подшипников возникают при циклически действующих нагрузках, например, в поршневых машинах, машинах ударного и вибрационного действия. Значительное повышение температуры приводит к недопустимым изменениям необходимых свойств смазочных материалов, а иногда к выплавлению заливки вкладыша или заклиниванию вала в подшипнике. Разрушения подшипников могут быть также связаны с потерей устойчивости вращения цапфы при самовозбуждающихся колебаниях (автоколебаниях).
Подшипниковые материалы должны обеспечивать низкое значение коэффициента трения, высокую износостойкость и сопротивление усталости. Дополнительными требованиями являются хорошая теплопроводность, прирабатываемость, смачиваемость маслом, коррозионная стойкость и обрабатываемость, низкий коэффициент линейного расширения и низкая стоимость. Ни один из известных материалов одновременно всеми этими свойствами не обладает. Поэтому в технике применяют большое количество различных антифрикционных материалов, наилучшим образом отвечающих конкретным условиям.
Валы и оси, как правило, стальные, реже из высокопрочного чугуна, например, коленчатый вал двигателей ГАЗ. Цапфы должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность, чтобы выдержать несколько замен более дешевых, чем вал, вкладышей. Материалы вкладышей можно разделить на три группы: металлические материалы, металлокерамические и неметаллические.
Металлические материалы . Сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди и других элементов, называемые баббитами (по имени американского изобретателя Баббита), обладают высокими антифрикционными качествами, хорошей прирабатываемостью, но дороги и имеют относительно невысокое сопротивление усталости. Их применяют в качестве тонкослойных покрытий или в качестве заливки. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы и латуни (сплавы на основе меди), алюминиевые и цинковые сплавы. В паре с закаленной цапфой при наличии хорошей смазки применяют антифрикционные чугуны.
Металлокерамические материалы .Пористые бронзографитовые и железографитовые материалы, получаемые методом порошковой металлургии, пропитывают горячим маслом и применяют в условиях, в которых невозможно обеспечить надежную жидкостную смазку. При небольших давлениях и скоростях эти материалы способны достаточно долго работать без внешнего подвода смазочного материала.
Неметаллические материалы. В качестве вкладышей применяют пластмассы, резину, графитовые материалы и прессованную древесину. Текстолит, ДСП (древесно-слоистый пластик) и прессованную древесину используют в подшипниках для тяжелого машиностроения. Полимерные самосмазывающиеся материалы на основе полиамидов, полиацетилена, политетрафторэтилена и различных смол используют для подшипников, работающих в температурном диапазоне −200...+280 °С при значительных скоростях скольжения. Фторопласты (полимеры и сополимеры галогенопроизводных, этилена и пропилена) обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической инертностью, но высоким коэффициентом линейного расширения и низким коэффициентом теплопроводности. Подшипники с резиновыми вкладышами хорошо работают с водяной смазкой.
В экстремальных условиях используют графитовые вкладыши, которые обладают низким коэффициентом трения (f = 0,04...0,05) в температурном диапазоне от −200 до + 1000°C, хорошей теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Эти материалы применяют в подшипниках с газовой смазкой, где они могут работать без смазочного материала в периоды пусков и остановок.
Основными критериями работоспособности подшипников являются износостойкость, сопротивление усталости антифрикционного слоя, теплостойкость и виброустойчивост ь.
Подшипники скольжения должны работать со смазочным материалом. Наилучшие условия для работы подшипников создаются при жидкостной смазке, когда осуществляется полное разделение трущихся поверхностей жидким смазочным материалом с объемными свойствами. При граничной смазке трение и износ определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. При полужидкостной смазке частично осуществляется жидкостная смазка. Основной расчет подшипников скольжения - это расчет минимальной толщины масляного слоя, который при установившемся режиме работы должен обеспечивать жидкостную смазку. Тепловые расчеты проводят для определения рабочих температур подшипника. В ряде случаев проверяют подшипник на виброустойчивость путем решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Расчеты по критерию износостойкости из-за сложности пока не нашли широкого применения.
Условные расчеты позволяют в простейшей форме оценить пригодность выбранного материала и размеров подшипника для конкретных условий работы на основании опыта конструирования и эксплуатации машин. Режим работы считают допустимым, если выполнены условия, которые ограничивают износ и тепловыделение:
р m = F r / (dl ) £ [p ]; p m v £[pv ]; v £ [v ]; t £ [ t ],
- диаметр цапфы; l - длина подшипника; v - окружная скорость цапфы; р m - среднее условное давление в подшипнике; t - температура подшипника.Этот расчет обычно используют как основной для подшипников с полужидкостной смазкой и как предварительный для подшипников с жидкостной смазкой. В табл. 14 приведены допускаемые значения [р ], [v ] и [pv ]для некоторых подшипниковых материалов.
Таблица 14.
Допускаемые режимы работы для подшипниковых материалов
Загрузка...