| СОДЕРЖАНИЕ | СЛЕДУЮЩИЙ РАЗДЕЛ |
Тема 11. Опоры. Подшипники скольжения
Тема 11.1. Опоры. Подшипники скольженияТема 11.2. Oпоры. Подшипники качения
Тема 11.1. Опоры. Подшипники скольжения
В результате изучения студент должен знать:
- классификацию подшипников;
- достоинства и недостатки;
- материалы подшипников скольжения;
- критерии работоспособности подшипников скольжения.
Содержание лекции
Общие сведения
Разновидности подшипников
Конструкции подшипников скольжения
Достоинства и недостатки подшипников скольжения
Принцип работы подшипника скольжения
Материалы вкладышей
Смазочные материалы
Виды разрушения вкладышей
Критерии работоспособности. Условный расчет подшипников скольжения
Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется подпятником, а подшипник носит название упорного. Подшипники вращающихся осей некоторых транспортных средств с преобладающей вертикальной нагрузкой называют буксами.
1) подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности,
2) подшипники качения, в которых между поверхностью вращения детали и опорной поверхностью расположены тела качения.
Подшипники скольжения применяют в высокоскоростных машинах (центрифуги, шлифовальные станки и др.), когда долговечность подшипников качения резко сокращается;
для валов, например коленчатых, когда по условиям сборки требуются разъёмные подшипники;
при работе в химически агрессивных средах и воде, в которых
подшипники качения неработоспособны;
для валов, воспринимающих ударные и вибрационные нагрузки; при близко расположенных валах, когда требуются малые радиальные размеры подшипников;
в тихоходных малоответственных механизмах и машинах.
Конструкции подшипников скольжения
Подшипник состоит из корпуса 1, вкладышей 2, смазывающих устройств 3 (рис.3.2.1.а).
Основным элементом подшипника скольжения является вкладыш, который устанавливают в корпусе подшипника или непосредственно в в станине или раме машины (рис.3.2.1.б).
Подшипники скольжения делятся на разъемные рис.3.2.1.а и неразъемные (глухие) рис.3.2.1.б. Разъемные подшипники нашли большее применение в машиностроении, так как облегчают монтаж валов. При большой длине цапф применяют самоустанавливающиеся подшипники рис.3.2.2.
При вертикально расположенных валах подшипники скольжения используются в качестве подпятника рис. 3.2.3.
1. Надежно работают в высокоскоростных приводах.
2. Способны воспринимать большие ударные и вибрационные нагрузки.
3. Бесшумность работы.
4. Сравнительно малые радиальные размеры.
5. Разъемные подшипники допускают установку на шейки коленчатых валов.
6. Простота конструкции.
7. Для тихоходных машин могут иметь весь¬ма простую конструкцию.
1. В процессе работы требуют постоянного надзора из-за высоких требований к смазыванию и опасности перегрева; перерыв в подаче смазочного материала ведет к выходу из строя подшипника.
2. Имеют сравнительно большие осевые размеры.
3. Значительные потери на трение в период пуска и при несовершенной смазке.
4. Большой расход смазочного материала.
В подшипниках скольжения может быть полужидкостная и жидкостная смазка, переходящая последовательно одна в другую по мере возрастания угловой скорости вала от нуля до определенного значения.
Вращающийся вал увлекает смазочный материал в клиновой зазор между цапфой и вкладышем и создает гидродинамическую подъемную силу, вследствие которой цапфа всплывает по мере увеличения скорости рис. 3.2.4.
В период пуска, когда скорость скольжения мала, большая часть поверхности трения разделена тонкой масляной пленкой. При увеличении скорости цапфа всплывает и толщина смазываю¬щего слоя увеличивается, но отдельные выступы трущихся повер¬хностей остаются не разделенными смазочным материалом. Смазка в этом случае будет полужидкостная.
При дальнейшем возрастании угловой скорости и соблюдении определенных условий (см. ниже) появляется сплошной устойчи¬вый слой масла, полностью разделяющий шероховатости поверхностей трения. Возникает жидкостная смазка, при которой изнашивание и заедание отсутствуют.
Материалы вкладышей подшипников должны иметь:
1. Достаточную износостойкость и высокую сопротивляемость заеданию в периоды отсутствия жидкостной смазки (пуск, торможение и др.). Изнашиванию должны подвергаться вкладыши, а не цапфа вала, так как замена вала значительно дороже вкладыша. Подшипник скольжения работает тем надежнее, чем выше твер¬дость цапфы вала. Цапфы, как правило, закаливают.
2. Высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок и достаточное сопротивление усталости. 3. Низкий коэффициент трения и высокую теплопроводность с малым расши-рением.
Вкладыши выполняют из следующих материалов:
1) Бронзовые вкладыши широко используют при средних скоростях и больших нагрузках. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные бронзы (БрО10Ф1, Бр05Ц5С5 и др.). Алюминиевые (БрАЭЖЗА и др.) и свинцовые (БрСЗО) бронзы вызывают повышенное изнашивание цапф валов, поэтому применяются в паре с закаленными цапфами. Свинцовые бронзы используют при знакопеременных ударных нагрузках.
2) Вкладыш с баббитовой заливкой применяют для ответственных подшипников при тяжелых и средних режимах работы (дизели, компрессоры и др.). Баббит является одним из лучших антифрикционных материалов для подшипников скольжения. Хорошо прирабатывается, стоек против заедания, но имеет невысокую прочность, поэтому баббит заливают лишь тонким слоем на рабочую поверхность стального, чугунного или бронзового вкладыша. Лучшими являются высокооловянные баббиты Б86, Б83.
3)Чугунные вкладыши без заливки применяют в неответственных тихоходных механизмах. Наибольшее применение получили антифрикционные чугуны АЧС-1
4) Металлокерамические вкладыши изготовляют прессованием и последующим спеканием порошков меди или железа с добавлением графита, олова или свинца. Особенностью этих материалов является большая пористость, которая используется для предварительного насыщения горячим маслом. Вкладыши, пропитанные маслом, могут долго работать без подвода смазочного материала. Их применяют в тихоходных механизмах в местах, труднодоступных для подвода масла.
5) Неметаллические материалы для вкладышей применяют антифрикционные самосмазывающие пластмассы (АСП), древеснослоистые пластики, твердые породы дерева, резину и др. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать при смазывании водой, что имеет существенное значение для подшипников гребных винтов, насосов, пищевых машин и т. п.
В массовом производстве вкладыши штампуют из стальной ленты, на которую нанесен тонкий антифрикционный слой (оловянные и свинцовые бронзы, баббиты, фторопласт, нейлон и др.).
Для уменьшения трения и изнашивания подшипники смазывают смазочными материалами, которые должны быть маслянистыми и вязкими. Маслянистостью называется способность смазочного материала образовывать на поверхности трения устойчивые адсорбированные пленки.
Вязкостью называется объемное свойство смазочного материала оказывать сопротивление относительному перемеще¬нию его слоев. В технических характеристиках масел указывают так называемую кинематическую вязкость — V в мм2/с, которая зависит от плотности. Эта вязкость приводится в справочной литературе при температурах, приближающихся к рабочим, чаще всего при 50 и 100 °С. Вязкость является важнейшим свойством масел, определяющим их смазывающую способность. Она существенно понижается с ростом температуры.
Смазочные материалы могут быть жидкими, пластичными (густыми), твердыми и газообразными.
Жидкие масла являются основным смазочным материалом. Они имеют низкий коэффициент внутреннего трения, их легко подавать к местам смазывания, они оказывают охлаждающее действие. Недостатком является вытекание масла из мест смазывания. Жидкие масла бывают органические и минеральные.
Органические масла — растительные (касторовое и др.) и животные (костный жир и др.) — обладают высокими смазывающими свойствами, но дефицитны и применяются в спе¬циальных случаях. Минеральные масла — продукты перегонки нефти — находят преимущественное применение для подшипников. К ним относят индустриальные масла различных марок, моторные и др.
Вода применяется для смазывания подшипников с вкладышами из дерева, резины и некоторых пластмасс.
Пластичный смазочный материал (мази) изготовляют путем загущения жидких минеральных масел мылами жирных кислот или углеводородами. К ним относятся солидолы, консталины и др. Эти мази хорошо заполняют зазоры, герметизируя узлы трения. Вязкость их мало меняется с изменением температуры. Применяются в подшипниках при малых скоростях скольже¬ния и ударных нагрузках.
Твердые смазочные материалы — графит, слюда и др.— прменяются в машинах, когда по условиям производства нельзя применить жидкие масла или мази (ткацкие станки, пищевые машины и др.).
Газообразные смазочные материалы — воздух, пары углеводородов и др.— применяются в малонагруженных подшипниках при очень большой угловой скорости вала (центрифуги, шпинде¬ли шлифовальные и др.).
Работа подшипников скольжения сопровождается абразивным изнашиванием вкладышей и цапф, заеданием и усталостным выкашиванием.
Абразивное изнашивание возникает вследствие попаданий со смазочным материалом абразивных частиц и неизбежной граничной смазки при пуске и останове.
Заедание возникает при перегреве подшипника, так как вследствие трения вкладыш и цапфа нагреваются. При установившемся режиме работы температура подшипника не должна превышать допускаемого значения для данного материала вкладыша и сорта масла. С повышением температуры понижается вязкость масла; масляная пленка местами разрывается, образуется металлический контакт с температурными пиками. Происходит заедание цапфы в подшипнике.
Усталостное выкашивание поверхности вкладышей происходит редко и встречается при пульсирующих нагрузках (в пошневых двигателях и т. п.).
Критерии работоспособности. Условный расчет подшипников скольжения
Основным критерием работопособности опор скольжения является износостойкость — сопротивление изнашиванию и заеданию.
Для оценки работоспособности и надежности подшипников, работающих в режиме несовершенной смазки служат среднее давление на трущихся поверхностях pm , удельная работа сил трения pm*
, где — окружная скорость поверхности цапфы.Расчет по среднему давлению гарантирует невыдавливаемость смазки, а расчет по удельной работе сил трения — нормальный тепловой режим и отсутствие заедания.
При этом должны соблюдаться условия:
где Rk — радиальная нагрузка на подшипник;
А — площадь проекции цапфы на диаметральную плоскость ( для шипа или шейки A=dl ),где d и l — диаметр и длина шипа (шейки), которые определяют при расчете и конструировании вала.
Тема 11.2. Oпоры. Подшипники качения
В результате изучения студент должен знать:
- классификацию подшипников качения;
- достоинства и недостатки;
- виды разрушений;
- критерии работоспособности подшипников скольжения;
- основы расчета и подбора подшипников качения.
Содержание лекции
Общие сведения
Достоинства подшипников качения
Недостатки подшипников качения
Классификация и маркировка подшипников качения
Основные типы подшипников качения
Материалы, применяемые для изготовления подшипников качения
Виды разрушения подшипников качения и критерии работоспособности
Расчет (подбор) подшипников качения на долговечность
Алгоритм расчета подшипников качения
Подшипники качения представляют собой готовый узел рис.3.2.5, основным элементом которого являются тела качения — шарики или ролики 3, установленные между кольцами 1 к 2 и удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга обоймой, называемой сепаратором 4. В процессе работы тела качения катятся по дорожкам качения колец, одно из которых в большинстве случаев неподвижно. Распределение нагрузки между несущими телами качения неравномерно и зависит от величины радиального зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей.
Подшипники качения широко распространены во всех отрас¬лях машиностроения. Они стандартизованы и изготовляются в массовом производстве на ряде крупных специализированных заводов.
1. Сравнительно малая стоимость вследствие массового производства подшипников.
2. Малые потери на трение и незначительный нагрев (потери на трение при пуске и установившемся режиме работы практически одинаковы).
3. Высокая степень взаимозаменяемости, что облегчает монтаж и ремонт машин.
4. Малый расход смазочного материала.
5. Не требуют особого внимания и ухода.
6. Малые осевые размеры.
1. Высокая чувствительность к ударным и вибра¬ционным нагрузкам вследствие большой жесткости конструкции подшипника.
2. Малонадежны в высокоскоростных приводах из-за чрезмерного нагрева и опасности разрушения сепаратора от действия центробежных сил.
3. Сравнительно большие радиаль¬ные размеры.
4. Шум при больших скоростях.
Подшипники качения классифицируют по следующим основ¬ным признакам:
1) по форме тел качения:
а) шариковые рис.3.2.6.а,
б) роликовые, причем последние могут быть с цилиндриче¬скими (рис.3.2.6.б), коническими (рис.3.2.6.в), бочкообразными (рис.3.2.6.г), игольчатыми (рис. 3.2.6.д) и витыми роликами (рис. 3.2.6.е);
2) по направлению воспринимаемой нагрузки:
а) радиаль¬ные,
б) радиально-упорные,
в) упорно-радиаль¬ные,
г) упорные;
3) по числу рядов тел качения:
а) однорядные,
б) многорядные.
4) по способности самоустанавливаться:
а) несамоустанавливающиеся,
б)самоустанавливающиеся (сферические);
5) по габаритным размерам — на серии: для каждого типа подшипника при одном и том же внутреннем диаметре имеются различные серии, отличающиеся размерами колец и тел качения.
(в зависимости от размера наружного диаметра подшипника серии бывают: сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние и тяжелые),
(в зависимости от ширины подшипника серии подразделяются на особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие).
Подшипники качения маркируют нанесением на торец колец ряда цифр и букв, условно обозначающих внутренний диаметр, серию, тип, конструктивные разновидности, класс точности и др.
Две первые цифры справа обозначают его внутренний диаметр. Для подшипников с размер внутреннего диаметра определяется умножением указанных двух цифр на 5. Третья цифра справа обозначает серию диаметров: особо легкая серия — 1, легкая — 2, средняя — 3, тяжелая — 4 и т. д.
Пятая или пятая и шестая цифры справа обозначают отклонение конструкции подшипника от основного типа. Например, подшипник 7309 основной конструкции пятой цифры в обозначении не имеет, а аналогичный подшипник с бортом клеймится 67309.
Седьмая цифра справа обозначает серию ширин.
Цифры 2, 4, 5 и 6, стоящие через тире впереди цифр у основного обозначения подшипника, указывают его класс точности. Нормальный класс точности обозначается цифрой 0, которая не проставляется. Сверхвысоким классом точности являeтся 2, а затем в порядке понижения точности следует 4, 5, 6 и 0. С переходом от класса 0 к классу 2 допуск радиального биения снижается в 5 раз, а стоимость увеличивается в 10 раз. Приведенный в качестве примера подшипник 7309 — нормального класса точности.
В условном обозначении подшипников могут быть дополни¬тельные знаки, характеризующие изменение металла деталей подшипника, специальные технологические требования и т. д.
Примеры обозначений подшипников: 211 —подшипник шариковый радиальный, легкой серии с внутренним диаметром, нормального класса точности; 6—405— подшипник ша¬риковый радиальный, шестого класса точности; 4—2208— подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами, легкой серии, четвертого класса точности.
Шариковый радиальный подшипник рис.3.2.7 самый распространенный в машиностроении. Он дешев, допуска¬ет перекос внутреннего кольца относительно наружного до 0 °10'. Предназначен для радиальной нагрузки. Желобчатые дорожки качения позволяют воспринимать осевую нагрузку. Обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях. При одинаковых габаритных размерах работает с меньшими потерями на трение и при большей угловой скорости вала, чем подшипники всех других конструкций.
Шариковый радиальный сферический подшипник рис.3.2.8 предназначен для радиальной нагрузки. Одновременно с радиальной нагрузкой может воспринимать небольшую осевую нагрузку и работать при значительном (до 2...3°) перекосе внутреннего кольца относительно наружного. Способность самоустанавливаться определяет область его применения.
Роликовый радиальный сферический подшипник рис.3.2.9 имеет ту же характеристику, что и шариковый сферический, но обладает наибольшей грузоподъемностью из всех других подшипников таких же габаритных размеров.
Роликовый радиальный подшипник с короткими цилиндрическими роликами рис.3.2.10 воспринимает большие радиальные нагрузки. Допускает осевое взаимное смещение колец. Применяется для коротких жестких валов, а также в качестве «плавающих» опор (для валов шевронных шестерен и др.).При необходимости осевой фиксации валов в одном направ¬лении применяют подшипники с дополнительным буртом, а для осевой фиксации в двух направлениях — подшипники с дополнительным буртом и с упорной шайбой. Грузоподъемность подшипника составляет в среднем 1,7 от гру¬зоподъемности шарикового радиального.
Рисунок 3.2.10 Роликовый радиальный подшипник с короткими цилиндриче¬скими роликами
Роликовый радиальный подшипник с игольчатыми роликами рис. 3.2.11 воспринимает только радиальную нагрузку. При срав¬нительно небольших габаритных размерах обладает высокой ра¬диальной грузоподъемностью.
Рисунок 3.2.11 Роликовый радиальный подшипник с игольчатыми роликами
Шариковый радиально-упорный подшипник рис. 3.2.12 предназначен для комбинированных (радиальных и осевых) или чисто осевых нагрузок.. Подшипники, смонтированные попарно, воспринимают осевые силы, действующие в двух направлениях. Применяются при большой частоте вращения.
Роликовый конический подшипник рис. 3.2.13 вос¬принимает одновременно радиальную и осевую нагрузки. Приме¬няется при средних и низких скоростях вращения. Обладает большой грузоподъемностью. Удобно регулируется. Подшипники этого типа, как и предыдущие, устанавливают попарно.
Шариковый упорный подшипник рис. 3.2.14 воспринимает одностороннюю осевую нагрузку. При действии осевых сил попе¬ременно в обоих направлениях устанавливают двойной упорный подшипник. Во избежание заклинивания шариков от действия центробежных сил этот подшипник применяют при средней и низкой частоте вращения.
Материалы, применяемые для изготовления подшипников качения
Тела качения и кольца изготовляют из высокопрочных шарикоподшипниковых хромистых сталей ШХ15 и других с термообработкой и последующими шлифованием и полированием. Твердость закаленных тел качения и колец 61...66 НRСЭ. Сепараторы чаще всего штампуют из мягкой листовой стали. Для высокоскоростных подшипников сепараторы изготовляют массивными из бронзы, латуни, легких сплавов или пластмасс.
Виды разрушения подшипников качения и критерии работоспособности
К основным причинам потери работоспособности подшипников качения относятся:
Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и дорожек качения колец в виде раковин или отслаивания (шелушения) вследствие циклического контактного нагружения. Усталостное выкрашивание является основным ви¬дом разрушения подшипников, обычно наблюдается после длительной работы и сопровождается стуком и вибрациями.
Пластические деформации на дорожках качения (вмятины) вследствие действия ударных нагрузок или больших статических нагрузок без вращения.
Задиры рабочих поверхностей качения при недостаточном .смазывании или слишком малых зазорах из-за неправильного монтажа.
Абразивный износ вследствие плохой защиты подшипника от попадания пыли. Применение совершенных конструкций уплотнений подшипниковых узлов уменьшает износ рабочих поверхностей подшипника.
Разрушение сепараторов от действия центробежных сил и воздействия на сепаратор тел качения. Этот вид разрушения является основной причиной потери работоспособности быстроходных подшипников.
Раскалывание колец и тел качения из-за перекосов при монтаже или при больших динамических нагрузках. Основными критериями работоспособности подшипников качения является долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.
Расчет на долговечность выполняют для подшипников, вращающихся с угловой скоростью. Не вращающиеся подшипники или медленно вращающиеся рассчитывают на статическую грузоподъемность.
При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают по таблицам каталога. Методы подбора подшипников качения стандартизованы.
Выбор подшипника зависит от его назначения, направления и величины нагрузки, угловой скорости, режима работы, стоимости подшипника и особенностей монтажа. При выборе типа подшипника рекомендуется вначале рассмотреть возможность применения радиальных однорядных шарико-подшипников, как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов должен быть обоснован.
Для малых нагрузок и больших скоростей вращения принимают шариковые однорядные подшипники легких серий. Подшипники более тяжелых серий обладают большей грузоподъемностью, но допускаемая угловая скорость их меньше. При одновременном действии радиальной и осевой нагрузок выясняют, достаточно ли одного или необходимо, чтобы каждая из нагрузок воспринималась отдельными подшипниками.
При ударных или переменных нагрузках с большой кратковременной пиковой нагрузкой предпочтительны двухрядные роликовые подшипники. Следует иметь в виду, что шариковые подшипники менее требовательны к смазке, чем роликовые.
Расчет радиальных и радиально-упорных подшипников основан на базовой динамической грузоподъемности подшипника, представляющей постоянную радиальную нагрузку, которую подшипник может воспринять при базовой долговечности, составляющей 106 оборотов.
На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что расчетная динамическая грузоподъемность подшипника
где для радиальных и радиально-упорных подшипников:RE =(XVRr+YRа)KбКТ (3.2.4), для упорных подшипников: RE=RаКбКТ (3.2.5),
Последовательность расчета (подбора) подшипников качения на долговечность
Исходные данные:
1. Расчетная схема вала с указа¬нием значения и направления нагрузок
2. Угловая скорость вала.
3. Диаметр цапф вала.
4. Условия работы подшипникового узла.
1. Определяют радиальные опорные реакции в вертикальной и горизонталь-ной плоскостях, а затем суммарные реакции, для каждой опоры:
При определении опорных реакций радиально-упорных под¬шипников пролетом между опорами считают расстояние с учeтом угла контакта. Тип подшипника выбирают исходя из условий работы, действующих нагрузок и намечаемой конструкции подшипникового узла. 2. По каталогу, ориентируясь на легкую серию, по диаметру цапфы подбирают подшипник и выписывают характеризующие его данные:
а) для шарикового радиального и радиально-упорного с уг¬лом контакта а<18° значения базовых динамической, и статической, радиальных грузоподъемностей;
б) для шарикового радиально-упорного значения С, и по (или каталогу) значение коэффициента.
3. Для шариковых радиально-упорных и роликовых кониче¬ских подшипников определяют для обеих опор осевые составляющие от радиальных сил, а затем по формулам вычисляют расчетные осевые силы
Задаются расчетными коэффициентами в зависимости от условий работы.
4. Для шариковых радиальных и шариковых радиально-упорных подшипников определяют отношение и принимают значение коэффициента. Сравнивают отношение с коэффициентом и принимают значения коэффициентов.
5. Вычисляют эквивалентную динамическую нагрузку.
6. Определяют расчетную динамическую грузоподъемность подшипника и оценивают пригодность намеченного подшипника по условию
Сr расч<Сr
Если расчетное значение больше значения базовой динамической грузоподъемности для принятого подшипника, то переходят к более тяжелой серии или принимают другой тип подшипника (например, вместо шарикового — роликовый) и расчет повторяют. В отдельных случаях увеличивают диаметр цапфы вала с целью перехода на следующий типоразмер подшипника. В этом случае в конструкцию вала вносят изменения. В отдельных случаях пригодность намеченного подшипника качения оценивают сопоставлением базовой и требуемой долговечности.
В этом случае в п. 6 определяют базовую долговечность подшипника.
Требуемая долговечность подшипников Lh определяется сроком службы машины между капитальными ремонтами. В общем машиностроении принимают Lh = 3000…50000 и более.
Ответьте на контрольные вопросы
| СОДЕРЖАНИЕ | СЛЕДУЮЩИЙ РАЗДЕЛ |
