Характеристика, устройство, виды и методика расчета подшипников скольжения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Общие сведения

Опорный участок вала называется цапфой. Форма цапфы и соответствующая ей форма рабочей поверхности подшипника может быть цилиндрической, плоской, конической и сферической (рис. 1). Шип - это цапфа, расположенная на конце вала и передающая радиальную нагрузку Fr (рис. 1а). Шейка - это цапфа, расположенная в средней части вала и передающая радиальную нагрузку (рис. 1б). Большинство радиальных подшипников может воспринимать также и небольшие осевые нагрузки. Для этого вал изготавливают ступенчатым с галтелями, а кромки подшипника закругляют.

Плоская цапфа, передающая осевую (аксиальную) нагрузку Fa, называется пятуй, а опора (подшипник) - подпятником. Пята может располагаться на конце вала (рис. 1в) или в его средней части (рис. 1г). Часто подпятники работают в паре с радиальными подшипниками (рис. 1в).

Подшипники с конической поверхностью (рис. 1д) применяются в тех случаях, когда необходимо периодически устранять зазор от износа подшипника с целью сохранения точности центровки вала. Для этого на валу устанавливают коническую втулку, положение которой регулируется гайками.

Сферические (шаровые) подшипники (рис. 1е) допускают перекос вала, то есть обладают свойством самоустановки. Их используют в основном как шарниры в пространственных стержневых механизмах.

Рис. 1

Область применения подшипников скольжения в современном машиностроении невелика, так как основное распространение имеют подшипники качения. Однако значение подшипников скольжения в современной технике не снизилось, в целом ряде конструкций они незаменимы. В частности, в следующих случаях.

1. Разъемные подшипники для тех конструкций, где подшипники качения не могут быть установлены, например, для коленчатых валов.

2. Высокоскоростные подшипники (v 30 м/с). При высоких окружных скоростях подшипники качения практически неприменимы из-за вибраций, шума и низкой долговечности.

3. Подшипники прецизионных машин, от которых требуется особо точное положение валов в пространстве и возможность регулировки зазоров.

4. Подшипники, работающие в особых условиях (вода, агрессивные среды), в которых подшипники качения неработоспособны из-за коррозии.

5. Подшипники дешевых тихоходных механизмов.

2. Условия работы и виды разрушения подшипников скольжения

Вращению цапфы в подшипнике противодействует момент сил трения. Работа трения нагревает подшипник и цапфу. От поверхности трения тепло отводится в окружающую среду через корпус подшипника и вал, а также, уносится смазывающей жидкостью. Для любого установившегося режима работы подшипника существует тепловое равновесие: теплоотдача равна тепловыделению. При этом устанавливается определенная температура. Чем больше тепловыделение и хуже условия теплоотдачи, тем выше температура теплового равновесия. Эта температура не должна превышать некоторого предельного значения, допускаемого для данного материала подшипника и сорта смазки. Если температура повышается выше предельного значения, то вязкость масла снижается и появляется возможность заедания цапфы в подшипнике. Это приводит к катастрофическому износу и потери работоспособности подшипника. Таким образом, перегрев подшипника является основной причиной его разрушения.

Нормальная работа подшипника, то есть его работа в допустимых температурных пределах, сопровождается нормальным износом трущихся поверхностей. Когда износ становится недопустимо большим, в подшипнике появляются значительные зазоры, работа механизма сопровождается вибрацией и стуком, то есть, подшипник становится неработоспособным. Интенсивность износа определяет долговечность подшипника.

3. Трение и смазка подшипников скольжения

Как было сказано выше, работа подшипника сопровождается неизбежным трением. Трение определяет нагрев и износ подшипника, а также его к.п.д. Для уменьшения трения подшипники скольжения смазывают. В зависимости от режима работы подшипника в нем может быть полужидкостное или жидкостное трение. Схематизированное представление об этих режимах дает рис. 2.

При жидкостном трении между поверхностями вала и подшипника находится слой масла, толщина h которого больше суммы высот R микронеровностей поверхностей:

(1)

На рис. 2 толстой линией показан разделяющий слой масла.

При условии (1) масло соответствующей вязкости воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая непосредственный контакт рабочих поверхностей и их износ. Сопротивление движению в этом случае определяется только внутренним трением в смазочной жидкости. Коэффициент жидкостного трения f = 0,001 0,005. Эти значения могут быть меньше коэффициента трения качения.

При полужидкостном трении условие (1) не соблюдается, а в подшипнике имеет место смешанное трение - жидкостное и граничное. Граничным называют трение, при котором трущиеся поверхности покрыты тонкой пленкой смазки.

Рис. 2

Граничные пленки настолько тонкие, что в местах сосредоточенного давления они разрушаются, и происходит непосредственный контакт трущихся поверхностей вала и подшипника и их износ. Значение коэффициент полужидкостного трения зависит не только от качества масла, но и от материалов трущихся поверхностей. В этом случае используют антифрикционные материалы с низким коэффициентом трения f = 0,01 0,1.

Для работы подшипника самым благоприятным является режим жидкостного трения, поэтому основным критерием расчета большинства подшипников скольжения является образование режима жидкостного трения.

Основы образования режима жидкостного трения изучаются в гидродинамической теории смазки [6], [11]. Не рассматривая подробностей, приведем только принципиальные понятия и необходимые выводы.

На рис. 3 показано плоское тело, движущееся по плоскому основанию в слое масла, причем на движущееся тело действует сила F, перпендикулярная основанию. Если скорость движения мала (рис. 3а), то имеет место полужидкостное трение - трущиеся поверхности покрыты тонкой граничной пленкой смазки. При увеличении скорости это состояние сохраняется до тех пор, пока скорость движения v остается меньше некоторой критической скорости vкр. Если скорость продолжает увеличиваться, то движущееся тело поднимается в масляном слое и принимает наклонное положение, подобно тому, как поднимается глиссер или водные лыжи, скользящие по воде (рис. 3б).

Рис. 3

Между пластинами образуется сужающийся зазор и масло непрерывно нагнетается в этот зазор. Протекание масла через суживающийся зазор приводит к образованию гидродинамического давления р, которое уравновешивает внешнюю нагрузку F. Движение продолжается в условиях жидкостного трения.

Гидродинамическое давление может развиваться только при наличии суживающегося зазора, который принято называть клиновым. В примере на рис. 3 начальный клиновой зазор образуется с помощью скошенной передней части движущегося тела.

В радиальном подшипнике клиновая форма зазора образуется в результате того, что диаметр цапфы всегда меньше, чем диаметр подшипника для возможности относительного движения. Вследствие этого центр цапфы вала смещается относительно центра подшипника. В образовавшемся зазоре находится масло. Если угловая скорость вала меньше некоторого критического значения, то между контактирующими поверхностями вала и подшипника имеет место полужидкостное трение (рис. 4а). При угловой скорости щ > щкр цапфа всплывает в масле и смещается в сторону вращения (рис. 4б). В масляном слое возникает гидродинамическое давление р, эпюра которого показана на рис. 4б. Минимальная толщина масляного слоя hmin увеличивается с увеличением угловой скорости, центр цапфы сближается с центром подшипника. Однако полного совпадения центров быть не может, так как при этом нарушается клиновая форма зазора, как одно из условий режима жидкостного трения.

Исследование зависимости силовых и скоростных параметров от качества масла позволило сделать следующий основной вывод: толщина масляного слоя возрастает с увеличением вязкости масла и угловой скорости, но снижается с увеличением нагрузки. Следует учитывать, что сорт масла с определенной вязкостью, используемый в подшипнике, зависит от скорости вращения вала - чем выше скорость, тем меньше должна быть вязкость масла.

Рис. 4

Таким образом, для образования и поддержания режима жидкостного трения необходимо выполнение следующих трех условий.

1. Между скользящими поверхностями должен быть зазор клиновой формы.

2. Масло соответствующей вязкости должно непрерывно заполнять зазор.

3. Скорость относительного движения поверхностей должна быть достаточной для того, чтобы в масляном слое создалось гидродинамическое давление, способное уравновесить внешнюю нагрузку.

В некоторых условиях в качестве смазки подшипников используют не только масло, но и воду и даже воздух, так как и вода и воздух обладают вязкостью.

В любом случае необходимо обеспечить самозатягивание жидкости или газа в клиновой зазор. Для большей надежности этого явления в ответственных случаях (двигатели автомобилей и самолетов, турбогенераторы, центрифуги и пр.) жидкость или газ подают в подшипник под давлением с помощью гидронасосов или компрессоров.

Описанные выше подшипники, где жидкостное или газовое трение обеспечивается самозатягиванием жидкости или газа в клиновой зазор между цапфой и подшипником, называются гидродинамическими или аэродинамическими.

Если скорость вращения вала невелика, а радиальная нагрузка значительна, то гидродинамические условия не выполняются и трение остается полужидкостным. Для создания жидкостного трения несущий масляный слой образуется путем предварительного подвода масла от гидронасоса в подшипник под цапфу. Гидронасос должен развивать такое давление, чтобы цапфа всплывала в масле. Такие подшипники называются гидростатическими. Если цапфа в подшипнике поддерживается воздушной подушкой в результате непрерывного поддува сжатого воздуха, то такой подшипник называется аэростатическим.

Аэродинамические и аэростатические подшипники используются или для быстроходных валов (n > 10000 об/мин) при малых нагрузках, или для работы в условиях высоких температур, где масло теряет свои свойства.

В заключение сделаем следующее замечание. Так как при жидкостном трении непосредственный контакт поверхностей вала и подшипника отсутствует, то можно сделать неверный вывод о том, что скользящие поверхности могут быть выполнены из любого материала. Это вывод неверен потому, что в процессе работы машины режим жидкостного трения может быть нарушен, то есть, значения угловой скорости и нагрузки могут выйти за допускаемые пределы, например, при перегрузках, пусках и остановах. Поэтому, материалы скользящих поверхностей должны быть антифрикционными.

4. Конструкции и материалы подшипников скольжения

В зависимости от конструкции и назначения машины подшипники скольжения могут быть весьма разнообразны. В частности, они могут иметь специальный корпус, или обходиться без него. Подшипник с отдельным корпусом показан на рис. 5а. Такой подшипник называется разъемным, так как содержит корпус 1 и крышку 2, скрепленных при помощи резьбового соединения (в данном случае это - шпильки и гайки с шайбами). Крышка при необходимости может сниматься, что облегчает сборку, обслуживание и ремонт подшипникового узла. Корпус и крышка обычно изготавливаются из чугуна или стали. Внутри них плотно вставлены основные элементы подшипника - вкладыши 3 и 4 из антифрикционного материала. Смазка подводится через отверстие 5 в крышке. Для лучшего распределения смазки в зазоре между валом и подшипником служат канавки 6 во вкладышах.

Рис. 5

Если подшипник не имеет специального корпуса, то он может размещаться на стенке корпуса 1 механизма машины (рис. 5б). Главным элементом подшипника здесь служит втулка 2 из антифрикционного материала, а для подвода смазки служит отверстие 3.

Материалы подшипниковых вкладышей и втулок должны обладать малым коэффициентом трения в паре с материалом валов, хорошей прирабатываемостью и достаточной износостойкостью. При этом износостойкость вкладышей или втулок должна быть ниже износостойкости цапфы вала, так как замена вала сложнее и дороже, чем замена подшипника. Так как материалом валов служит в основном сталь, то антифрикционные подшипниковые вкладыши и втулки изготавливают из следующих материалов.

1. Бронзы - широко используются в крупносерийном и массовом производстве машин.

2. Латуни - применяются при меньших нагрузках, чем бронзы.

3. Чугуны - применяются в тихоходных и умеренно нагруженных подшипниках.

4. Баббит - один из лучших материалов для подшипников скольжения. Ввиду высокой стоимости баббита, им заливают только рабочую поверхность вкладышей на толщину 1 10 мм в зависимости от габаритов подшипника. Сам вкладыш при этом может быть изготовлен из любого металла.

5. Металлокерамика (спрессованные при высокой температуре порошки бронзы, графита, меди, олова и пр.) - обладает пористостью. Поры хорошо проводят и удерживают смазку, поэтому, металлокерамические подшипники могут длительное время работать без подвода смазки.

6. Пластмассы - могут работать при водяной смазке. Поэтому их используют в гидротурбинах и насосах в химическом машиностроении.

5. Расчет подшипников скольжения

Расчет подшипников, работающих при полужидкостном трении.

К таким подшипникам относятся подшипники тихоходных механизмов машин и машин средней быстроходности с частыми пусками и остановками, неустановившимся режимом нагрузки и пр.

Тихоходные подшипники, работающие кратковременно с перерывами рассчитывают по условному давлению:

(2)

где: р - условное давление цапфы на подшипник, МПа;

Fr - радиальная нагрузка, Н;

l - длина подшипника, мм;

b - диаметр цапфы, мм;

[p] - допускаемое значение условного давления, МПа.

Подшипники средней быстроходности рассчитываются по произведению давления на скорость:

(3)

где v - окружная скорость цапфы.

Допускаемые значения [p] и [pv], определенные из опыта эксплуатации подшипников, приведены в таблице 1.

Таблица 1

подшипник вал жидкостный радиальный

Расчет подшипников жидкостного трения.

Также как при расчете подшипников полужидкостного трения здесь имеют значение размеры подшипника, окружная скорость и допускаемое давление. Кроме того, учитывается зазор в подшипнике и качество масла при определенной рабочей температуре. В результате расчета определяется требуемый зазор в подшипнике, сорт масла, способ смазки и охлаждения для обеспечения теплового равновесия.

Расчет носит приближенный характер и основан на использовании эмпирических зависимостей и графиков. Неточности приближенного расчета компенсируются повышенными значениями коэффициентов запаса надежности подшипника по толщине масляного слоя и опытными рекомендациями по выбору способа смазки.

Литература

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы. Справочник. Под редакцией Булгакова Э.Б. Москва, «Машиностроение», 1981.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В трех томах. Москва, «Машиностроение», 1982.

3. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Москва, «Машиностроение», 1989.

4. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструи¬рованию в двух книгах. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Маш¬гиз, 1953.

5. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин. Москва, 1978.

6. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, «Высшая школа», 1991.

7. Конструирование машин. Справочно-методическое пособие в двух томах. Под редакцией Фролова К.В. Москва, «Машинострое¬ние», 1994.

8. Кудрявцев В.Н. и др. Курсовое проектирование деталей машин. Ленинград, 1984.

9. Основы расчета и конструирования деталей летательных аппаратов. Под ред. Кестельмана В.Н. Москва, 1989.

10. Справочник машиностроителя, том 4, книги I и II. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.

11. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под редакцией Крагельского И.В. и Алисина В.В. Москва, «Машиностроение», 1978.

Размещено на Allbest.ru