Подшипники скольжения

Рис. ХI. 1

ХI. Опоры валов.

Опора вала – базовый элемент расположения всех вращающихся деталей машины. По своему назначению подшипники подразделяются на опорные, воспринимающие радиальную нагрузку R (Рис. XI. 1, а), осевые, обеспечивающие осевую реакцию Q (Рис. ХI. 1, б), и опорно-упорные (или радиально-осевые), обеспечивающие реакции как радиальные R, так и осевые Q (Рис. ХI. 1, в).

а) б) в)

По принципу действия опоры делятся на подшипники качения и подшипники скольжения.

Опора, выполненная в виде подшипника и работающая, преодолевая трение скольжения, называется подшипником скольжения. Подшипник скольжения является парой вращения, состоящей из опорного участка вала (цапфы) 1 и собственно подшипника 2, в котором скользит цапфа (Рис. ХI. 2, а).

а) б)

Рис. ХI. 2

Цапфу, передающую радиальную нагрузку, называют шипом при расположении ее в конце вала (Рис. ХI. 2, а), и шейкой, если она находится в середине вала (Рис. ХI. 2, б). Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической, конической или шаровой (применяется редко). Для уменьшения силы трения в подшипнике используется вкладыш 3 (Рис. ХI. 3), изготавливаемый из материала с малым коэффициентом трения (Бронза БрАЖХ, баббит (сплав свинца и олова), пирографит и углефторопласт, используемые в космической технике для обеспечения работы в вакууме).

Рис. ХI. 3

Подшипник в зазоре С должен иметь слой масла (Рис. ХI. 4). Однако если вал не вращается, то он лежит на вкладыше, а масло – неподвижным слоем в зазоре. При вращении вала масло «затаскивается» в зазор между валом и вкладышем, при этом вал всплывает в масляном слое. Такое взаимодействие приводит к тому, что в зоне, где вал опирается на вкладыш, развивается зона повышенного давления в слое масла. Так как непосредственный контакт отсутствует, то трение в подшипнике определяется законами гидродинамики.

Рис. XI. 4

Суть расчета сводится к определению величины подъема h вала (Рис. XI. 4), определяемой соотношением высот неровностей шероховатостей R_z вала и отверстия:

,

где ∆h – некоторая добавка.

За гидравлическим расчетом подшипников скольжения, как правило, следует проверка, осуществляемая в два этапа:

1 – расчет на прочность (износостойкость), суть которого сводится к тому, что удельное давление p вала на опорной поверхности подшипника не должно превышать допускаемой величины [ p ]:

,

где F – радиальная сила, с которой вал воздействует на опору;

l – длина опорной поверхности;

d – диаметр цапфы.

2 – тепловой расчет, базируемый на применении комплекса:

,

где р – давление, организуемое валом на опорной поверхности;

v – линейная окружная скорость на периферии цапфы. Анализ размерностей комплекса рv:

,

тогда:

В итоге величина рv – энергия, затрачиваемая в единичном времени на энергию преодоления трения, переходящую в тепловую энергию. В связи с этим масло нагревается, а значит:

,

где G_м – расход масла;

С_м – теплоемкость масла;

∆t – температурный градиент, величина нагрева масла.

Тогда расход масла G_м:

.

Эти режимные параметры позволяют выбрать необходимый режим работы подшипника с учетом того, что трение f (или коэффициент трения) изменяется с изменением угловой скорости ω вращения вала (Рис. ХI. 5).

Рис. XI. 5

Режим сухого трения (зона I) характеризуется малыми ω, при этом цапфа и вкладыш подшипника находятся в непосредственном контакте – коэффициент трения f принимает наибольшее значение. Увеличение ω приводит к увеличению масляного слоя между контактирующими поверхностями (зона II), в связи с чем наблюдается резкое уменьшение трения f – режим полужидкостного трения. Начиная с некоторой угловой скорости ω = ω_кр, при которой коэффициент трения принимает наименьшее значение f = f_min, вал отходит от подшипника (всплывает). Последующее увеличение угловой скорости (зона III) приводит к увеличению масляного слоя между валом и вкладышем подшипника, что приводит к увеличению трения – режим жидкостного трения.

Достоинствами подшипников скольжения являются бесшумность хода, способность работать с большими мощностями, малые радиальные габариты и простота монтажа (сборки), однако при этом необходимость обильной смазки и использования цветных металлов и сплавов, а также значительные осевые габариты являются недостатком подшипников скольжения. Особенность подшипников скольжения заключается в том, что опора разрушается с предварительными признаками разрушения.