Лекция 10. Подшипники скольжения

Раздел 5. Опоры осей и валов

Контрольные вопросы.

1. Где применяют валы и оси?

2. Какие вам, известны конструкции валов?

3. Какие виды расчета валов следует выполнять?

4. Расскажите о способах крепления валов перемешивающих устройств.

5. В чем состоит особенность расчета валов перемешивающих устройств?

Опорные устройства, предназначенные для поддержания валов, осей и других вращающихся деталей и восприятия усилий, передаваемых цапфами, называются подшипниками.

По виду трения, возникающего в рабочих элементах опорных устройств, различают подшипники скольжения и качения. Наибольшее распространение в настоящее время получили подшипники качения. К их основным преимуществам, по сравнению с подшипниками скольжения, относятся: меньшие потери на трение, и, как следствие, меньшее тепловыделение; простота ухода и эксплуатации; меньший расход смазки; высокие качества и экономичность при изготовлении на специализированных заводах; широкая стандартизация, упрощающая конструирование и обеспечивающая взаимозаменяемость. К недостаткам подшипников качения следует отнести: слабую демпфирующую способность и пониженную работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках; относительно большой диаметральный размер; пониженную долговечность при работе на высоких скоростях (при окружных скоростях цапфы не более 25…30 м/сек).

Подшипники скольжения нуждаются, как правило, в систематическом техническом обслуживании, имеют более высокие потери на трение. К достоинствам таких подшипников относится то, что они могут работать при любых окружных скоростях; имеют значительно меньшие диаметральные размеры и могут быть выполнены разъемными по диаметру, что упрощает сборку и делает их применимыми для валов любой конструкции. Благодаря демпфирующей способности масляного слоя подшипники скольжения менее чувствительны к вибрационным и ударным нагрузкам; при работе в режиме жидкостного трения они могут иметь потери на трение даже более низкие, чем подшипники качения в аналогичных условиях. Отметим, что специальные опоры скольжения способны работать в воде, агрессивных средах, где подшипники качения непригодны. Этот фактор особенно важно учитывать при конструировании опор валов перемешивающих устройств химических аппаратов.

Подшипники скольжения. Подшипники скольжения состоят из корпуса 1 и вкладыша 2 (рис.5.1). Применение вкладышей позволяет изготовлять корпусные детали из более дешевых недефицитных материалов. Корпусы по своим конструктивным формам и способам крепления весьма разнообразны. Все их разновидности можно разделить на три основные группы, по которым и характеризуются подшипники: неразъемные (втулочные, разъемные и встроенные (составляющие одно целое с корпусом машины).

Подшипники с неразъемным корпусом просты по конструкции и экономичнее при изготовлении, но требуют при сборке осевого сдвига вала, что затрудняет монтаж. Их конструкция не допускает регулирования зазора между цапфой и вкладышем.

Широкое распространение получили разъемные подшипники (рис.5.2). Разъем корпуса и вкладыша обычно делают в плоскости, перпендикулярной к направлению действующего на вал усилия. Крышка 2 крепится к корпусу 1 болтами. Использование разъемного корпуса облегчает монтаж валов, позволяет регулировать зазор между валом и вкладышами 3, 4.

При эксплуатации возможны перекосы осей цапфы и подшипника под нагрузкой.

Это приводит к значительному увеличению давления на кромках, что особенно опасно при выполнении вкладышей из твердых материалов – чугуна и твердых марок бронзы. Для уменьшения влияния перекосов целесообразно применять самоустанавливающиеся подшипники со сферической опорной поверхностью (рис.5.3 а). Иногда применяют опору в виде узкого пояска с малой угловой контактной поверхностью (рис.5.3 б). Обычно самоустанавливающиеся подшипники применяют при возможности возникновения больших деформаций вала или при затруднении точной установки, например, при монтаже опор на разных основаниях.

Все подшипники имеют устройство для смазки. В простейшем случае это отверстие или окно в корпусе для периодической подачи смазки, а в напряженно работающих ответственных узлах – целая система трубопроводов и каналов для автоматической подачи смазки, ее стока, отстоя и т.д.

Для компенсации износа применяют регулирование зазора. Разъемные подшипники регулируют, сближая вкладыши путем уменьшения толщины прокладок между ними, снятия металла с поверхностей контакта крышки и корпуса.

Существенное значение для работоспособности опор скольжения имеет правильный выбор материалов трущихся поверхностей. Валы и оси в большинстве случаев изготавливают из стали, часто с упрочненной шлифованной рабочей поверхностью; значительно реже из высокопрочного чугуна или других материалов (латуни, бронзы).

Наибольшее применение при изготовлении подшипников имеют металлические антифрикционные материалы. Наилучшими свойствами обладают сплавы, имеющие структуру в виде мягкой пластической основы с вкраплениями более твердых составляющих. К ним относятся баббиты различных марок (оловянистые и свинцовистые с присадками сурьмы, меди), сплавы на основе серебра и алюминия, оловянистые и свинцовистые бронзы.

Режимы трения в подшипниках скольжения. При проектировании опорных устройств, прежде всего, следует учитывать условия, обеспечивающие минимальные потери на трение. Выполнение этих условий наряду с повышением экономичности приводит к уменьшению тепловыделения, снижению износа рабочих поверхностей, повышает надежность конструкции. При расчетах необходимо учитывать режим работы подшипника, уметь правильно выбрать материал рабочих элементов и их размеры.

Различают сухое, жидкостное и граничное трение скольжения.

Сухое трение (рис.5.4 а) возникает в случае, когда сжатые поверхности соприкасаются своими неровностями. При относительном сдвиге этих поверхностей наряду с преодолением молекулярных сил

взаимодействия, неизбежно возникает упруго-пластическое деформирование и частичное разрушение соприкасающихся неровностей.

Сухое трение сопряжено с интенсивным износом и заеданием контактных поверхностей, появлением вибраций и значительными потерями энергии.

Граничное трение (рис.5.4 б) характерно наличием на поверхности очень тонких адсорбционных пленок смазки. Толщина этих пленок соизмерима с размерами молекул.

При жидкостном трении (рис.5.4 в) между взаимодействующими поверхностями возникает достаточно толстый слой смазки (порядка 2 – 70 мк), превышающий суммарную высоту неровностей рабочих поверхностей R_ц + R _вкл, которая ведет себя как жидкость. Ее свойства в отличии от адсорбированных пленок, описываются законами гидромеханики. Сопротивление движению при жидкостном трении определяется внутренним трением между частицами жидкости, то есть, обусловлено ее вязкостью. Отметим, что чисто жидкостное трение можно осуществить лишь при обеспечении необходимой толщины слоя смазки за счет достаточно высокого давления в жидкости.

Опоры скольжения часто функционируют при некоторых промежуточных режимах трения – полусухом или полужидкостном. При этих режимах на разных участках рабочих поверхностей возникают различные комбинации сухого и граничного или граничного и жидкостного трения.

Расчет подшипников скольжения. Основной расчет подшипников скольжения – это расчет на жидкостную смазку, который основан на гидродинамической теории смазки. Суть его состоит в том, что масляный слой должен воспринимать всю нагрузку, а его толщина должна быть больше суммы высот неровностей цапфы и вкладыша. Этот расчет выполняется главным образом для подшипников, работающих в режиме жидкостного трения.

Широко распространены условные расчеты, которые позволяют в простейшей расчетной форме использовать опыт конструирования и эксплуатации механизмов и включают в себя расчет по допускаемому давлению и расчет на износостойкость и теплостойкость.

Расчет по допускаемому давлению в подшипнике ведут, как правило, по нагрузке, отнесенной к проекции цапфы ,

где – радиальная нагрузка, d – диаметр цапфы, l – длина цапфы.

Расчет обычно используют как проверочный, так как диаметр цапфы определяется конструктивно после расчета вала.

При проектом расчете, задавшись , можно определить размеры цапфы .

Условие износостойкости и теплостойкости имеет вид

,

где υ – скорость скольжения на поверхности.

Очевидно, что при использовании этих условий не учитываются геометрические факторы и особенности работы подшипника. Поэтому приемлемые результаты расчетов получаются лишь в тех случаях, когда допускаемые величины [] и [] определены экспериментально в условиях максимально приближенных к рассчитываемым.

Для опор, работающих в режимах полусухого и полужидкостного трения, условные расчеты дают удовлетворительные результаты. Для подшипников, работающих в режиме жидкостного трения, приведенные формулы применяют для предварительных расчетов.