Луцко А.Н., Марцулевич Н.А. и др. Механика

Подождите немного. Документ загружается.

191

Подшипники скольжения

Подшипники скольжения по сравнению с подшипниками качения

обладают рядом преимуществ: способны выдерживать вибрационные

и ударные нагрузки, могут быть разъемными, имеют малые габариты,

способны работать в агрессивных средах, выдерживают высокую час

тоту вращения вала из-за меньших центробежных сил. По размерам

подшипники скольжения могут быть миниатюрными, например, в из

мерительных приборах и часах, и больших диаметров, превышающих

стандартные подшипники качения. Подшипники скольжения чувствии

тельны к качеству смазки. КПД подшипников скольжения – 0,98.

Подшипник скольжения (рис. 73) является парой вращения,

состоящей из опорного участка вала (цапфы) и корпуса подшипника,

во

вкладыше которого скользит цапфа. Цапфу радиального

подшипника расположенную в конце вала (рис. 73, а) называют

шипом, а в средней части вала (рис. 73, б) – шейкой. Цапфу упорного

подшипника (рис. 73, в, г) называют

пятой, а сам подшипник

подпятником. Форма рабочей поверхности вкладышей подшипников и

цапф может быть цилиндрической (рис. 73, а, б, в, г), конической (рис.

73, д) и сферической (рис. 73, е). Сферические подшипники

обеспечивают поворот вала в трех плоскостях. Наиболее часто

применяются цапфы цилиндрической формы.

Для снижения потерь на трение в подшипнике подбирают

пару

трения

, т.е. такие материалы цапфы и вкладыша, которые,

обеспечивают минимальный коэффициент трения при взаимном

скольжении, а также используют смазку. Валы (цапфы) изготавливают

из стали. Вкладыши подшипников изготавливают из сплавов (бронз,

баббитов), полимерных и композитных материалов (фторопласт,

текстолит, прессованная металлокерамика с добавлением графита и

т.д.). Вкладыши могут быть из биметаллов

– на стальную или

чугунную основу наплавляют баббиты и свинцовые бронзы. На

металлическую основу вкладыша могут наносится такие полимеры,

как нейлон, капрон, тефлон.

Шип

Шейка

Пята

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 73



192

Подобные вкладыши могут работать без смазки. Корпуса подшипнико-

вых узлов изготавливают обычно из серого чугуна СЧ15, СЧ18 и СЧ20.

Типовая конструкция узла подшипника скольжения представлена на

рис. 74. В корпус 1 запрессован вкладыш 5. Винт 4 предохраняет

вкладыш от смещения относительно корпуса. Для подачи смазки

через масленку предусмотрено отверстие 2. При помощи пазов 3

смазка распределяется на внутренней поверхности вкладыша.

В зависимости от толщины масляного слоя подшипник

обычно работает в режиме

жидкостного

или полужидкостного трения. Если смазка

отсутствует, то трение называют

сухим.

Между цапфой и вкладышем имеется

диаметральный зазор

 (рис. 75, а), и

соответствующий ему эксцентриситет (е =

0,5), т.е. расстояние между осью вала и

осью отверстия в подшипнике. При

определенной скорости вращения вала



цапфа отходит от вкладыша

(«всплывает»). Эксцентриситет

уменьшается (рис. 75, б). При жидкостном

трении рабочие поверхности вала и подшипника полностью разделяет

слой смазки

h (рис. 75, б, в), толщина которого больше сумм

микронеровностей поверхности цапфы

и микронеровностей

поверхности вкладыша

h > R

+ R

, (8.29)

коэффициент трения f при этом не превышает 0,005 и износ практи-

чески отсутствует. В слое смазки под цапфой возникает давление Р

(рис. 75, б), которое

удерживает вал на

«масляном клине».

При полужидкост

ном трении условие

(8.29) не выполня

ется, имеется час-

тичный контакт ме-

жду поверхностями

вала и цапфы, ко

торые разделены

слоем смазки, а коэффициент трения больше, чем при жидкостном

трении примерно на порядок (

f  0,05).

Работоспособность подшипника скольжения полужидкостного трения

определяется его несущей способностью, износостойкостью,



75H7/r



60F7

Рисунок 74







а) б) в)

Рисунок 75

193

температурой нагрева и отсутствием заедания. Расчетные зависимо-

сти основаны на учете мощности N

тр

, затрачиваемой на трение

тр

= T

тр

 = F

тр

0,5 d  = F

f 0,5 d  = F

f v = P d  f v, (8.30)

где T

тр

– момент сил трения; F

тр

– сила трения;  - угловая скорость

вращения вала;

d – диаметр цапфы; f – коэффициент трения;  -

длина цапфы (рис. а); P – условное контактное давление.

Поскольку в (8.30) геометрические параметры (

d и ) и коэффи-

циент трения f постоянны, то проверку несущей способности и износо-

стойкости подшипника полужидкостного трения выполняют по усло-

вию (8.31), а проверку на отсутствие перегрева и заедания – по усло-

вию (8.32)

P  [P], (8.31)

v  [Pv], (8.32)

где [P] = 2…6 МПа, [Pv] = 4…8 МПам/с – допускаемые значения для

подшипника с бронзовыми вкладышами для редукторов общего на

значения; [P] = 6…12 МПа, [Pv] = 6…20 МПам/с для редукторов тяже-

лого типа. Диаметр цапфы d и длину  (рис. а) определяют конст-

руктивно или из условия прочности на изгиб (М

= 0,5 F

) в корневом

сечении цапфы, с учетом соотношения

 = (0,5 ÷ 1,2) d. (8.33)

Подшипники качения

Подшипники качения в виде стандартных узлов, основными эле-

ментами которых являются тела качения (шарики, ролики), установ-

ленные между наружным и внутренним кольцами, – наиболее распро-

страненный вид опор валов и осей. К достоинствам подшипников кА-

чения относятся малые потери на трение (КПД – 0,99), низкая стои-

мость, очень широкий диапазон размеров и типов, простота монтажа и

обслуживания, малые осевые размеры, малая разница моментов тре

ния при пуске и в установившемся (равномерном) движении. Недос-

татками подшипников качения являются относительно большие ради-

альные размеры, высокая чувствительность к ударным и вибрацион-

ным нагрузкам, значительно меньшая по сравнению с подшипниками

скольжения долговечность при высоких частотах вращения и больших

нагрузках.

Подшипник (рис. 76, а) состоит из тел качения 1, сепаратора

(разделителя тел качения) 2, наружного 3 и внутреннего 4 колец.

Подшипники качения классифицируют по нескольким признакам:

1. По форме тел качения подшипники разделяются на

шарико-

вые (рис. 76, а, б, в, ж) и роликовые (рис. 76, г, д, е, и, к); по форме

194

ролики могут быть цилиндрическими (рис. 76, г), коническими (рис. 76,

и),

игольчатыми (рис. 76, д), витыми (рис. 76, е), бочкообразными

(рис. 76, к);

2. По направлению воспринимаемых сил подшипники могут быть

радиальными (рис. 76, а, г, д, е), т.е., воспринимающими только силу

, направленную по радиусу; радиально-упорными (рис. 76, б, и),

воспринимающими как радиальную силу

, так и силу F

направленную вдоль оси подшипника; упорными (рис. 76, ж), т.е.

воспринимающими только осевую силу

;

3. По способности самоустанавливаться подшипники

подразделяют на

несамоустанавливающиеся и

самоустанавливающиеся (рис. 76, в, к), допускающие в процессе

работы поворот оси внутреннего кольца на 2

÷3 по отношению к оси

наружного кольца;

4. По числу рядов тел качения подшипники подразделяют на

однорядные (рис. 76, а, б, г – и), двухрядные (рис. 76, в, к),

четырехрядные;

5. По габаритным размерам (диаметр D и ширина B) подшипни-

ки одного и того же диаметра отверстия d подразделяют на размер-



Вал



80 H7/6

Рисунок 76

а)

б)

в) г)

д)

е)

ж)

и)

к)



40 L6/k6

л)

195

ные серии: сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю, тяжёлую,

особо узкую, узкую, нормальную, широкую, особо широкую.

В зависимости от типа, точности, размеров и серии подшипники

имеют различную грузоподъемность и быстроходность. Подшипники

более тяжелых серий имеют повышенную грузоподъемность, но они

менее быстроходны. Шариковые радиальные и радиально

-упорные

подшипники быстроходнее роликовых, но менее грузоподъемны.

Промышленностью выпускаются подшипники пяти классов

точности (в порядке повышения точности: 0, 6, 5, 4, 2). При отсутствии

особых требований к точности вращения применяют подшипники

нормального класса точности 0.

Быстроходность подшипников оценивают параметром d

n, где

– диаметр окружности (рис. 76, а), проходящей через центры

вращения тел качения (шариков, роликов);

n – частота вращения

кольца подшипника, об/мин. Для радиальных и радиально

-упорных

шарикоподшипников (рис. 76, а, б)

n  0,510

ммоб/мин; для

роликоподшипников

– d

n  0,310

ммоб/мин; для упорных

шарикоподшипников

– d

n  0,2210

ммоб/мин.

Подшипники качения изготавливаются из шарикоподшипниковых

высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15 и ШХ15СГ. Твердость

элементов подшипника по Роквеллу

HRC 60 – 66. Основная причина

выхода подшипника из строя

– усталостное выкрашивание дорожек и

тел качения из

-за действия переменных контактных напряжений.

Важнейшими характеристиками подшипников являются

статическая и динамическая грузоподъемность:

- статическая грузоподъёмность С

– допустимая нагрузка

невращающегося подшипника, при которой остаточная

деформация тел качения и колец не превышает 10

-4

(здесь d

–

диаметр тел качения);

- динамическая грузоподъемность С – условная радиальная

нагрузка, которую подшипник может выдержать в течении

базового числа оборотов

Долговечность (ресурс) подшипника в часах определяют по

формуле

















n60

, (8.34)

где  = 3 – показатель степени для шарикоподшипников,  = 3,33 –

для роликоподшипников; Р – эквивалентная (приведенная) нагрузка,

рассчитываемая по формуле

P = (XVF

+ YF

, (8.35)

здесь X и Y – коэффициенты соответственно радиальной F

и осевой

нагрузок; V – коэффициент вращения, V = 1 при вращении внутрен-

196

Эд

МП

РО

Рисунок 77

Муфта

него кольца, V = 1,2 при вращении наружного кольца; k

коэффициент безопасности, учитывающий влияние на долговечность

подшипников характера внешних нагрузок (спокойная работа

= 1;

вибрация и умеренные толчки k

= 1,3 ÷ 1,8; сильные удары k

= 2 ÷ 3);

– температурный коэффициент, k

= 1 при t  125C.

Выбор и расчет подшипника производится в несколько этапов:

- исходя из диаметра вала d, условий эксплуатации, а так же

значений действующей на подшипник радиальной

и осевой F

нагрузки (реакции опор вала), частоты вращения n, по каталогу

намечают тип подшипника;

- в соответствии с формулой (8.35) вычисляют эквивалентную

динамическую нагрузку Р;

- по этой нагрузке Р и требуемой долговечности (L

)

тр

с помощью

формулы (8.34) вычисляют требуемую динамическую

грузоподъёмность С

тр

;

по диаметру d и динамической грузоподъёмности С по каталогу

(C > С

тр

) выбирают соответствующий подшипник.

Если тип подшипника определен заранее, из конструктивных

соображений, то с учетом (8.35) по (8.34) проверяют его ресурс.

Типовая конструкция подшипникового узла (рис. 76, л) включает

несколько элементов: 1

– подшипник; 2 – крышку подшипникового

узла (сквозная крышка имеет канавки

– щелевое уплотнение); 3 – вал;

4 – болт с шайбой; 5 – корпус механизма (например, редуктора); 6 –

мазеудерживающее кольцо. Установка подшипника на вал

выполняется по посадкам с натягом (

g6, k6, j

6, m6, n6, k4 и др.), а в

корпус механизма по посадкам с зазором или по переходным

посадкам (

H7, K7, J7, J

6, K6 и др.).

8.7. Муфты

Большинство машин компонуют из отдельных агрегатов с

входными и выходными валами. Такими агрегатами могут являться,

например, электродвигатель (Эд), механическая передача (МП) и

основной рабочий орган (РО) машины (рис. 77). Кинематическая и

силовая связь между отдельными агрегатами машины

осуществляется с помощью муфт. Длинные валы технических

устройств по условиям технологии изготовления и сборки также

приходится делать составными, соединяя их между собой с помощью

муфт.

197

Таким образом, муфтами называют устройства, предназна-

ченные для соединения валов между собой с целью передачи враща-

тельного движения и крутящего момента. Муфты помимо основ-

ных могут выполнять и ряд дополнительных функций, например, ком-

пенсировать несоосность валов, амортизировать удары и толчки, сце-

плять или расцеплять валы при ручном управлении или автоматиче-

ски в процессе работы при изменении параметров движения и т.д.

Из

-за трудности обеспечения точности изготовления, сборки или

конструктивных особенностей машинного агрегата соединяемые валы

могут иметь различные виды несоосности, представленные в таблице.

Обычно муфта

состоит из двух частей

– полумуфт. По виду

физического взаимо

действия, возникающе-

го между полумуфтами

различают

механиче-

ские, гидродинамиче-

ские и электромаг-

нитные муфты. По-

скольку в химическом

машиностроении ис

пользуется большое

количество механиче

ских муфт, то ниже

рассматриваются

только некоторые типы

механические муфт.

По характеру

соединения валов муфты подразделяются на две группы и несколько

подгрупп:

1) нерасцепляемые (постоянные) – ведущая и ведомая

полумуфты соединены между собой постоянно, разъединяются только

после разборки. К этой группе относятся:

- глухие муфты – предназначены для соединения строго соос-

ных валов (т.е. смещение осей не должно превышать 2÷5 мкм);

к данной подгруппе относятся втулочные (рис. 78, а, б), флан

цевые (рис. 78, в), продольно-разъёмные (рис. 78, г) ,

продольносвёртные и др. муфты;

- жесткие компенсирующие муфты – предназначены для

соединения валов с различными видами несоосности (зубчатые

(рис. 78, д), шарнирные (рис. 78, е), крестово

-кулисные и др.)

- упругие компенсирующие – предназначены для соединения

валов с различными видами несоосности, и для амортизации

Таблица. Виды несоосности валов

Возможные

смещения валов

Схемы взаимного

расположения валов

Строго соосные

валы

Валы с

продольным

смещением



Валы с

радиальным

смещением осей



Валы с угловым

смещением осей



Валы с

комбинированным

смещением











198

динамических нагрузок (упругие втулочно-пальцевые (рис. 78,

ж), с упругой торообразной оболочкой и др.);

г)

Установочный винт

а)

б)

в)

Рисунок 78

д)

ж)

е)

з)



и)

199

2) сцепные – ведущая и ведомая полумуфты сцепляются и

расцепляются как при остановке, так и во время работы (на ходу). К

этой группе относятся:

- управляемые – сцепление и расцепление полумуфт произво-

дится оператором (фрикционные (рис. 78, з), кулачковые и др.);

- самоуправляющиеся – сцепление и расцепление полумуфт

производится автоматически при изменении заданного режима

работы муфты (направление и скорость вращения, величина

крутящего момента и т.п.); к данному типу муфт относятся

(центробежные (рис. 78, и), предохранительные (рис. 78, б),

обгонные и др.).

Широко применяемые муфты нормализированы. Основными

характеристиками каждой муфты является диаметры валов, для

соединения которых предназначена муфта и величина

расчетного

крутящего момента

в наиболее тяжелых условиях нагружения

= kТ, (8.36)

где Т

– крутящий момент, передаваемый муфтой при установившемся

режиме работы (номинальный момент);

k = 1 ÷ 3 – коэффициент

динамичности или режима работы, учитывающий дополнительные

динамические нагрузки на муфту (определяется по справочной

литературе).

Муфты подбираются по назначению, диаметру вала и

расчетному крутящему моменту Т

. Для некоторых элементов муфт

выполняют проверочные расчеты на прочность.

Втулочные муфты (рис. 78, а, б) имеют самые малые габариты,

просты по конструкции

– передача момента осуществляется при

помощи шпонок, например, сегментных (рис. 78, а) или при помощи

конических 1 или цилиндрических 2 штифтов (рис. 78, б).

Цилиндрические штифты со специально подобранными сечениями

малых размеров могут выполнять функцию предохранительного

элемента, разрушающегося при превышении определённой нагрузки

– в этом случае муфта будет являться предохранительной. Шпонки и

штифты рассчитываются на срез и смятие.

Фланцевая муфта (рис. 78, в) может комплектоваться болтами,

устанавливаемыми с зазором 4 и без зазора 3. Круглая шлицевая

гайка 1 и стопорная шайба 2 предотвращают осевые смещения вала

относительно муфты. Точность взаимного расположения полумуфт

обеспечивается центрующим выступом диаметром

. При передаче

фланцевой муфтой крутящего момента Т

болты, установленные без

зазора испытывают поперечную силу

и рассчитываются на срез



(8.37)

200

],[

ср







(8.38)

где z

– число болтов, установленных без зазора; d

– диаметр

ненарезанной части болта.

Болты фланцевой муфты, установленные с зазором, должны

быть затянуты с таким усилием

, при котором сжатие полумуфт

обеспечивает создание между торцевыми поверхностями полумуфт

такой силы трения, при которой обеспечивается неподвижность

полумуфт друг относительно друга

)zz(fD

21o





(8.39)

где f  0,2 – коэффициент трения; z

– число болтов, установленных с

зазором.

При этом болты испытывают действие растягивающей силы и

момента, скручивающего болты. Таким образом, болты,

установленные с зазором, образуют напряженное соединение (см.

раздел 8.4) и рассчитываются по формуле

 

3,1

экв







(8.40)

где d

– внутренний диаметр резьбы.

В продольно

-разъемной муфте (рис. 78, г) валы предварительно

соединяются двумя вкладышами 3, которые фиксируются пружинными

кольцами 4. При окончательной сборке полумуфты 1 стягиваются

двумя кольцами 2 при помощи трех шпилек 5.

Зубчатые муфты (рис. 78, д) применяются в высоконагруженных

приводах для валов от 40 до 560 мм. Они допускают угловое

смещение осей до 1,5

 и определенное радиальное смещение. Муфта

состоит из втулок 1 и 2 с внешними зубьями и двух обойм 3 и 4 с

внутренними зубьями. Обоймы жестко соединены болтами. В обоймах

имеются каналы для подачи высоковязкой смазки, для удержания

которой и для герметизации внутренней полости муфты

предусматриваются уплотнительные кольца 5.

Шарнирная муфта (рис. 78, е) допускают работу при наибольших

угловых смещениях соединяемых валов

– до 45. Шарнирная муфта

(кардан) состоит из двух полумуфт 1, 2 и промежуточного звена

–

крестовины 3.