8. Подшипники скольжения

8.1. Общие сведения

О сновными элементами подшипников скольжения (рис. 8.1) являются корпус 1, вкладыши 2 и смазывающие устройства (канавки 3; стрелки– ход масла). Вкладыш– деталь, устанавливаемая с зазором на цапфу вала диаметром d и длиной l (оптимально l / d = 0,6…1). Он может быть разъемным (из двух половин) и неразъемным в виде втулки.

Несущую способность подшипника обеспечивает смазочный материал (жидкий, пластичный, газообразный) или создание магнитного поля. В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения подразделяют на: а) радиальные – для восприятия радиальной силы Fr; б) упорные (подпятники) – для восприятия осевой силы Fa; в) радиально-упорные – для восприятия сил Fr и Fа. Правило применения таково: везде, где возможно и

Рис. 8.1

целесообразно, следует применять подшипники качения.

Вкладыши бывают металлические, металлокерамические и неметаллические. Металлические вкладыши выполняют из бронзы, баббитов, алюминиевых и цинковых сплавов, антифрикционного чугуна.

Наилучшим антифрикционным материалом для подшипников скольжения является баббит – сплав на основе олова и свинца. Недостатками его являются хрупкость и высокая стоимость. Поэтому баббит наплавляют лишь тонким слоем 4 на рабочую поверхность стального, чугунного или бронзового вкладыша 2 (рис. 8.1). Лучшими являются высокооловянные баббиты Б88, Б83.

8.2. Условия работы и режимы трения

Без смазки между цапфой вала 1 (рис. 8.2, а) и вкладышем 2 имеет место металлический контакт, что при вращении вызывает большое повышение температуры и абразивный износ. Перегрев подшипника является основной причиной его разрушения, что связано с заеданием цапфы и выплавлением вкладыша. Для уменьшения трения и износа подшипники смазывают.

В момент пуска и при малой угловой скорости наблюдается режим граничной смазки, когда толщины масляной пленки не хватает для разделения поверхностей трения (рис. 8.2, а). Вращающийся вал, как насос, вовлекает масло в клиновой зазор между цапфой и вкладышем, который образуется за счет смещения центров О₁ и О₂ на величину радиального зазора δ = О₁О₂ (рис. 8.2, а). Из гидродинамической теории смазки (Петров Н.П., 1883г.) следует, что в сужающемся клиновом зазоре между сопряженными поверхностями при

движении возникает избыточное гидродинамическое давление р (рис. 8.2, б), под действием которого вал всплывает. По мере увеличения скорости толщина слоя масла в зазоре увеличивается, но отдельные микронеровности трущихся поверхностей задевают друг друга. Такую работу подшипника характеризует режим полужидкостной смазки.

Рис. 8.2

При дальнейшем возрастании скорости ω и достижении ее критического ω_кр значения возникает устойчивый слой масла толщиной h_min > R_z1 + R_z2, (где R_z – максимальные шероховатости трущихся поверхностей), который полностью разделяет цапфу и вкладыш (режим жидкостного трения) и воспринимает нагрузку F_r. Вал смещается в сторону вращения (точка O₁′), образуя эксцентриситет e = О₁′О₂. При ω → ∞, эксцентриситет e → 0, но полного совпадения центров О₁ и О₂ быть не может, так как нарушится клиновая форма зазора, как одно из обязательных условий создания гидродинамического давления p.

Толщина h масляного слоя является функцией характеристики режима трения λ = μω / p, где ω = πn / 30 – угловая скорость цапфы, с^-1; p = F_r / (dl) – условная нагрузка на подшипник, Па; μ – динамическая вязкость масла, Па·с. На рис. 8.3 показана зависимость коэффициента трения f от характеристики λ при различных режимах трения (кривая Герси-Штрибека).

Рис. 8.3

Рис. 8.4

Рис. 8.5

На кривой различают зоны:

1. Граничное и полужидкостное трение (ω < ω_кр).

2. Режим жидкостного трения (ω > ω_кр); f = 0,001…0,005.

3. Устойчивый режим жидкостного трения (ω > ω_кр); толщина h масляного слоя растет, но возрастает и коэффициент трения f за счет увеличения трения внутренних слоев вязкого масла (скорости v в слоях не равны – скольжение; рис. 8.4). В этом случае ω опережает рост толщины слоя h. Смазка в подшипник подводится по ходу вращения цапфы туда, где отсутствует давление р (зона 4 рис. 8.2, б). По длине l (рис. 8.2, в) масло распределяется с помощью смазочных канавок во вкладыше. По торцам подшипника имеется утечка масла, что снижает давление р на краях. Многие подшипники хорошо работают при смазке самотеком. Если самотека недостаточно, то масло подается под давлением насосом.

Итак, условия образования режима жидкостного трения:

1. Наличие сужающегося клинового зазора (посадка с зазором).

2. Скорость ω вращения должна быть больше критической ω_кр.

3. Масло определенной вязкости μ должно непрерывно заполнять подшипник.

Подшипники скольжения, в которых несущий масляный слой создается вращением вала со скоростью ω > ω_кр, называют гидродинамическими. Их недостатками являются повышенный износ в режиме полужидкостного трения в периоды пуска и торможения (ω < ω_кр, p_гд < p) и наличие эксцентриситета е, вызывающего погрешность центрирования вала в опоре. В гидростатических подшипниках (рис. 8.5) режим жидкостного трения создается за счет подвода масла под цапфу вала от насоса с давлением p_гс > p в периоды до начала пуска и торможения. Вал разгоняется или останавливается на масляной подушке. Давление p_гс регулируется системой автоматики. Жидкостной режим не зависит от скорости ω.