Кольцо подшипника
.odtВведение.
Подшипник качения-часть опоры вала (или вращающейся оси), воспринимающая от него радиальные, осевые и радиаль но – осевые нагрузки,работающие в условиях преобладающего трения качения. Попытки заменить трение скольжения трением качения были известны давно. Так, знаменитый русский механик Кулибин для опор осей построенной им «самокатки» (1791г.) применил цилиндры,явившиеся прототипом современных подшипников качения. Другим интересным примером применения трения качения являются перемещение массивного гранитного камня для цоколя памятника Петру I в Петербурге(1769г.). Этот камень массой около 1000т доставлен к месту назначения на деревянных брусьях с выдолбленными в них желобами, которые были обиты медными листами. На желоба укладывали большие бронзовые шары, а сверху на них надвигали такие же желобчатые брусья,на которых уже помещался камень. Появление велосипедов,оборудованных подшипниками качения, дало толчок широкому использованию подшипников качения в самых различных механизмах. В настоящее время трудно назвать такую отрасль машино-и приборостроения,где бы не применялись подшипники качения. Уже успешно осуществлен перевод на подшипники качения подвижного состава железных дорог,прокатных станов,тяжелых прессов,многих конструкций станков, новых мощных экскаваторов и др. Подшипники качения имеют ряд преимуществ перед подшипниками скольжения. К основным достоинствам подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения относятся меньшие затраты энергии на процесс трения(момент трения в шарикоподшипниках примерно в 3-6 раз меньше, чем в подшипниках скольжения),меньше габаритные размеры(по ширине),меньший расход смазочных материалов и др. Теория и практика показывают,что подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения обладают лучшими конструктивными и эксплуатационными данными. Применение подшипников качения дает возможность повысить к. п. д. всей машины,уменьшить нагрузку двигателя в период разгона машины,а также достичь рабочего режима ее в более короткий срок. Эксплуатационные расходы на опоры качения в большинстве случаев оказываются меньше, чем на опоры скольжения, экономия при этом может быть достигнута до 30%. Недостатками подшипников качения являются:ограниченные возможности работы при весьма больших нагрузках и частотах вращения,большие габаритные размеры по диаметру,а также невозможность разъема(что иногда вызывает затруднения при конструировании машин и их монтаже),сравнительно высокая стоимость и возможность изготовления только на специализированных заводах с высокой технической культурой. В СССР подшипниковая промышленность за годы советских пятилеток была создана заново. Подшипники качения стандартизированы и изготовляются в массовом производстве наряде крупных специализированных заводов. Изготовление подшипников качения в заводских условиях было начато в 1933г в Германии. В СССР выпускаются подшипники с внутренним диаметром от долей миллиметров до 1345 мм и массой от долей граммов до 4т
Анализ конструкции и условий работы детали.
Назначение подшипников – поддерживать вращающиеся валы и оси в пространстве, обеспечивая им возможность вращения или качания, и воспринимать действующие на них нагрузки.
Для получения оптимального сочетания прочности и контактной выносливости кольца и ролики подшипников должны иметь после закалки и отпуска твердость 61 - 65 HRC для стали ШХ 15 и 60- 64 HRC для стали ШХ 15СГ, а шарики – 62 - 66 HRC.
Подшипники могут быть также поддерживать детали, вращающиеся вокруг осей и валов,например шкивы,шестерни и другие.
Подшипники качения применяются в различных машинах и приборах, в которых они работают в широком диапазоне частот вращения (до 20000 об/мин) при значительных температурах.
Подшипники качения являются ответственными деталями многих машин(станков,автомобилей,тракторов,вагонов,электродвигателей и других), определяющих их точность и производительность.
Шариковый радиально- упорный подшипник предназначен для восприятия совместно действующих радиальных и односторонних осевых нагрузок. Может воспринимать чисто осевую нагрузку. Шариковый упорный подшипник предназначен для восприятия односторонних осевых нагрузок. Удовлетворительно работает при низких и средних частотах вращения, когда скорость на валу не более 5 ... 10 м/с (верхние значения-для подшипников легких серий средних размеров). При высоких частотах вращения подшипник работает плохо вследствие центробежных сил и гироскопических моментов, действующих на шарики.
Шариковый радиально-упорный двухрядный подшипник предназначен для восприятия значительных радиальных, осевых и комбинированных нагрузок в условиях высоких требований к жесткости.
Шариковый радиально-упорный однорядный подшипник с разъемным внутренним (или наружным) кольцом и контактном в трех или в четырех точках предназначен для работы при радиальных и двусторонних осевых нагрузках в условиях стесненных габаритов по оси.
Роликовый радиальный подшипник с короткими роликами предназначен для восприятия повышенных радиальных нагрузок.
Подшипники качения работают в условиях качения шариков (или роликов) по наружному и внутреннему кольцам.
Подшипник обычно работает в режимах качения в нагруженной зоне и скольжения в ненагруженной.
Рабочая температура кольца подшипника: 100 – 250oC. Условия работы: кольцо подшипника испытывает ударные нагрузки. Стали должны обладать: высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости.
Выбор материала для изготовления детали.
Для изготовления тел качения подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ 15 (0,95 - 1,05 % C и 1,3 - 1,65 % Cr), а больших сечений – хромомарганцевокремнистую сталь ШХ 15СГ (0,95-1,05 % C, 0,9 - 1,2 % Cr, 0,4 - 0,65 % Si и 1,3 - 1,65 % Mn), прокаливающуюся на большую глубину.
Сталь ШХ 15СГ
Сталь ШХ 15
Сталь ШХ 4
Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.
Кольцо подшипника будет изготавливаться из стали ШХ 15, так как сталь ШХ 15 предназначена для изготовления деталей, от которых требуется высокая твердость, контактная прочность и износостойкость, т. е. колец подшипников.
Способ получения полуфабриката.
Производство чугуна.
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe3O4, Fe2O3; гидроксидов Fe2O3*nH2O; карбонатов FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe3O4 (55 ... 60% Fe), красный железняк Fe2O3 (55 ... 60% Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe2O3 3H2O и Fe2O3*nH2O (37 ... 55% Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO3 (30 ... 40% Fe).
Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10 ... 82% Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: MnO2, Mn2O3, Mn3O4, MnCO3 и др.
Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (FeO*Cr2O3), Cr2O3 (до 40% Cr2O3).
Комплексные руды используют для выплавки природно – легированных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20% Mn), хромоникелевые руды (37 ... 47%Fe, до 2% Cr, до 1%Ni), железованадиевые руды (до 0,17 ... 0,35%V).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.
Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является известняк CaCO3 и MgCO3, так как в шлаки должно входить определенное количество основных оксидов (CaO, MgO).Это необходимо для удаления серы из металла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. В известняке суммарное содержание оксидов SiO2 и Al2O3 не должно превышать 1%. Содержание серы и фосфора должно быть быть минимальным. Для нормальной работы доменной печи шлак должен быть достаточно жидкотекучим при температуре 1450oC. В таком шлаке отношение кислотных оксидов к основным должно быть около единицы:
(SiO2 + Al2O3)/(CaO + MgO) ≈ 1.
Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки – увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей – серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.
Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дробление руды осуществляется на щековых или конусных дробилках, а также в шаровых мельницах и других агрегатах.
Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным просеиванию, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.
Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее составляющих, магнитных, физико – химических свойств минералов. Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляющие руды от пустой породы (песка, глины). Гравитация (отсадка) – это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.
Окускование проводят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.
При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40 ... 50%), известняка (15 ... 20%), возврата мелкого агломерата (20 ... 30%), коксовой мелочи (4 ... 6%), влаги (6 ... 9%), спекают на агломерационных машинах пи температуре 1300 ... 1500oC При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.
При окатывании шихту из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков – окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200 ... 1350oC на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса – известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав.
Выплавка чугуна.
Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом, выделяющимся при сгорании топлива в печи и твердым углеродом.
Устройство доменной печи и ее работа.
Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает в себя колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают,подают в вагонетки 9, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60o.
При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются , а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи – это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 ... 5000 м3. Полезная высота H доменной печи достигает 35 м.
В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для повышения температуры в печи и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка выполнена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.
Газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются из нее через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувкой машиной. Воздух, проходя через насадку нагревается до температуры 1000 ... 1200oC и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.
Физико – химические процессы доменной плавки. Условно процессы,протекающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа; науглероживание железа; восстановление марганца, кремния, фосфора, серы; шлакообразование. Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных температурах и на разных уровнях.
Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO, CO2, CH4, N2, H2 и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000oC. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300 ....400oC у колошника.
Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре 500 ... 570oC начинается восстановление оксидов железа.
При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, верхней части доменной печи разрушаются гидрат оксидов железа и алюминия. Известняк флюса диссоциирует по реакции CaCO3 = CaO + CO2.
в результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий – от высшего к низшему:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
Восстановление железа заканчивается при 1100 ... 1200oС. в доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери его шлаком составляют не более 1%.
Науглероживание железа. Восстановление железа начинается в верхней части шихты доменной печи при 500 ... 570oC и заканчивается в распаре при 1100 ... 1200oС. При этих температурах восстановленное железо с T пл=1539oC находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание при взаимодействии с оксидом углерода, коксом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.
Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000 ... 1200oC восстанавливаются из руды, также обогащаются серой, содержащейся в коксе.
Марганец в виде оксидов в доменную печь вносится железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции, аналогичной восстановлению железа:
MnO2→Mn2O3→Mn4O3→MnO.
Оксид марганца (MnO) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Mn3C) при температуре не ниже 1100oC. Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть (MnO) входит в состав шлака.
Кремний, содержащийся в руде в виде соединений (FeO)3*P2O5 и (CaO)3*P2O5. При температурах выше 1000oС фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300oС фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3P полностью растворяется в железе.
Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летучая, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реакции FeS + CaO = CaS + FeO часть серы в виде CaS удаляется в шлак.
Образование шлака. Шлакообразование активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления железа путем сплавления флюсов, добавляемых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при температуре 1400 ... 1450oC, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составляющие доменного шлака: оксиды кремния (30 ... 45%), оксиды кальция (40 ... 50%), оксид алюминия (10 ... 25%)
и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.
чугун выпускают из печи каждые 3 ... 4ч, а шлак – через 1 ... 1,5ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 – отверстие в кладке, расположенное несколько выше лещади, а шлак – через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугунные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно – конвертерные или мартеновские цехи для предела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек – слитков массой 45кг.
Производить сталь я буду кислородно – конвертерным процессом, так как кислородно – конвертерный процесс – более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.
Кислородно – конвертерный процесс – это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы 2, корпус которого сварен из листовой стали толщиной 50 ...100 мм. Внутренняя футеровка корпуса, как правило, двухслойная, толщиной 700 ... 1000 мм. она изготовляется из основных огнеупорных материалов,преимущественно из магнезита и доломита. Стойкость рабочего слоя составляет 400 ... 600 плавок. Конвертер имеет опорный пояс 3 с цапфами, расположенными в подшипниках опор. Для поворота конвертера предусмотрен механизм привода 4, при помощи которого конвертер может поворачиваться в обе стороны на любой угол.
Сверху через горловину рабочее пространство конвертера входит водоохлаждаемая кислородная фура 1. Расстояние от ванны до сопел фурмы может изменяться по ходу плавки, обеспечивая рациональный режим продувки.
вместимость конвертера 70 ... 350 т расплавленного чугуна.
Шихтовыми материалами кислородно – конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда,а также боксит (Al2O3), плавиковый шпат (CaP2), котрые применяют для разжижения шлака.
Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап (рис. 2.5, а), заливают чугун при температуре 1250 ... 1400oC (рис. 2.5, б). После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис.2.5, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9 ... 1,4 МПа. Расход кислорода составляет 2 ... 5 м3/мин на 1 т металла. Чистота технического кислорода должна быть 99,5 ... 99,7%, что обеспечивает в готовой стали низкое содержание азота (0,002 .. . 0,004%).Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода проникают в металл, вызывают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400oC.
В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше,чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теплотой, выделяющейся при окислении примесей, и он поддерживается в жидком состоянии.
В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержанием CaO и FeO, перемешиванию металла и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции: 2|P| + 5(FeO) + 4(CaO)↔(4CaO*P2O5) + 5|Fe| в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунах, перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15%P. При повышенном (до 0,3%) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводит новый, что снижает производительность конвертера.
Удаление серы из металла в лак протекает в течение всей плавки по реакциям: (FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO) и |FeS| + (CaO) = (CaS) + (FeO). Однако высокое содержание в лаке FeO( до 7 ... 20%) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с содержанием до 0,07%S/
Подачу кислорода заканчивают,когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.5, г)
При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис.2.5, д).
В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.
В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали с содержащие легко – окисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные (до 2 ... 3% легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 ... 300 т заканчивается через 25 ... 30 мин.
Кольцо подшипника изготовляют методом центробежного литья.
Центробежное литье.
При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает плотность и механические свойства отливок.
Центробежным литьем отливки изготавливаются в металлических, песчаных, оболочковых формах и формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращению.
Металлические формы – изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы обычно в 1,5 ... 2 раза больше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед началом работы изложницы подогревают до температуры 200oC.
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси расплавленный металл из разливочного ковша 4 заливают в литейную форму 2, укрепленную на шпинделях 1, который вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежными силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После останова формы отливка 3 извлекается.
На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.
На рисунке , в показана схема процесса литья сложных тонкостенных рабочих колес центробежных насосов на машинах с вертикальной осью вращения: 1,6 – половины кокиля; 2 – стержень, который формирует канал рабочего колеса и его лопасти; 3 – стол машины; 4 – стержень, воспринимающий удар струи заливаемого металла; 5 – шпиндель центробежной машины. Частота вращения изложницы при центробежном литье составляет 150 ... 1200 мин-1. Изложницы перед заливкой нагревают до температуры 150 ... 200oC. Температуру заливки сплавов назначают на 100 ... 150oC выше температуры ликвидуса.