Глава 5. Опоры осей и валов

Опоры осей и валов представляют собой устройства, обеспечи­вающие возможность их вращения с заданной скоростью и передаю­щие нагрузки от вращающихся деталей на корпус механической сис­темы.

Данные детали по характеру взаимодействия их элементов мож­но разделить на три основные группы: опоры с трением скольжения, опоры с трением качения и специальные опоры (с упругими элемен­тами, магнитные и др.).

Основными достоинствами опор с трением скольжения являют­ся простота их конструкции, малый диаметр, возможность регулиро­вания относительного положения элементов опор и сравнительно вы­сокая надежность при действии динамических нагрузок. Однако со­противление вращению у таких опор, особенно в период разгона механизма, велико; коэффициент трения скольжения изменяется в пре­делах от 0,1 до 0,001.

Опоры (подшипники) с трением качения являются практически универсальными опорами валов многих механизмов. Достоинством таких опор по сравнению с опорами скольжения является меньшее сопротивление относительному вращению, особенно в начальный пе­риод разгона механизма.

В магнитных опорах нагрузка вращающихся частей уравнове­шивается силами взаимодействия магнитных полей, благодаря чему непосредственный контакт элементов опоры исключается.

5.1. Подшипники скольжения

В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки под­шипники скольжения делятся на: радиальные (нагрузка перпендику­лярна осевым линиям осей и валов), упорные или подпятники (на­грузка вдоль осевых линий осей и валов), радиально-упорные (нагруз­ка осевая и радиальная). Из всего разнообразия опор скольжения наи­более просты в изготовлении и эксплуатации цилиндрические опоры.

Цилиндрические опоры (рис. 5.1, а) состоят из охватываемой де­тали 1 - цапфы (шипа) и охватывающей детали 2 - втулки-вкладыша (подшипника). В целях уменьшения трения, а, следовательно, и изно­са материала, втулки и цапфы изготавливаются из различных мате­риалов. Втулки делают из бронзы, латуни и некоторых других анти­фрикционных материалов, а цапфы из углеродистых или нержавею­щих сталей.

Расчет цилиндрических подшипников скольжения заключается в определении размеров и параметров, при которых обеспечивается необходимый режим трения, работоспособность и долговечность эле­ментов опоры. Размеры цилиндрических опор определяют из условий прочности, износа и нагрева.

Из условия прочности (5.1)

где d_ц - диаметр цилиндрической цапфы; Q = F_r - радиальная на­грузка; l- расстояние от средней точки соприкосновения подшипни­ка до опасного сечения цапфы; [σ_изг] - допускаемое напряжение на изгиб (для стали при переменной нагрузке [σ_изг] = 40÷60 МПа).

Для уменьшения сил трения и ограничения изнашивания тру­щихся поверхностей проектируемый подшипник должен удовлетво­рять двум условиям: удельная нагрузка на единицу расчетной поверх­ности вкладыша не должна превышать допускаемой величины: (5.2)

Второе условие связано с ограничением нагрева: произведение величины р на скорость скольжения не должно превышать допускаемого значения:

pv < [pv]. (5.3)

Здесь р - в МПа, нагрузка на подшипник; F - в Н; А - опорная поверхность, в мм2.

Значения [Р] и [pv] приводятся в справочных таблицах. Опорная поверхность круглоцилиндрических подшипников, не­сущих радиальную нагрузку (рис. 5.1, а), равна А = bd, среднее зна­чение b = (0,5 ÷1,2) d . Опорная поверхность подпятника (рис. 5.1, 6), несущего осевую нагрузку формуле:

При проверке кольцевой опорной поверхности по фактору pv определяют среднюю скорость скольжения vср на приведенном ра­диусе пяты:

Вкладыши подшипника, нагружаемого радиальной и осевой си­лами, выполняют с буртиком толщиной s=0,03d+(1 ... 3) мм; высота буртика

h=1,2d +(3 ... 5) мм. Посадка вкладыша в корпус – с натягом ; сопряжение с валом - с зазором .

Смазка подшипников скольжения. Смазывание непрерывное, жидким смазочным материалом высокой вязкости, в основном сма­зочными маслами марок И-40А, И-50А, И-70А. В зависимости от толщины смазочного слоя, образующегося между трущимися поверх­ностями, различают следующие виды смазок: гидродинамическая смазка, осуществляемая при высокой скорости скольжения, сравни­тельно небольшой удельной нагрузке; гидростатическая смазка при­меняется для опор, несущих большую нагрузку при малой скорости скольжения, смазочная жидкость, подается под давлением; граничная и полужидкостная смазки характеризуются тем, что тонкий слой жид­кого смазочного материала, образующийся между трущимися поверх­ностями, не отделяет их полностью друг от друга; такой процесс про­исходит в опорах при малой скорости скольжения.