Опори валів і осей – підшипники

Вали і осі підтримуються спеціальними деталями, які є опорами. Назва "підшипник" походить від слова "шип" (англ. shaft, нім. zappen, голл. shiffen – вал). Так раніше називали хвостовики і шийки вала, де, власне кажучи, підшипники і встановлюються.

Призначення підшипника полягає в тому, що він повинен забезпечити надійне і точне з'єднання обертової (вал, вісь) деталі і нерухомого корпуса. Отже, головна особливість роботи підшипника - тертя сполучених деталей. По характері тертя підшипники розділяють на дві великі групи:

підшипники ковзання (тертя ковзання);

підшипники кочення (тертя катання).

Підшипники ковзання

О сновним елементом таких підшипників є вкладиш з антифрикційного матеріалу або, принаймні, з антифрикційним покриттям. Вкладиш встановлюють (вкладають) між валом і корпусом підшипника [43].

Тертя ковзання безумовно більше тертя котіння, проте, переваги підшипників ковзання полягають у різноманітних областях використання:

• у рознімних конструкціях (див. малюнок);

• при більших швидкостях обертання (газодинамічні підшипники в турбореактивних двигунах при n  10 000 об/хв);

• при необхідності точного центрування осей;

• у машинах дуже великих і дуже малих габаритів;

• у воді і інших агресивних середовищах.

Недоліки таких підшипників - тертя і потреба в дорогих антифрикційних матеріалах.

Крім того, підшипники ковзання застосовують у допоміжних, тихохідних, мало відповідальних механізмах.

Характерні дефекти і поломки підшипників ковзання викликані тертям [41]:

- температурні дефекти (заїдання і виплавляння вкладиша);

- абразивне зношування;

- втомлююче руйнування внаслідок пульсації навантажень.

При всьому різноманітті і складності конструктивних варіантів підшипникових вузлів ковзання, принцип їхнього пристрою полягає в тому, що між корпусом і валом установлюється тонкостінна втулка з антифрикційного матеріалу, як правило, бронзи або бронзових сплавів, а для мало навантажених механізмів із пластмас. Є успішний досвід експлуатації в тепловозних дизелях М753 і М756 тонкостінних біметалічних вкладишів товщиною не більше 4 мм, виконаних зі сталевої смуги і алюмінієво-олов'яного сплаву АТ 20-1.

Б ільшість радіальних підшипників має циліндричний вкладиш, що, однак, може сприймати і осьові навантаження за рахунок жолобників на валу і закруглення крайків вкладиша. Підшипники з конічним вкладишем застосовуються рідко, їх використають при невеликих навантаженнях, коли необхідно систематично усувати ("відслідковувати") зазор від зношування підшипника для збереження точності механізму.

Для правильної роботи підшипників без зношування поверхні цапфи й втулки повинні бути розділені шаром змащення достатньої товщини. Залежно від режиму роботи підшипника в ньому може бути:

• рідинне тертя, коли робочі поверхні вала і вкладиша розділені шаром масла, товщина якого більше суми висот шорсткості поверхонь; при цьому масло сприймає зовнішнє навантаження, ізолюючи вал від вкладиша, запобігаючи їх зношуванню. Опір руху дуже малий;

• напіврідинне тертя, коли нерівності вала і вкладиша можуть стосуватися один одного і у цих місцях відбувається їхнє схоплювання і відрив часток вкладиша. Таке тертя приводить до абразивного зношування навіть без попадання пилу ззовні.

Забезпечення режиму рідинного тертя є основним критерієм розрахунку більшості підшипників ковзання. При цьому одночасно забезпечується працездатність за критеріями зношування і заїдання.

Критерієм міцності, а отже, і працездатності підшипника ковзання є контактні напруги в зоні тертя або, що, у п ринципі, те ж саме – контактний тиск. Розрахунковий контактний тиск порівнюють з допустимим

Тут N – сила нормального тиску вала на втулку (реакція опори),

l - робоча довжина втулки підшипника,

d – діаметр цапфи вала.

Іноді зручніше порівнювати розрахункове і добуток припуску тиску на швидкість ковзання. Швидкість ковзання легко розрахувати, знаючи діаметр і частоту обертання вала.

Добуток тиску на швидкість ковзання характеризує тепловиділення і зношування підшипника. Найнебезпечнішим є момент пуску механізму, тому що в спокої вал опускається ("лягає") на вкладиш і при початку руху неминуче сухе тертя.