Тема 3.12. Подшипники скольжения.

1. Общие сведения.

2. Конструкция подшипников скольжения.

3. Смазочные материалы. Смазывание подшипников.

4. Расчёт подшипников скольжения.

3.12.1. Подшипники являются опорами валов и вра­щающихся осей. Они воспринимают нагрузки, при­ложенные к валу (оси), и передают их на корпус машины. От качества подшипников в значительной степени зависит надежность машин. По виду трения они делятся на подшипники скольжения и подшипники качения.

В подшипниках скольжения поверхность цапфы вала (оси) скользит по поверхности подшипника. При этом возникает трение скольжения, которое приводит к повышенному износу и нагреву. Для уменьшения трения между поверхностями скольжения вводят смазку.

Достоинства ПС:

• сохраняют работоспособность при очень высоких угловых скоростях валов;

• смяг­чают толчки, удары и вибрации вследствие демпфи­рующего действия масляного слоя;

• обеспечивают установку валов с высокой точностью;

• дают воз­можность изготовлять разъемные конструкции;

• име­ют минимальные радиальные размеры;

• допускают ра­боту с загрязненной смазкой;

• специальные ПС способны работать в воде;

• обеспечивают бесшум­ность работы.

Недостатки ПС:

• сравнительно большие потери на трение и особенно при пуске;

• необходи­мость постоянного ухода вследствие высоких тре­бований к смазке и опасности перегрева;

• большой расход смазки и необходимость постоянного контроля её наличия;

• большие осевые габариты.

Применяют в высокоскоростных машинах (цент­рифуги, шлифовальные станки и др.), когда долго­вечность подшипников качения резко сокращается; для валов, например коленчатых, когда по условиям сборки требуются разъемные подшипники; при рабо­те в химически агрессивных средах и воде, в которых подшипники качения неработоспособны; для валов, воспринимающих ударные и вибрационные нагрузки; при близко расположенных валах, когда требуются малые радиальные размеры подшипников; в тихо­ходных малоответственных механизмах и машинах.

1 3.12.2. Конструкции подшипников скольжения весьма раз­нообразны. Во многом они зависят от конструкции машины, в которой устанавливается подшипник. Основные элементы подшипников корпус и вкла­дыш (втулка). Часто подшипник не имеет спе­циального корпуса. При этом вкладыш размещают непосредственно в станине или раме машины, например подшипники двигателей, станков, редукторов и т. п.

В большинстве случаев подшипники скольжения ва­лов устанавливают в специ­альные корпуса, которые бывают двух видов: нера­зъемные и разъемные.

В неразъемных корпусах подшипников вкладыш обычно представляет собой втулку из антифрикционного материала, запрессованную в корпус. Они просты по конструкции и дешевы. Однако имеют крайне ограниченное распространение, так как не дают возможности компенсировать износ втулки. Применяют для опор тихоходных валов с небольшой нагрузкой (сельскохозяйственные ма­шины, транспортеры и др.).

Разъемный корпус состоит из основания и крышки, соединенных винтами, шпильками или болтами. Имеет два вкладыша (втулка, разрезанная по диаметру), которые устанавливают в корпус и в крышку и предохраняют от проворачивания штифтом. Разъем облегчает монтаж или даже является необходимым условием сборки, позволя­ющей регулировать зазор в подшипнике, либо ремонтировать подшипник путем повторных расточек вкладыша при износе. Корпуса подшипников могут быть выполнены либо заодно с какой-нибудь дета­лью машины — рамой, кожухом, шатуном, либо в виде отдельного изделия. Материалом для корпусов служит серый чугун, обладающий хорошими литей­ными свойствами. Преимущественное применение получили в общем и особенно в тяжелом машиност­роении.

Встроенные подшипники (рис. 15.5) уста­навливают непосредственно в корпусе машины. Такое устройство характерно для подшипников некоторых

К ПС относятся также подшипники с самоустанавливающи­мися вкладышами. Для компенсации непараллельности осей вала и расточки в корпусе, вызванных погрешностями и деформациями, неточ­ностью монтажа при большой длине цапфы, исполь­зуют вкладыши со сферическими выступами, само­устанавливающиеся благодаря сопряжению с корпу­сом по сферической поверхности, обеспечивая тем самым равномерное распределение нагрузки в под­шипнике.

Подшипники скольжения используют для восприя­тия радиальных и осевых нагрузок, а иногда и для их сочетания. Опора для восприятия только осевой нагрузки называется подпятником — это кольцо из чугуна, бронзы или другого антифрикционного материала с прорезан­ными по торцу смазочными канавками.

Вкладыш — основная деталь подшипника скольже­ния, непосредственно воспринимающая передавае­мую цапфой нагрузку. Наиболее просты по конструкции неразъемные вкладыши — втулки, изготовленные из антифрикционного материала. Толщина стенки вкладыша . Разъемные вкладыши изготовляют из двух частей со стыком в плоскости разъема подшипника. Их выполняют без буртиков, с одним и с двумя буртиками. Толщина стенки вкладыша , где —диаметр цапфы вала, мм. Вкладыши без буртиков применяют при действии на подшипник только радиальной нагрузки. При наличии кроме радиальной также односторонней или двусторонней осевой нагрузки используют вкладыши с одним или двумя упорными буртиками. Два буртика вкладышей не только воспринимают осевую нагрузку, но и одновременно фиксируют вкладыши от осевых смещений от­носительно корпуса.

Материал вкладышей должен обладать низким коэффициентом трения, отсутствием склонности к заеданию, высокой те­плопроводностью и сопротивляемостью хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок, до­статочно высокой износостойкостью. Изнашиваться должен вкладыш, а не цапфа вала, так как замена вала значительно дороже вкладыша. Дол­говечность вкладыша увеличивается с увеличением твердости поверхности цапфы вала, поэтому по­следнюю, как правило, обрабатывают до высокой твердости.

Бронзы обладают наилучшими антифрикционными свойствами, высокие механические характеристики, но сравнительно плохо прирабатываются, вызывают повышенное изнашивание цапф, поэтому применяются в паре с закаленными цапфами. Бронзы ши­роко применяют в крупносерийном и массовом производстве.

Антифрикционные чугуны обладают хорошими антифрикционными свой­ствами благодаря включениям свободного гра­фита, но прирабатываются хуже, чем бронзы. При­меняют в тихоходных и умеренно нагруженных машинах.

Баббиты — одни из лучших материалов для подшипников скольжения. Они хоро­шо прирабатываются, мало изнашивают вал, стойки против заедания, но дороги и по прочности уступают чугуну и бронзе. Баббитом заливают только рабочую поверхность вкладышей (с увеличением толщины слоя сопротивление усталости уменьшается. Прочность вкладышей обеспечивается более высокими механическими свойствами основы из стали или чугуна. Применяют для ответственных подшипников при тяжелых и средних режимах работы (компрессоры и др.).

Металлокерамические вкладыши изго­товляют прессованием при высоких температурах порошков бронзы или железа с добавкой графита, меди, олова или свинца. Большое преимущество таких вкладышей—высокая пористость, которая используется для насыщения горячим маслом. Вкладыши, пропитан­ные маслом, могут долго работать без подвода смазки. Применяют в тихоходных механизмах в местах, труднодоступных для подвода масла.

Пластмассовые вкладыши (фторопласт, текстолит, капрон, нейлон и др.) имеют очень низкий коэффициент трения и высокую износостой­кость (в 5...6 раз выше, чем у бронзы). Вкладыши из пластмасс хорошо прирабатываются, устойчивы против заедания. Применяют в подшипниках гид­ротурбин, насосах, химической промышленности, ма­шинах, работающих в пыльной среде.

Резиновые вкладыши (слой резины — обклад­ку помещают внутри стальной втулки) применяют главным образом в подшипниках, работающих в воде. Достоинства: высокая податливость, компен­сирующая неточность изготовления, пониженная чув­ствительность к попаданию на рабочую поверхность вкладыша твердых частиц.

13.12.3. Смазывание подшипни­ков скольжения предназначено для снижения потерь мощности на трение, предохранения от коррозии, уменьшения износа и увеличения отвода теплоты, образующейся при работе подшипника. Для нор­мальной работы подшипников исключительно важно создать надежную смазку, что обеспечивается рацио­нальным выбором и подводом к подшипнику сма­зочного материала.

Важнейшими свойствами смазочного материала, определяющими его смазы­вающую способность, являются вязкость и маслянистость.

Вязкость, или внутреннее трение жид­костей,—свойство сопротивляться сдвигу одного слоя жидкости по отношению к другому. Зависит от окружной скорости валов, м/с, и температуры нагрева масла, °С.

Маслянистость (смачиваемость, лип­кость)—способность смазочного материала к об­разованию и удержанию на поверхности трения трущихся деталей машин тонких пленок масла.

Вязкость — индивидуальное качество данного масла, а маслянистость зависит от свойств не только масла, но и цапфы вала и вкладышей подшипников.

Смазочные материалы подразделяются на жидкие, пластичные, т. е. густые (мази), твердые.

Жидкие масла — основной смазочный материал подшипников. Они равномерно распределяются по трущимся поверхностям, обладают малым внутрен­ним трением, хорошо работают в значительном диапазоне температур, оказывают охлаждающее дей­ствие. Жидкие масла бывают минеральные и орга­нические. Минеральные масла — продукты перегонки нефти (индустриальные масла различных марок и др.). Преимущественно применяют для подшип­ников. Органические масла — растительные (льняное, касторовое и др.) и животные (костный жир и др.) — обладают высокими смазывающими свойствами, но они дороги и находят применение лишь в специаль­ных случаях.

Пластичные смазочные материалы (солидол, консталин и др.) изготовляют загущением жидких мине­ральных масел специальными загустителями. Приме­няют в подшипниках с небольшим тепловыделением и при отсутствии необходимости отвода теплоты с помощью масла. Они хорошо заполняют зазоры, герметизируя узел трения. Применяются в широком диапазоне температур и режимов эксплуатации. Осо­бенность этих смазочных материалов — удерживаться на вертикальной плоскости, что имеет важное зна­чение для смазки подшипников вертикальных валов.

Вода—применяется для смазывания подшипников с вкладышами из текстолита, ДСП и некоторых других пластмасс. При резиновых обкладках вкла­дышей допустима смазка только водой.

Твердые смазочные материалы (графит, тальк, слюда и др.). Применяют при высоких и низких температурах, в агрессивных средах, при глубоком вакууме, когда по условиям работы подшипников нельзя применить жидкие и пластичные материалы (текстильная, пищевая и другие области промышлен­ности). Твердые смазочные материалы эффективны также и в обычных условиях в качестве добавки к жидким маслам для увеличения протвозадирной стойкости, которая достигается образованием проч­ной пленки на металлических поверхностях, защи­щающей их от схватывания.

Газообразные смазочные материалы (воздух, газ и др.) применяют в подшипниках быстроходных и малонагруженных валов (шпиндели шлифовальных станков, центрифуги и др.). Достоинство воздуш­ной смазки — небольшие потери мощности в под­шипниках на трение и теплообразование, так как вязкость воздуха очень низкая.

С мазочный материал подводится к подшипнику по ходу вращения цапфы (чаще всего сверху) в зазор ненагруженной зоны вкладыша. Рас­пределение его по длине вкладыша осуществляется смазочными канавками. В ме­стах стыка вкладышей на их внутренней поверхности делают неглубокие карманы-холодильники А, которые охлаждают смазочный материал, распределяют его по длине цапфы и со­бирают продукты изнашивания. Чтобы ограничить поток масла в направлении к торцам вкладыша, карманы не доводят до торцов.

Подшипники скольжения, расположенные в стен­ках корпусов, смазывают жидким маслом. Для подвода смазочного материала после запрессовки вкладыша сверлят отверстия.

Виды смазывания весьма разнообразны. Пе­риодическое смазывание, при котором жид­кая смазка подается к поверхности трения через пресс-масленку под давлением с по­мощью шприца, а пластичная смазка — колпачковой масленкой, заполненной смазкой, которая выдавливается подвертыванием колпачка. Фитильное смазывание обеспечи­вает непрерывность подачи жидкого смазочного ма­териала к поверхности трения с помощью фитиля. Смазывание кольцом — наиболее совершенный способ непрерывного смазывания под­шипников. Осуществляется свободно висящим на цапфе кольцом. От силы трения между цапфой и кольцом последнее вращается, захватывая из ванны масло, и подает его на цапфу.

Значения коэффициента полезного действия подшипников скольжения зависят от потерь на трение поверхностей скольжения. В условиях полужидкост­ной смазки КПД одной пары радиальных подшип­ников скольжения принимают =0,96...0,98.

13.12.4. Работа подшипников скольжения сопровождается главным образом абразивным изнашиванием вкладышей и заеданием. В случае дейст­вия кратковременных перегрузок ударного характера вкладыши подшипников могут хрупко разрушаться. Хрупкому разрушению подвержены малопрочные антифрикционные материалы, такие, как баббиты и некоторые пластмассы. Усталостное выкрашивание поверхности вкладыша при действии переменных нагрузок (двигатели внутреннего сгорания и т. п.) наблюдается сравнительно редко.

Абразивное изнашивание вкладышей происходит вследствие попаданий со смазочным материалом на трущиеся поверхности абразивных частиц (пыли, грязи) и неизбежного трения при пуске и останове. Если износ превышает норму, вкладыш заменяют.

З аедание происходит при перегреве подшипника. Вследствие трения нагреваются цапфа, вкладыш и масло. С повышением температуры понижается смазочная способность масла, которая связана с прочностью тонкой масляной пленки на поверхностях трения. При повышении температуры в рабочей зоне подшипника до некоторого критического значения эта пленка разрушает­ся. Возникает трение без смазки (металлический контакт), что влечет за собой дальнейшее повышение температуры и заедание (схватывание) поверхностей трения. Заедание приводит к выплавлению подшипника. Подшипник выходит из строя. Так как износ и заедание являются причинами выхода из строя подшипников, то основными критериями работоспособности и расчета подшипников скольжения являются износостойкость и теплостойкость.

Расчет на износостойкость и теплостойкость вы­полняют как проверочный, когда известны диаметр цапфы, который определя­ют при проектировочном расчете вала, и ширина вкладыша , которую назначают по рекомендации: .

Расчет подшипников выполняют условно по двум показателям: среднему давлению

между цапфой и вкладышем и произведению . Расчет по гарантирует невыдавливание смазки и представляет собой расчет на износо­стойкость. Расчет по гарантирует нормальный тепловой режим, т. е. отсутствие заедания, и пред­ставляет собой расчет на теплостойкость. Для ограничения износа и нагрева необходимо выполнить условия

, ,

где — радиальная нагрузка на подшипник; — окружная скорость цапфы. Допускаемые значения установлены опытным путем

Если при расчете данные условия не выполняются, то надо изменить материал или ши­рину вкладыша и повторить расчет.