1.2 Выбор типа опор

Долговечность и экономичность, а во многих случаях и габаритные размеры машин, зависят от конструкции опор трения. Поэтому к подшипниковым узлам предъявляют повышенные требования, обусловленные увеличением частот вращения, статических и динамических нагрузок и необходимого значительного увеличения надежности подшипниковых узлов.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили подшипники скольжения:

а) не требующие смазки; обычно их изготовляют из неметаллических материалов, обладающих низким коэффициентом трения и хорошей износостойкостью;

б) из пористых материалов, полученных, например, методом спекания; эти материалы обладают хорошими антифрикционными качествами и пропитаны смазкой;

в) жидкостного трения, работающие в гидродинамическом режиме смазки;

г) гидростатические подшипники скольжения.

При выборе подшипника для каждого конкретного случая необходимо учитывать совокупность многих факторов. Наиболее важными характеристиками подшипников являются их нагрузочно-скоростные характеристики. В подшипниках скольжения, не требующих смазки, ограничения предельной частоты вращения вала и нагрузки обусловлены опасностью, перегрева или разрушения подшипника, а также чрезмерным износом. Выделение тепла на рабочих поверхностях при заданной скорости скольжения U₀ и нагрузке на единицу площади проекции подшипника p_m пропорционально f , U_{0 ,} p_m . Износ подшипника трения без смазки пропорционален p_m U₀. Таким образом, с увеличением частоты вращения допустимая нагрузка на подшипник уменьшается (рисунок 2а).

Несущая способность гидростатических подшипников определяется в основном давлением подводимой смазки. При больших частотах вращения уменьшается вязкость смазки. Это приводит к некоторому уменьшению несущей способности, что характеризуется наклонным участком на рисунке 2б.

Несущая способность гидродинамических подшипников (рисунок 2в) повышается по мере увеличения частоты, вращения при достаточном количестве подводимой смазки. Однако при высоких частотах вращения в результате интенсивного тепловыделения значительно уменьшается вязкость смазки и, следовательно, несущая способность. В общем случае несущая способность ограничена минимально допустимой толщиной смазочной пленки и критической температурой смазки.

Несущая способность подшипников, изготовленных из пористых материалов, при увеличении частоты вращения уменьшается (рисунок 2г). Основными факторами, вызывающими уменьшение предельной несущей способности подшипников качения (рисунок 2д), являются бринеллирование при малых частотах вращения и усталостная прочность при больших.

Подшипники скольжения конкурируют с подшипниками качения -130 многих отраслях машиностроения. В ряде случаев предпочтение должно быть отдано подшипникам скольжения, так как они обладают стойкостью в химически активной среде, работоспособностью в широком температурном диапазоне, виброустойчивостью, бесшумностью, сохранением работоспособности при недостаточной смазке.

Область применения опор скольжения не только не сужается, но даже имеет определенную тенденцию к расширению, особенно в машинах с быстровращающимися валами (в сепараторах, центрифугах, газовых турбинах, шлифовальных станках и др.), частота вращения которых измеряется десятками тысяч оборотов в минуту. В таких случаях малейшее нарушение балансировки ротора может вызвать разрушение подшипника качения и аварию машины, а подшипники скольжения оказываются виброустойчивыми благодаря демпф ирующим свойствам смазочного слоя.

Рисунок 2 – Схематические зависимости допустимой нагрузки от частоты вращения в различных типах опор одинакового размера:

а - подшипник трения без смазки: 1 - предел по допустимой нагрузке, исходя из условия разрушения подшипника; 2 - предел по p_mU₀; б - гидростатические подшипники; в - гидродинамические опоры; г - опоры из пористых материалов: 1- предел по удельной нагрузке; 2 ­предел по p_mU₀; 3 - предел по условиям теплоотвода; д - подшипник качения

Незаменимыми являются подшипники скольжения для паровых турбин и турбогенераторов, работающих длительное время без остановки, где подшипники качения оказываются недостаточно долговечными. Опоры скольжения в условиях жидкостной смазки практически не подвержены износу.

Графики, по которым можно предварительно выбрать тип подшипника для заданного режима работы, приведены на рис. 3 (долговечность 10 000 ч). Для пористых подшипников долговечность определяется объемом масла, находящимся в порах материала. На графиках указаны значения диаметров втулки и предельные кривые максимальной скорости для подшипников качения (кривая I), для высокоскоростных роликоподшипников (кривая I'), для подшипников трения без смазки и пористых подшипников (кривая II) и для подшипников с жидкостной смазкой, исходя из условия повреждения вала (кривая III).

Характеристики радиальных подшипников скольжения получены для

отношения длины к диаметру l/d = 1, а для осевых подшипников - исходя из

отношения наружного и внутреннего диаметров D₁/D₂ = 2. Принятая при этом динамическая вязкость масла 0,015-0,050 Па·с при 500° С. Приведенные на графиках данные являются приближенными, но дают возможность сделать некоторые выводы. Например, как следует из рисунка 3, подшипники скольжения, работающие без смазки, пригодны лишь для низких частот вращения, причем допустимая частота вращения существенно снижается с увеличением нагрузки.

Подшипники скольжения с гидродинамической смазкой и подшипники качения работают в широком диапазоне нагрузок и скоростей, причем область применения подшипников с гидродинамической смазкой сдвинута в сторону больших частот вращения. Гидростатические подшипники можно применять во всем диапазоне нагрузок и скоростей, охватываемых диаграммой. Для опор, воспринимающих осевые силы (рисунок 4), пористые подшипники и подшипники, не требующие смазки, можно применять для средних нагрузок и при относительно низких частотах вращения. На рисунке 4 отчетливо видно резкое снижение допустимых нагрузок при увеличении частоты вращения. Кривые для подшипников скольжения с гидродинамической смазкой и подшипников качен ия имеют противоположный характер.

Рисунок 3 – Предельные кривые нагрузок для подшипников качения (сплошные линии); гидродинамических подшипников скольжения (штрихпунктирные линии), пор истых подшипников (штрихпунктирные линии с двумя точками), подшипников трения без смазки (штриховые линии):

I - предельная граница для подшипников качения; /'- для высокоскоростных роликоподшипников; II - для пористых подшипников и подшипников трения без смазки;

III - для гидродинамических подшипников, исходя из условия повреждения вала;

III'- для гидродинамических подшипников, исходя из условий допустимой критической толщины масляной пленки; W несущая способность, Н

Рисунок 4 – Предельные кривые нагрузок для различных типов осевых подшипников (обозначения на рисунке 3)

В ажным фактором при выборе типа подшипника являются потери на трение. Примерная зависимость момента трения от скорости приведена на рисунке 5. На графике видно, что наименьшие пусковые моменты имеют место при использовании гидростатических подшипников. Однако здесь не учитывается мощность, затрачиваемая на создание давления смазки в камерах подшипника.

Рисунок 5 – Примерная зависимость момента трения от угловой скорости для подшипников одинакового размера:

1 - гидродинамические подшипники; 2 - гидростатические подшипники;

3 - подшипники качения

При выборе типа подшипника существенным фактором является стоимость, в которую входят стоимость изготовления и стоимость технического обслуживания подшипника и сопряженных с ним деталей. Разработка нормализованных подшипников скольжения, централизованное производство их и систем смазки значительно сократит стоимость и расширит сферу применения подшипников скольжения.