§ 4. Валы и оси

Детали, на которых монтируются вращающиеся части машины (тормозные шкивы, шестерни, блоки, ходовые катки и др.), назы­ваются валами и осями. Оси и прямые валы различаются в основ­ном не по конструкции, а по характеру работы. Оси, несущие на себе вращающиеся части, не передают вращающих моментов и при работе подвергаются только изгибу; валы, являясь, как и оси, под­держивающими деталями, передают вращающие моменты и рабо­тают не только на изгиб, но и на кручение. Поддерживая вращаю­щиеся детали машины, валы и оси в свою очередь сами опираются на неподвижные опорные части — подшипники и подпятники.

Та часть вала (оси), которая лежит непосредственно на опоре 5 (рис. 2) или 8, называется цапфой, причем промежуточную цап­фу 6 принято называть шейкой, а концевую 1 — шипом. Если кон­цевая цапфа передает опоре осевую нагрузку, ее называют пятой. Пяты могут иметь плоскую, шаровую или коническую форму. Соот­ветствующую форму должны иметь и их опоры — подпятники.

Вал и ось соединяются с насаженными на них деталями с помо­щью шпонок, шлицев и другими способами. С этой целью на валу (оси) делают шпоночные канавки 2, 4 или шлицы. Насаживаемые на вал (ось) детали удерживаются от сдвига в осевом направле­нии буртиками 3, а также специальными установочными кольцами и распорными втулками. Для удобства сборки и фиксации в осе­вом направлении насаженных деталей, а также с целью создания равнопрочности в любом сечении валы и оси делают ступенчатыми.

Сопряжение участков вала (оси) различных диаметров осуще­ствляется плавным переходом — галтелью 7, очерченной дугой воз­можно большего радиуса, что снижает концентрацию напряжений в этих местах.

По форме геометрической оси валы подразделяют на три вида: прямые, коленчатые и гибкие. Прямые валы (см. рис. 2) применя­ют практически во всех машинах различного назначения, коленча­тые — в двигателях внутреннего сгорания, поршневых насосах и других машинах, где их использование связано с преобразовани­ем возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот; гибкие валы могут менять форму геометрической оси, их применяют в приводах механизированного инструмента (бормаши­нах) и приборах дистанционного управления.

Оси по конструктивному исполнению делят на две основные группы: вращающиеся в опорах вместе с насаженными на них де-

>

І

±.

в 5

Рис. 3. Ведомое колесо механизма передвижения в сборе

в 7

Рис, 2. Вал (ось)

ИСйі— 0=

талями (оси железнодорожных вагонов); неподвижные, служащие опорами для вращающихся на них деталей.

Пример конструкции узла с неподвижной осью приведен на рис. 3. Здесь колесо 2 механизма передвижения портального кра­на свободно вращается на оси /, закрепленной неподвижно на ме­таллоконструкции 3 ходовой тележки.

§ 5. Подшипники

Подшипники предназначены для поддержания и обеспечения свободного вращения осей и валой с насаженными на них деталя­ми. По виду трения между валом (осью) и опорами подшипники разделяют на две группы: подшипники скольжения и подшипники качения.

Подшипники скольжения (рис. 4). Подшипник состоит из двух основных частей: корпуса 2 и вкладыша 1.

Вкладышем называется сравнительно тонкая втулка (цельная или состоящая из двух частей), непосредственно охватывающая цапфу вала.

В

Рис. 4. Неразъемный подшипник скольжения

кладыш отделяют от корпу­са, чтобы можно было выполнить его из более качественного и де­фицитного антифрикционного ма­териала, а также для облегчения замены при износе.

По конструкции корпуса под­шипники могут быть неразъемны­ми (глухими) и разъемными. Не­разъемные корпуса проще в изго­

товлении, но исключают возможность регулирования зазора при износе вклад&ша и требуют осевого монтажа вала. Разъемные корпуса сложнее в изготовлении, но. допускают регулирование за­зора и облегчают разборку и сборку узла. Проще по конструкции неразъемный подшипник, который представляет собой цилиндриче­ское отверстие, расточенное непосредственно в бобышке станины или рамы тихоходной машины.

Удобны также неразъемные подшипники, выполненные отдель­но и соединенные с фундаментом болтами (см. рис. 4). Их изготов­ляют с вкладышем в виде неразъемной втулки. Все неразъемные подшипники скольжения предназначены для работы при неболь­ших нагрузках и скоростях.

По конструкции разъемные подшипники весьма разнообразны. Простейший из них (рис. 5) состоит из корпуса 8, крышки 5, вкла­дыша с нижней 7 и верхней 4 половинами и соединительных бол­тов 3 с гайками 2, скрепляющими крышку и корпус.

В подшипниках скольжения поверхность цапфы вала (оси) скользит по поверхности вкладыша. Так как при этом возникают силы трения, ведущие к износу цапфы и вкладыша, между трущи­мися поверхностями обязательно вводят сЛой смазки, назначение которой — уменьшить потери мощности на трение и снизить износ, а также защитить детали от коррозии.'

Для подвода и распределения смазки в крышке имеется отвер­стие 1 с резьбой, куда ввертывают специальную масленку. На вкладыше, кроме отверстия, на внутренней поверхности в ненагру- женных зонах делают канавки 6.

П

к

ри расположении подшипника 4 (рис. 6) внутри вращающей­ся детали 5 (блоки, колеса, катки и т. п.) смазочные каналы 3 рас­полагают не в корпусе и втулке, а в цапфе неподвижной оси 2, что

обеспечивает большие удобства при обслуживании узла. На рис. 6 Показан подшипник, который смазывают при помощи колпачковой масленки I.

Вкладыш является наиболее ответственной деталью подшипни­ки, непосредственно воспринимающей передаваемую цапфой на­гружу. Износ вкладыша компенсируется поджатием крышки с верх­ней половиной вкладыша. Для этой цели между крышкой и корпу­сом, а также между вкладышами предусматривается небольшой .чазор (до 5 мм). В зазор между вкладышами закладывают набор прокладок из фольги, которые по мере изнашивания вкладышей вынимают, а болты 3 (см. рис. 5) затягивают до отказа. При дости­жении предельного износа вкладыши заменяют.

Подшипники скольжения применяют в современном машино­строении значительно реже, чем подшипники качения. Однако иногда они предпочтительнее, например, в опорах особо тяжелых валов, подвергающихся ударным или вибрационным нагрузкам, в коленчатых валах и т. д.

Подшипники качения. Эти подшипники отличаются от подшип­ников скольжения наличием у них тел качения, по которым перека­тываются сопряженные с подшипниками детали. К достоинствам таких подшипников относятся: снижение потерь на трение, просто­та обслуживания, уменьшение расхода смазочных материалов, вы­сокая степень стандартизации, централизованное массовое произ­водство, низкая стоимость изготовления. К их недостаткам следует отнести большие радиальные размеры, ограниченную возможность работы при больших скоростях и нагрузках, малую демпфирую­щую способность.

Подшипник качения (рис. 7) состоит из наружного 1 и внутрен­него 2 колец, тел качения 4 (шариков или роликов), катящихся по беговым дорожкам колец 3. Сепаратор 5 удерживает тела качения на одинаковых расстояниях друг от друга.

В качестве тел качения (рис. 8) применяют шарики (вид а), а также ролики цилиндрические короткие (б) и длинные (в), ви­тые (г), конические (д), бочкообразные (е) и игольчатые (ж).

В зависимости от характера воспринимаемой нагрузки подшип­ники качения делят на три группы: радиальнь1е (рис. 9, а—в), предназначенные в основном для восприятия радиальных нагрузок; радиально-упорные (рис. 9, г, д), воспринимающие осевые и ради­альные нагрузки; упорные (рис. 9, е), воспринимающие только осе­вые нагрузки.

По числу рядов тел качения подшипники разделяют на одно­рядные (см. рис. 9, а, б, г, д, е), двухрядные (см. рис. 9, в) и четы­рехрядные; по форме тел качения — на шариковые и роликовые.

Для обеспечения нормальной работы подшипники необходимо регулярно смазывать. Для защиты подшипников от пыли и влаги, а также для предотвращения вытекания смазки применяют уплот­нения, которые отделяют подшипники как от внутренней части кор­пуса, так и от внешнего пространства.

Рис. 6. Подшипник скольжения, рас- Рис. 7. Подшипник качения

положенный внутри вращающейся

детали

в)

г)

НШи».

ж)

а

Рис. 8. Тела качения подшипников

Рис. 9. Типы подшипников качения

Р ис. 10. Уплотнители подшипнико­вых узлов

Ирм малых и средних скоростях чаще применяют войлочные (рис. 10, а) и манжетные уплотнения, при неограниченных диапа­зонах скоростей—канавочные (рис. 10, б), лабиринтные (рис. 10, в) и др.

К 6. БАРАБАНЫ И БЛОКИ

Канатные барабаны грузоподъемных машин предназначены для одно- или многослойной навивки каната.

Барабаны для многослойной навивки применяют при большой длине навиваемого каната. Барабан имеет гладкую, цилиндриче­скую поверхность, с обеих сторон реборды, которые должны высту­пать над верхним слоем навитого каната не менее чем на два его диаметра. Нижний слой каната имеет линейный контакт с цилин­дрической поверхностью барабана, вследствие чего возникают большие контактные напряжения, приводящие к повышенному из­носу каната. Канатные барабаны применяют на некоторых кранах, экскаваторах, скреперных лебедках и других механизмах.

На грузоподъемных кранах чаще применяют нарезные бараба­ны с однослойной навивкой каната. Винтовые канавки, нарезанные на цилиндрической поверхности барабана, увеличивают поверх­ность соприкосновения каната с барабаном, уменьшая тем самым контактные напряжения и износ каната.

Условные изображения барабанов 2 для однослойной навивки канатов и 10 — дЛя многослойной показаны соответственно на верх­ней и нижней частях рис. 11, а. Ведущий вал 7, выходящий из кор­пуса редуктора 11, соединен с валом 4 барабана через центрирую­щий роликоподшипник 12. Вращение от вала редуктора к бараба­ну передается через зубчатую муфту. Ведомой полумуфтой являет­ся зубчатая ступица 8, соединенная с барабаном пальцами 3 и болтами 9. На ее внутренней цилиндрической поверхности нареза­ны зубья, во впадины между которыми входят зубья фланца веду­щего вала 7. С противоположной стороны вал 4 барабана опирает­ся на роликоподшипник 5, установленный в разъемном корпусе 6. Для закрепления каната на барабане имеется канатный зажим 1.

Выбор конструкции барабана в определенной степени зависит от его канатоемкости (длина каната, навиваемого на барабан). Она устанавливается такой, чтобы при крайнем нижнем положении гру­зозахватного органа (крюка, грейфера, грузоподъемного электро­магнита) на барабане оставались навитыми не менее 1,5 витка ка­ната, не считая витков, находящихся под зажимными устройст­вами.

Долговечность каната существенно повышается с увеличением диаметра барабана. Этот диаметр, мм, измеряемый по средней ли­пни навйтого каната, должен соответствовать условию (рис. 11,6)

О^йе,

где Л — диаметр каната, мм;

е — коэффициент, зависящий от типа и режима работы грузоподъемной ма­шины (для механизма подъема груза у портального крана с легким режимом работы е= 16, с тяжелым режимом е=20, с весьма тяжелым с- 25).

Для поддержания и изменения направления движения канатов, а также для изменения скорости подъема (опускания) груза и гру­зоподъемности крана применяют канатные блоки, которые в зави­симости от назначения делят на неподвижные и подвижные.

Неподвижные блоки, закрепляемые на неподвижных осях, слу­жат только для поддержания и изменения направления движения канатов. Блок в сборе (рис. 12) состоит из ступицы 4, диска 3 с ребрами жесткости 2 и обода 1. В ступицу блока запрессованы подшипники качения 5, которые фиксируются крышками 6 с лаби­ринтным уплотнением, предотвращающим утечку смазки из под­шипников. На ободе блока имеется канавка (ручей) для каната. Профиль ручья должен обеспечить беспрепятственный вход и вы­ход каната, а также наибольшую площадь соприкосновения его с поверхностью канавки.

70

Рис. 11. Канатный барабан в сборе 18

П

Рис. 13. Схема работы простого по­лиспаста прямого действия

Рис. 12. Канатный блок в сборе

одвижные блоки, закрепляемые на подвижных осях (в крюко­вых подвесках), одновременно с вращением вокруг собственной оси перемещаются вместе с поднимаемой или опускаемой осью.

Система нескольких подвижных и неподвижных блоков, огибае­мых гибким органом (канатами, цепью), называется полиспастом.

Полиспасты применяют для получения выигрыша в силе (поли­спасты прямого действия) за счет уменьшения скорости подъема груза или для получения выигрыша в скорости (полиспасты обрат­ного действия) за счет уменьшения силы (массы поднимаемого груза). В грузоподъемных машинах используют полиспасты прямо­го действия; выпускают краны с переменной грузоподъемностью в зависимости от вылета стрелы и скорости подъема груза.

Простой полиспаст прямого действия (рис. 13) состоит из двух подвижных блоков 1, двух неподвижных блоков 2 и огибающего их каната 3, один конец которого закреплен неподвижно вверху, а другой — на грузовом барабане 4. При движении груза весом О, подвешенного к подвижным блокам, под влиянием силы Р во всех участках каната возникнут натяжения. Если бы не существовало вредных сопротивлений, то эти натяжения были бы равны между собой, а груз можно было бы рассматривать как подвешенный на п (в данном случае четырех) концах каната, т. е.

Ц = ^2 = Л> = Р_А = Р=-~- .

где « — число ветвей каната, на которые распределяется вес . О подвешенного груза.

Это число, называемое кратностью полиспаста, указывает, во сколько раз уменьшается усилие, прилагаемое к канату.

Если учесть влияние вредных сопротивлений каждого блока, на преодоление которых требуется дополнительное усилие, то наи­большее натяжение ветви каната при подъеме груза

С?

Р'=—,

ПТ)

где т) — коэффициент полезного действия (к. п. д.) полиспаста.

Коэффициент г) представляет собой отношение полезной рабо­ты, затраченной на подъем груза, ко всей затраченной работе с уче­том бесполезных потерь на вредные сопротивления в блоках. Коэф­фициент полезного действия любой машины или механизма всегда меньше единицы, но больше нуля, т. е. 1 >Г|>0.

Чем выше кратность полиспаста, а следовательно, чем больше в нем подвижных и неподвижных блоков, тем больше затрачивает­ся бесполезной работы на преодоление вредных сопротивлений блоков, тем меньше к. п. д. полиспаста.

На кранах, кроме простых полиспастов, применяют сдвоенные, у которых оба конца закрепляют на барабане. Такой полиспаст аналогичен двум параллельно установленным простым полиспас­там. Его кратность вдвое меньше числа ветвей каната, на которые распределяется вес поднимаемого груза.