3.2. Опоры валов и осей - подшипники

Подшипник это опора, которая воспринимает нагрузки и допускает относительное перемещение частей механизма в требуемом направлении. На­значение опор: обеспечивать положение вала в машине, воспринимать нагруз­ки и передавать их на корпус и раму машины. Классификация опор: по виду трения - подшипники трения качения и трения скольжения; по направлению воспринимаемой нагрузки - радиальные, упорные и радиально-упорные. Эта тема относится к числу важных в курсе «Детали машин». Основное внимание при её изучении следует уделить подшипникам качения.

Подшипник качения был изобретён Леонардо да Винчи. Однако первые патенты на шарикоподшипники были выданы в 1772 и 1778 г. в Англии, а централизованное их производство началось в Германии в 1883 и в США в 1889 году. В 30-е годы XX века СССР купил в Швеции завод по производству подшипников, который и стал 1-м Государственным подшип­никовым заводом (ГПЗ-1). Промышленность выпускает миниатюрные под­шипники с размерами (d-D-B) 0,620,8 мм массой 0,015 г и очень большие подшипники с размерами 12000-14000-450 мм массой более 130 тонн.

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ - ТИПЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ. Классификация подшипников (рис. 47): шариковые и роликовые; радиальные, упорные и радиально-упорные; однорядные, двухрядные и четырехрядные. Применение под­шипников качения позволило заменить трение скольжения (коэффициент тре­ния f ≈ 0,15) трением качения (f ≈ 0,015) и снизить потери на трение.

Преимущества под­шипников качения по сравнению с под­шипниками скольже­ния: меньшие моменты при пуске, экономия цветных металлов, большая несущая спо­собность на единицу ширины подшипника.

Недостатки подшип­ников качения: высо­кие контактные напря­жения, большие диаметральные размеры, меньшая способность гасить колебания и вибрации, шум при работе.

Рис.47. Основные типы подшипников качения:

1-радиальный однорядный, 2-радиальный сферический, 3 - радиально-упорный, 4 - радиальный с короткими роликами, 5 - радиально-упорный роликовый конический, 6 - радиальный роликовый сферический, 7 - радиальный роликовый игольчатый, 8 - упорный шариковый

По габаритным размерам (радиальным размерам и по ширине) подшип­ники качения разделяют на размерные серии (рис. 48).

Рис. 48. Размерные серии подшипников качения: а — особо лёгкая серия, б — лёгкая серия, в - лёгкая широкая серия, г - средняя серия, д - средняя широкая серия, е - тяжёлая серия

Условное обозначение на торцовой поверхности кольца: номер завода-изготовителя (ГПЗ), а также до восьми цифр, из которых (считая справа нале­во): 1-я и 2-я - внутренний диаметр d = ХХ-5 (в диапазоне от 20 до 495 мм), 3-я - серия по диаметру, 4-я — тип подшипника, 5-я и 6-я - конструктивная раз­новидность, 7-я — серия по ширине; 8-я — класс точности подшипника (ос­новные классы в порядке возрастания точности - 8, 7, 0, 6, 5, 4, 2). Обычно применяют подшипники нормального класса точности 0. Стоимость подшипника с увеличением класса точности возрастает очень резко.

Обозначение класса точности подшипника	Относительная стоимость подшипника
0 - нормальный	1
0 повышенный	2
5 - высокий	10
4 - прецизионный	20
2 сверхпрецизионный	до 100

Материалы деталей подшипника (колец и тел качения) — легированные стали марок ШХ9, ШХ15 и др., твёрдость тел качения Н = 58…66 HRC_э, шероховатость рабочих поверхностей 0,05...0,1 мкм. Сепараторы изготовляют из металла или пластмасс.

Критерии работоспособности: основная причина отказов подшипников качения при достаточной смазке - усталостное выкрашивание рабочих поверхностей колец и тел качения, при работе в абразивной среде - износ. В бы­строходных подшипниках возможно разрушение сепараторов.

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из числа выпускаемых и рассчитывают по методике, изложенной в ГОСТ 18853-94 и ГОСТ 18854-94. В зависимости от условий работы подбор и расчет подшипников на заданный ресурс ведут по статической или по дина­мической грузоподъёмности. Подбор и расчёт подшипников по статической грузоподъёмности выполняют при частоте вращения кольца подшипника ме­нее 1 об/мин или при качательном движении.

ПОДБОР И РАСЧЁТ ПОДШИПНИКОВ ПО ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРУЗОПОДЪ­ЕМНОСТИ выполняют при частоте вращения кольца n > 1 об/мин. Следует за­метить, что валы рассчитывают раньше опор и, следовательно, диаметр цапфы под подшипником, как правило, известен. Тип подшипника можно определить расчётом или его принимают из конструктивных требований. Остаётся подобрать серию подшипника (лёгкую, среднюю или тяжёлую).

Начинать подбор подшипника следует с лёгкой по диаметру и нормаль­ной по ширине серии. При этом важно иметь в виду, что внутренний диаметр подшипника остаётся неизменным для любой из указанных серий. Наружный диаметр, ширина подшипника и значения статической и динамиче­ской грузоподъёмности увеличиваются при переходе от лёгкой серии к средней и тяжёлой серии и от узкой - к нормальной и широкой серии.

Эквивалентная динамическая нагрузка Р = (Х ∙ V ∙ F_r +Y ∙ F_a )К_б ∙ К_m.

Здесь F_r и F_a - радиальная и осевая нагрузка на подшипник соответственно, например, реакции в опоре от действия внешних сил, определяемые при расчё­те вала. V - коэффициент вращения кольца, равный 1, если вращается внут­реннее кольцо; при вращении наружного кольца V = 1,2.

Коэффициенты X и Y (динамической радиальной и осевой нагрузки соответственно) зависят от конструкции подшипника и параметра осевого нагружения е. Параметр е равен предельному значению отношению F_a /F_r, при ко­тором осевая нагрузка ещё не уменьшает ресурс подшипника. При отсутствии осевой нагрузки на подшипник (F_A = 0) коэффициент X = 1 и формула для рас­чёта эквивалентной нагрузки Р упрощается. При наличии радиальной и осевой нагрузки коэффициенты X и Y определяют следующим образом. Задавшись серией подшипника (сначала - лёгкой), выписывают для выбранного типораз­мера подшипника значение С_0г и вычисляют отношение F_a / C_0r. Затем по таб­лицам находят параметр осевого нагружения е и в зависимости от величины соотношения F_a / F_r > e или F_a / F_r < е принимают значения X и Y.

К_б - коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки и по­следствия выхода подшипника из строя (К_б= 1...3);

К_т - коэффициент, учитывающий влияние температуры (К_т = 1...1,4); при температуре подшипникового узла до 100 °С принимают К_т = 1.

При больших ресурсах (L_h > 12000 ч) и коэффициенте надёжности 0,9 (90%-ная надёжность) требуемая расчётная динамическая грузоподъёмность

и условие подбора подшипника С_тр ≤ С_г,

где С_г - базовая динамическая грузоподъёмность, указанная в каталоге;

р = 3 для шарикоподшипников; р = 10/3 для роликоподшипников;

n - частота вращения вала (внутреннего кольца подшипника), об/мин;

L_h - заданный (желаемый) срок службы подшипника в часах.

При малых ресурсах (L_h < 8000 ч) условие подбора подшипников каче­ния Р ≤ С_г, иначе возможно не усталостное разрушение деталей подшипника.

Если указанные условия подбора не выполняются, изменяют серию или тип подшипника и повторяют расчёт.

Для смазывания подшипников качения используют пластичные, жидкие и твёрдые смазочные материалы. При рабочей температуре подшипника до 50 °С смазочный материал следует менять один раз в год, а при температуре порядка 100 °С - через каждые три месяца. Большое влияние на надёжность работы подшипников оказывает правильный выбор уплотнений подшипниковых узлов.

ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ - ХАРАКТЕРИСТИКА И РАСЧЁТ. Под­шипник скольжения - это опора (рис. 49), в которой цапфа (опорная поверх­ность вала) скользит по поверхности вкладыша (подшипника). Для уменьше­ния сил трения и снижения износа подшипники скольжения также смазывают. Область применения: опоры с особо высокими частотами вращения, разъёмные опоры, работа с ударными и вибрационными нагрузками, работа в абразивной среде, опоры редко работающих механизмов. Подшипники скольжения широко применяются в двигателях внутреннего сгорания, в ручном шлифовальном инструменте, в паровых и газовых турбинах, насосах, компрес­сорах, прокатных станах и др. оборудовании.

Преимущества подшипников скольжения: они легче и проще в изготов­лении, бесшумны, работают практически без износа в режиме жидкостной смазки, хорошо гасят колебания. Недостатки: большой расход цветных метал­лов, повышенные пусковые моменты, большие размеры в осевом направлении, сложность обеспечения жидкостной смазки.

Материалы деталей узла подшипника сколь­жения. Подшипниковый узел содержит стальной или чугунный корпус подшип­ника, вкладыш или втулку, смазывающие и защитные устройства.

Рис. 49. Подшипники скольжения: а - радиальный; б - радиально-упорный

(1 - корпус, 2 - вкладыш, 3 - отверстие для подачи смазки, 4 - цапфа, 5 - маслораздаточная канавка)

Материалы вкладышей подразделяют на металлические, металлокерамические и неметаллические. Металлические материалы: баббиты (сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди и др.), бронзы и латуни (сплавы на основе меди), антифрикционные чугуны. Металлокерамика - это пористые бронзографитовые и железографитовые композиции, пропитанные маслом и получаемые методами порошковой метал­лургии. Неметаллические материалы: пластмассы, резина, графитовые мате­риалы, текстолит, ДСП, прессованная древесина.

Рис. 50. Образование режима жидкост­ного трения: 1 - клиновая форма зазо­ра; 2 -

3 - перемещение центра цапфы; 3 - эпюра давления в масляном слое

Режимы работы и расчёт подшипников скольжения. Различают (см. рис. 9) работу подшипника в режиме I - граничной, II - смешанной и III -жидкостной смазки. Последний режим (рис. 50, б) самый благоприятный, по­скольку поверхности вала и вкладыша разделены слоем h смазочного материа­ла достаточной толщины. Однако избежать режимов граничной и смешанной смазки невозможно. Причины отказов подшипников скольжения: износ вкладыша или его хрупкое разрушение. Критерии работоспособности: износостойкость, сопро­тивление усталости антифрикционного слоя, теплостойкость.

Расчёт подшипника скольжения проводят в такой последовательности:

• определяют окружную скорость v, м/с, и назначают материал вкладыша;

• рассчитывают размеры вкладыша: l = (l,2...1,8)d; δ = 0,03d + (3...5) мм;

• проверяют выполнение условий: р< [р]; v<[v]; p∙v<[p∙v]; t<[t];

• условие обеспечения режима жидкостной смазки h = ф(μ∙ω / р) ≥ h_кp.