2.3 Выбор посадок

2.3.1 Выбор посадки с зазором для подшипника скольжения

1 Анализируются исходные данные для выбора посадки (по возможности стандартной, предпочтительной).

В задании на проектирование [14] (раздел II, пункт 1), требуется подобрать посадку для подшипника скольжения с жидкостным трением с заданными:

- номинальным размером посадки – D (d), мм;

- длиной соединения – L, мм;

- качеством обработки поверхностей соединяемых вала – Rz(d) (мкм) и вкладыша (внутренняя поверхность) – Rz(D) (мкм). (Rz(d) и Rz(D) – шероховатости соответствующих поверхностей [4, 7, 9]);

- динамической вязкостью смазки - , (Пас);

- подшипник эксплуатируется при радиальной нагрузке R, (кН);

- частотой вращения n, (мин ^-1).

Примечание:

1 Па = 1 Н/м²;

1 Па = 0,102 (кгс)/м²=7,510^-3 мм.рт.ст.;

1 кгс = 9,807 Н.

Краткие сведения о подшипниках скольжения

Подшипник скольжения – это опора или направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряженных поверхностей.

Для обеспечения наибольшей долговечности за счет уменьшения износа деталей подшипника при работе, используют смазочные материалы, которые при работе подшипника полностью разделяют его трущиеся поверхности слоем смазочного материала.

Конструктивно подшипник скольжения (рис. 2.8) выполняется в виде втулки (2), двух или более вкладышей, полностью (или частично) охватывающих вал (1). Вкладыш (2) запрессован в корпусе (3) механизма, машины. Смазка в подшипник подается через отверстие (4) во вкладыше (2). В состоянии покоя вал находится в опущенном состоянии и в точке А наружная поверхность вала и внутренняя поверхность вкладыша соприкасаются.

Рис. 2.8. Схема положения вала и вкладыша подшипника скольжения в состоянии покоя (для наглядности D_Д и d_Д показаны разными, хотя в посадках номинальные D_Д и d_Д равны)

Зазор в состоянии покоя S = D_Д – d_Д – максимален. Расстояние 01-02 в состоянии покоя равно S/2 (номинальные D и d равны).

S = D_Д – d_Д; D_Д – 2R, d_Д = 2r; A02 = R = D_Д /2; A01 = r = d_Д /2;

(01 – 02) = A02 – A01 = D_Д /2 – d_Д /2 = ½ (D_Д – d_Д) = 1/2S

При работе подшипника (вращении вала со скоростью – n) смазочный материал увлекается вращающимся валом (в литературе такие валы часто называются цапфами) в постепенно сужающийся (клиновой) зазор (5) между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью вкладыша (рис. 2.9). В результате создается гидродинамическое давление, превышающее нагрузку на опору и стремящееся расклинить поверхности вала и вкладыша. Создаваемое гидродинамическое давление отделяет вал от внутренней поверхности вкладыша (точке А) и смещает его по направлению вращения.

Рис. 2.9. Схема положения вала и вкладыша подшипника

скольжения при установившемся режиме работы

Положение вала при установившемся режиме работы подшипника определяется абсолютным (e) и относительным =2e/S эксцентриситетами.

Поверхность вала и вкладыша при установившемся режиме работы разделены переменными зазорами, равными h_min в месте их наименьшего сближения (фактическая толщина (мин.) масляного слоя) и h_max= S – h_min , оставшуюся величину зазора на диаметрально противоположной от h_min стороне.

2 Предварительная оценка минимального зазора h_min.

Для обеспечения жидкостной смазки без разрывов необходимо, чтобы в самом узком месте подшипника минимальный зазор h_min был бы не меньше требуемой толщины масляного слоя h_ж.с., т.е.

h_min  h_ж.с.

Реальные поверхности вала и вкладыша всегда имеют некоторую шероховатость, которая влияет и на гидродинамику, и на толщину масляного слоя. Кроме того, на величину h_min оказывают влияние температура нагрева подшипника, приводящая к тепловой деформации, погрешности формы и расположения поверхностей и другие факторы.

С учетом этих факторов минимальный зазор предварительно может быть определен по формуле:

h_min  h_ж.с.  ((R_zd + R_zD) + Δ_ф + Δ_р + Δ_д.т. + Δ_доб.), (2.1)

где R_zD и R_zd – шероховатости поверхностей вкладыша и вала (зависят от качества обработки, заданы в исходных данных);

Δ_р , Δ_ф - поправки, учитывающие отклонения формы и расположения поверхностей, определяются качеством обработки;

Δ_д.т. – поправка, учитывающая неучтенные факторы.

Для упрощения оценки h_min может использоваться зависимость:

h_min  h_ж.с.  ((R_zd + R_zd) + Δ_доб.)∙K_C (2.2)

где Δ_доб. – поправка, учитывающая возможности отклонения нагрузки, температуры, скорости и т.д. Обычно Δ_доб. ≈ (2÷3) мкм;

K_C  2,0 – коэффициент запаса надежности по толщине масляного слоя. При высококачественной обработке поверхностей K_C может быть уменьшен до 1,5 (K_C ).

3 Уточненные расчеты зазоров подшипника скольжения.

Посадки подшипников скольжения выбирают по оптимальному зазору (S_опт.).

Для нахождения оптимального зазора используются несколько методик, включая рекомендацию ВНИИНМАШа (ВНИИ Нормализации в машиностроении), а также результаты экспериментальных исследований режимов работы этих подшипников.

Экспериментально установлено, что коэффициент трения и соответственно тепловой режим работы подшипника скольжения наилучшие, если

h/S=0,25, а (2.3)

, (2.4)

где h и S – параметры зазора (м);

d – диаметр соединения (d =D) (м);

l – длина соединения (м);

ω =- угловая скорость ();

n – частота вращения ();

– удельное давление на опору (вал) (Па);

R – радиальная нагрузка на опору (H);

μ – динамическая вязкость смазки (коэффициент вязкости смазки) – (Па∙с). В справочной литературе значения μ приведены при температуре 50 °С. Для случая другой температуры требуется пересчет «μ» по [8].

(2.5)

Подставив (2.5) в (2.4) получается уравнение для определения h∙S через радиальную нагрузку на вал, размеры соединения, вязкость смазки и скорость вращения вала.