книги из ГПНТБ / Решетов, Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин учебное пособие

Предельное допустимое значение %, для прецизионных подшипников 0,5. При этом толщина масляного слоя 0,5Д — е должна быть больше суммы высот

микро- и макронеровностей и перекосов шейки вала.

Жесткость подшипника /, кГ/см определяют как производную от силы по толщине масляного слоя (dP/dh):

Гайка

В связи с тем что в передачах винт—гайка скольжения не реали­

гайки по середине высоты делают выточки, в которые через ряд от­ верстий подводится масло под давлением (рие. 94). Масло проходит через отдельные дроссели для каждой (правой и левой) стороны вит­ ка. Выточки не имеют выхода к торцам гаек (перекрываются масти­ кой или клеем). Ширина выточек 1/3— 1/4 от высоты профиля. Из условия одинаковой несущей способности с обычными передачами винт—гайка давление масла выбирают порядка АОкГ/см2 и высоту про­ филя в два раза большую, чем у обычной трапецеидальной.

Давление масла в выточках меньше, чем в сети, и определяется

витков (по направлению силы) уменьшаются, но при этом сопротив­ ление вытеканию масла увеличивается и давление в соответствующей канавке повышается. С другой стороны витков в связи с увеличением зазора давление масла падает. Таким образом, возникают гидравли­ ческие силы, которые уравновешивают внешнюю силу и стремятся

160

зора в рабочем состоянии (гидравлический натяг), повышенная точ­ ность (осреднение циклических ошибок), пониженные требования к материалам винта и гайки.

Гидростатические передачи винт—гайка рекомендуется приме­ нять при винтах диаметром более 40 мм и большой длины, которые трудно закаливать, что затрудняет применение пар винт—гайка ка­ чения.

ОПОРЫ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ

С увеличением скорости вращения в гидродинамических подшип­ никах растет их несущая способность, но одновременно повышается теплообразование. В особо быстроходных подшипниках несущая спо­ собность обычно многократно превышает потребную, но зато необ­ ходимы охлаждающие устройства. Это указывает на целесообразность перехода при больших скоростях на маловязкие смазки, в частности на газовую. Обычно газовой смазкой служит воздух. Вязкость воз­ духа в 100 раз меньше вязкости наименее вязкой из жидких смазок при комнатной температуре. Малая вязкость газовой смазки побуж­ дает применять ее также для тихоходных опор, в которых требуется особо малое сопротивление движению.

Достоинства газовой смазки подшипников: 1) практически неог­ раниченные скорости; 2) малое сопротивление движению, а отсюда малый расход мощности, отсутствие необходимости в охлаждающих устройствах; 3) высокая точность в связи с малыми температурными деформациями и выравниванием газовым слоем погрешностей изго­ товления; 4) бесшумная работа; 5) возможность работы в радиоак­ тивной среде (разлагающей обычные смазки),, при высоких и низких температурах, так как вязкость большинства газов мало меняется с температурой; 6) возможность смазки опор рабочей газовой средой машины, в частности перегретым водяным паром; 7) отсутствие опас­ ности загрязнения выпускаемой продукции и окружающего воздуха смазкой; 8) экономия на смазке, устройствах для ее подачи, очист­ ки и охлаждения, уплотнениях.

К недостаткам газовых подшипников относят: недопустимость даж.о кратковременных значительных динамических перегрузок, что су­ щественно ограничивает их внедрение, опасность динамической не­ устойчивости, необходимость высокой точности изготовления.

При высоких скоростях, обычно измеряемых десятками тысяч об/мин, применяют газодинамические подшипники, при малых ско­ ростях — газостатические подшипники, и направляющие.

Области практического использования быстроходных газодина­ мических подшипников: быстроходные внутришлифовальные и свер­ лильные шпиндели, гироскопы, центрифуги, турбодетандеры для сжи­ жения газов, быстроходные высокотемпературные газовые турбины, турбокомпрессоры и др.

Газостатические подшипники применяют для шлифовальных шпинделей кругло-, плоско- и шлицешлифовальных станков, прибо­

16?

ров измерения иекруглости, измерения моментов трения в подшип­ никах и механизмах, измерения моментов инерции и т. д.

Ниже излагаются рекомендации по конструированию аэродина­ мических подшипников в применении к быстроходным шпинделям по опыту ЭНИМСа, являющегося ведущим в области воздушных опор

[69].

Аэродинамические подшипники могут смазываться воздухом, самозасасываемым из окружающего пространства, однако рекоменду­ ется смазка сжатым воздухом из пневмосети, который проходит через специальный отстойник, где несколько раз меняет направление движения и очищается от пыли, воды и масла.

Вкладыши рекомендуется делать из материала, допускающего кратковременное скольжение при отсутствии смазки без схватыва­ ния. Хорошие результаты показывают углеграфит, пропитанный

полняют на упругих мембранах 1, позволяющих выверку по оправке или по специальному прибору упругим деформированием мембран винтами. Применяется также как средство обеспечения соосности посадка корпуса на эпоксидном клее, причем во время вклеивания в подшипники вводят скалку и оставляют ее до затвердения клея. Подшипники центрируются по диску. В подшипнике предусмотрена компенсация температурного изменения зазора. Для этого корпус вкладыша (см. рис. 91) опирается по кольцевым пояскам на концах, что позволяет ему свободно деформироваться в радиальном направ­ лении на рабочей длине. Однако коэффициент линейного расширения а углеграфита в два раза меньше, чем у стали. Для сохранения посто­ янства зазора корпус вкладыша делают из латуни, для которой а су­ щественно больше, чем для стали. При нагреве латунный корпус расширяется сильнее, чем вал; при этом ослабляется натяг между ним и углеграфитовой втулкой, и она получает дополнительные упру­ гие деформации, обеспечивающие постоянство зазора.

При работе аэродинамических подшипников большую опасность представляют колебания типа полускоростного вихря, которые про­ являются при незначительных нагрузках и эксцентриситетах вала в подшипнике, когда жесткость воздушного слоя мала. Поверхности шейки и подшипника не могут быть изготовлены абсолютно точно, поэтому когда неровности вала и подшипника встречаются, вал сме­ щается из равновесного положения. В это время равнодействующая

сил от смазочного слоя не находится в равновесии с внешней нагруз­ кой.

Радиальная составляющая стремится вернуть вал в равновесное положение, но окружная составляющая вызывает вихревое вращение центра вала в сторону вращения вала, которое поддерживается им­ пульсами при повторных встречах неровностей при каждом обороте. Вихревое движение затухает, если радиальная сила больше центро-

162

бежной силы вала при вихревом движении. Вихревое движение про­ исходит с установившейся угловой скоростью, равной половине кри­ тической скорости вала на опорах. В условиях развернутого вихря шейка обегает отверстие вкладыша, работа происходит с большим шумом, вибрациями, тепловыделением и может привести к аварии.

Предотвратить полускоростной вихрь можно следующими спосо­ бами: 1) созданием нескольких воздушных клиньев по окружности, в частности применением подшипников с самоустанавливающимися

пуске, для чего в подшипнике предусматриваются две кольцевые ка­ навки небольшой глубины по концам с подводом воздуха снизу через тонкие отверстия. При невращающемся вале и малых зазорах в зоне подвода воздуха несущая способность и жесткость воздушного слоя велики и обеспечивают взвешивание вала. Для радиального нагру­ жения шейки предусматривают достаточно глубокую продольную канавку с подводом воздуха через отверстие значительного диаметра.

При невращающемся вале жесткость нагружающей воздушной подушки и нагрузка невелики. При вращении повышенное давление воздуха распространяется на большую площадь, нагрузка растет и обеспечивает необходимый эксцентриситет вала в подшипнике.

В шпинделях применяют односторонние аэростатические подпят­ ники (рис. 96) с поджимом шпинделя к пяте давлением воздуха. Упругость воздушной подушки приводит к опасности возникновения автоколебаний, называемых из-за сходства по звуку «пневмомолот­ ком». Во избежание автоколебаний рекомендуются пористые подпят­ ники с подводом воздуха через естественные капилляры.

163

При необходимости повышения несущей способности аэродинами­ ческого подпятника на одном из дисков подпятника наносят спи­ ральные канавки глубиной 0,3—0,5 от зазора с углом наклона спи­ рали 15—20°. При вращении канавки нагнетают воздух к центру подпятника и повышают несущую способность в 3—5 раз.

Технические возможности аэродинамических опор иллюстриру­ ются созданием в ЭНИМСе гаммы электрошпинделей (рис. 97) для внутреннего шлифования с числами оборотов от 36 до 144 тыс. в ми­

(рис. 99) такие же, как гидростатических. Сжатый воздух через дроссели подводится в несколько замкнутых смазочных канавок по окружности. Давление в соответствующих областях подшипника определяется соотношением сопротивления при протекании воздуха через дроссель и через зазор в подшипнике. Оптимальное соотношение давления в опоре и давления в сети составляет около 2/3; его под­ бирают изменением проходного сечения в дросселе. При нагружении вала он несколько смещается в зазоре. При этом в зоне уменьшенного зазора сопротивление вытеканию воздуха увеличивается и соответст­ венно возрастает давление. С противоположной стороны давление падает. Таким образом, возникает сила от воздушной подушки, урав­ новешивающая внешнюю силу. Отношение длины подшипника к диа­ метру обычно выбирают равным 1,5 или несколько меньше.

В соответствии с рекомендациями ЭНИМСа относительный за­ зор (отношение диаметрального зазора к диаметру d) выбирают 0,0002—0,0004, число мест поддува по окружности яс//(45—55) с ок-

166

руглением в большую сторону, но не менее 3 (d в мм). Оптималь­ ный контур канавок показан на рис. 99.

В качестве простейшей и удобной конструкции дросселя рекомен­ дуется диск из латунной фольги с отверстием, прокалываемым иглой или заточенной проволокой.

Успешно применяются аэростатические направляющие, обладающие ничтожным сопротивлением перемещению и возможностью точного останова выключением воздуха.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ

Трение качения, как правило, сопровождается гораздо меньшим износом, чем трение скольжения, при существенно меньшем расходе энергии. Подшипники качения значительно более удобны в эксплуа­

ся одним из эффективных путей, которыми повышают надежность машин. Массовое производство подшипников качения сделало их при­ менение экономически выгодным даже взамен подшипников скольже­ ния простейших типов.

Подшипники качения выпускают в широком диапазоне: от подшип­ ников с наружным диаметром 1 мм и диаметром шариков 0,35 мм да подшипников диаметром в несколько метров с диаметром шаров до

203мм.

Кобщим тенденциям развития подшипников качения нужно

отнести:

повышение точности, расширение применения радиально-упорных подшипников, свя­

занное с повышением скоростей вращения валов и с плохой работой подпятников при больших скоростях,

расширение применения роликоподшипников, связанное с повы­ шением нагрузок, точности изготовления и жесткости машин,

оптимизация конструкций подшипников, в первую очередь, опти­ мизация контакта,

развитие конструкций с малыми радиальными габаритами, расширение применения подшипников на специальные обла­

сти благодаря выпуску антимагнитных, антикоррозионных, жаростой­ ких, малошумных, самосмазывающихся и других специальных под­ шипников.

Современные конические и цилиндрические роликоподшипники выполняют с роликами или дорожкой качения одного из колец, имеющими небольшую выпуклость (бомбину) порядка 0,01 мм. Пред­ почтительна бомбина у роликов, так как она снимает концентрацию напряжений у их краев; долговечность подшипников повышается более чем в два раза; достоинства роликоподшипников: большая не­ сущая способность, хорошее восприятие осевых нагрузок, удобство сборки и регулировки. Недостатком является трение скольжения

167

на торцах роликов, ограничивающее скорость вращения, а также концентрация нагрузки по длине роликов. В связи с этим для особо ответственных и напряженных машин применяют весьма совершен­ ные, но технологически сложные сфероконические подшипники (рис. 100, а). Французская фирма Гамет выпускает высокопрецизи­ онные и быстроходные конические роликоподшипники (рис. 100, б), конструкция которых характерна: массивным сепаратором, базирую­ щимся на внутреннее кольцо, полыми (сверлеными) роликами для лучшего ох­ лаждения, шлифуемыми на центрах. Бие­ ние внутреннего кольца подшипников сред­ них размеров сведено до 2 мкм.

Для возможности обеспечения высокой точности вращения валов подшипники

Рис. 101

должны быть технологически простой конструкции. Число тел качения должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить необ­ ходимую жесткость и избежать вибраций, связанных с переменной жесткостью подшипников по углу поворота. Эти требования удовлетворяются в двухрядных радиальных подшипниках с корот­ кими цилиндрическими роликами и коническим отверстием (рис. 100, в). Ролики делают короткими (длина равна диаметру) и располагают в шахматном порядке. Зазор регулируют распором внут­ реннего кольца. Дорожку качения, внутреннего кольца при необхо­ димости прошлифовывают на валу. Успешно применяют шариковые подшипники с четырехточечным контактом (рис. 100, г). Радиальная грузоподъемность этих подшипников в 1,5 раза больше грузоподъ­ емности однорядных радиальных, а осевая равна радиальной.

Повышение класса чистоты поверхности дорожек и тел качения с 9-го на 10-й по данным ВНИППа повышает долговечность подшип-

168