Хi. Опоры валов.

Опора вала – базовый элемент расположения всех вращающихся деталей машины. По своему назначению подшипники подразделяются наопорные, воспринимающие радиальную нагрузкуR(Рис.XI. 1, а),осевые, обеспечивающие осевую реакциюQ(Рис. ХI. 1, б), иопорно-упорные(илирадиально-осевые), обеспечивающие реакции как радиальныеR, так и осевыеQ(Рис. ХI. 1, в).

а) б) в)

Рис. ХI. 1

По принципу действия опоры делятся на подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипники скольжения.

Опора, выполненная в виде подшипника и работающая, преодолевая трение скольжения, называется подшипником скольжения. Подшипник скольжения является парой вращения, состоящей из опорного участка вала (цапфы)1и собственно подшипника2, в котором скользит цапфа (Рис. ХI. 2, а).

а) б)

Рис. ХI.2

Цапфу, передающую радиальную нагрузку, называют шипомпри расположении ее в конце вала (Рис. ХI. 2, а), ишейкой, если она находится в середине вала (Рис. ХI. 2, б). Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической, конической или шаровой (применяется редко). Для уменьшения силы трения в подшипнике используется вкладыш3(Рис. ХI. 3), изготавливаемый из материала с малым коэффициентом трения (Бронза БрАЖХ, баббит (сплав свинца и олова), пирографит и углефторопласт, используемые в космической технике для обеспечения работы в вакууме).

Рис. ХI.3

Подшипник в зазоре Сдолжен иметь слой масла (Рис. ХI. 4). Однако если вал не вращается, то он лежит на вкладыше, а масло – неподвижным слоем в зазоре. При вращении вала масло «затаскивается» в зазор между валом и вкладышем, при этом вал всплывает в масляном слое. Такое взаимодействие приводит к тому, что в зоне, где вал опирается на вкладыш, развивается зона повышенного давления в слое масла. Так как непосредственный контакт отсутствует, то трение в подшипнике определяется законами гидродинамики.

Рис. XI. 4

Суть расчета сводится к определению величины подъема hвала (Рис.XI. 4), определяемой соотношением высот неровностей шероховатостейR_zвала и отверстия:

,

где ∆h– некоторая добавка.

За гидравлическим расчетом подшипников скольжения, как правило, следует проверка, осуществляемая в два этапа:

1 – расчет на прочность(износостойкость), суть которого сводится к тому, что удельное давлениеpвала на опорной поверхности подшипника не должно превышать допускаемой величины [p]:

,

где F– радиальная сила, с которой вал воздействует на опору;

l– длина опорной поверхности;

d– диаметр цапфы.

2 – тепловой расчет, базируемый на применении комплекса:

,

где р– давление, организуемое валом на опорной поверхности;

v– линейная окружная скорость на периферии цапфы. Анализ размерностей комплексарv:

,

тогда:

В итоге величина рv– энергия, затрачиваемая в единичном времени на энергию преодоления трения, переходящую в тепловую энергию. В связи с этим масло нагревается, а значит:

,

где G_м– расход масла;

С_м– теплоемкость масла;

∆t– температурный градиент, величина нагрева масла.

Тогда расход масла G_м:

.

Эти режимные параметры позволяют выбрать необходимый режим работы подшипника с учетом того, что трение f(или коэффициент трения) изменяется с изменением угловой скоростиωвращения вала (Рис. ХI. 5).

Рис. XI. 5

Режим сухого трения(зонаI) характеризуется малымиω, при этом цапфа и вкладыш подшипника находятся в непосредственном контакте – коэффициент тренияfпринимает наибольшее значение. Увеличениеωприводит к увеличению масляного слоя между контактирующими поверхностями (зонаII), в связи с чем наблюдается резкое уменьшение тренияf– режимполужидкостного трения. Начиная с некоторой угловой скоростиω=ω_кр, при которой коэффициент трения принимает наименьшее значениеf =f_min, вал отходит от подшипника (всплывает). Последующее увеличение угловой скорости (зонаIII) приводит к увеличению масляного слоя между валом и вкладышем подшипника, что приводит к увеличению трения – режимжидкостного трения.

Достоинствами подшипников скольжения являются бесшумность хода, способность работать с большими мощностями, малые радиальные габариты и простота монтажа (сборки), однако при этом необходимость обильной смазки и использования цветных металлов и сплавов, а также значительные осевые габариты являются недостатком подшипников скольжения. Особенность подшипников скольжения заключается в том, что опора разрушается с предварительными признаками разрушения.