Механика

где d – диаметр вала.

Обычно крутящий момент Mz (внутренний силовой фактор) в расчетном сечении вала равен вращающему моменту T (внешней нагрузке на вал).

Запас прочности по пределу текучести

σ

nт σэкв

Обычно принимают nт = 1,2–1,8.

Сечение (сечения), в котором следует определить запас nт, находят после построения эпюр изгибающих и крутящих моментов. Ес-

231

ли нагрузки действуют на вал в разных плоскостях, то сначала силы проецируют на координатные оси и строят эпюры моментов в координатных плоскостях. Далее производят геометрическое суммирование изгибающих моментов.

Если угол между плоскостями действия сил не более 30º, то для простоты считают, что все силы действуют в одной плоскости.

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов обычно производят в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости поверхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения. Шероховатость Ra шеек назначают равной 0,32–1,25 мкм. Овальность и конусность мест посадки определяются допуском на диаметр шейки.

Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18X2H4A, 40XH2MA и др., титановые сплавы BT3-1, ВТ6 и ВТ9.

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Так, например, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф (посадочных хвостовиков валов), поэтому такие валы изготовляют из цементуемых сталей 12X2H4A, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой же причине выполняют из цементуемых сталей 12XH3A, 12X2H4A и т. п. Валы под насадные зубчатые колеса серийных редукторов изготовляют из улучшенной стали 45 (255–285 НВ) и 40Х (269–302 НВ). Участки валов, контактирующие с уплотнительными манжетами, должны иметь твердость поверхности не менее 30 HRC.

Длинные полые валы иногда выполняют (намоткой) из композиционных материалов.

25.2. Опоры валов и осей. Классификация подшипников

Подшипники бывают:

–скольжения;

–качения.

Подшипник скольжения является парой вращения, он состоит из опорного участка вала (цапфы) 1 и соответственно подшипни-

ка 2, в котором скользит цапфа (рис. 25.1).

232

–радиально-упорные (см. рис. 25.2, б, 25.3, б), воспринимаю-

щие одновременно действующие радиальные и осевые нагрузки;

–упорно-радиальные, воспринимающие осевые нагрузки при одновременном действии незначительной радиальной нагрузки;

–упорные, воспринимающие только осевые силы.

Рис. 25.2. Шарикоподшипники

Рис. 25.3. Роликоподшипники

III. По способности самоустановки подшипники подразделяют на несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся, до-

пускающие поворот оси внутреннего кольца по отношению к оси наружного кольца.

IV. По числу рядов тел качения, расположенных по ширине, подшипники делят на однородные (см. рис. 25.2, 25.3), двухрядные,

четырехрядные и многорядные.

Основными потребительскими (внешними) характеристиками подшипников являются грузоподъемность, быстроходность, масса, габариты, потери энергии.

234

Подшипники одного и того же диаметра отверстия по наружному диаметру и ширине подразделяют на серии: сверхлегкую, особо легкую, легкую, легкую широкую, среднюю, среднюю широкую и тяжелую (рис. 25.4).

Рис. 25.4. Сравнительные параметры радиальных шарикоподшипников и радиально-упорных роликоподшипников различных серий

при одинаковом диаметре отверстия d = 80 мм:

1 – масса m; 2 – динамическая грузоподъемность C; 3 – предельная частота вращения n

Для особо высокой частоты вращения и легких нагрузок целесообразно использовать подшипники сверхлегкой и особо легкой серий. Для восприятия повышенных и тяжелых нагрузок при высокой частоте вращения используют подшипники легкой серии, а при недостаточной их грузоподъемности в одной опоре размещают по два подшипника.

Кроме стандартных подшипников по специальному обоснованию изготовляют особые подшипники.

Достоинства и недостатки подшипников. Подшипники качения имеют ряд достоинств по сравнению с подшипниками скольжения:

–меньшие (в два-три раза) осевые размеры;

–меньшее трение и сопротивление пуску под нагрузкой и вращению при небольших и средних частотах вращения, постоянство сопротивления вращению;

235

–простоту технического обслуживания и подачи смазочного материала;

–низкую стоимость и взаимозаменяемость.

Недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения следующие: большие радиальные размеры; малая радиальная жесткость и, как следствие, склонность к возникновению колебаний вала из-за ритмичного прокатывания через нагруженную зону опоры; более сложный монтаж; большее сопротивление вращению (из-за трения между телами качения, кольцами, сепаратором и гидравлических потерь) при высоких частотах вращения и, как следствие, низкая долговечность (из-за перегрева).

Промышленность изготовляет подшипники качения пяти классов точности: 0, 6; 5; 4 и 2. Обозначения даны в порядке повышения точности, определяемой допусками на изготовление элементов, а также нормами плавности вращения (хода).

Основные размеры подшипников установлены ГОСТ 3478–79 (СТ СЭВ 402–76). В них входят: внутренний d и наружный D диаметры, ширина B (высота Н) и радиус r фасок колец.

Материалы деталей подшипников. Кольца и тела качения подшипников изготовляют в основном из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15 и ШХ15СГ, ШХ20СГ, а также цементуемых легированных сталей 18ХГТ, 20Х2Н4А и др. При рабочей температуре до 100 °С тела качения и кольца обычно имеют твердость 60–64 HRC, шарики – 62–65 HRC.

Кольца и тела качения подшипников, работающих при повышенных температурах (до 500 °С), в агрессивных средах, изготовляют из жаропрочных и коррозионно-стойких сталей.

Сепараторы подшипников подвержены интенсивному изнашиванию из-за трения скольжения с телами качения и кольцами, поэтому сепараторы изготовляют из антифрикционных материалов. Сепараторы массовых подшипников изготовляют штамповкой из мягкой углеродистой стали, обладающей неплохими антифрикционными свойствами. Сепараторы высокоскоростных подшипников выполняют массивными из текстолита, фторопласта, дуралюмина, латуни и бронзы (материалы перечислены в порядке увеличения быстроходности подшипника).

Основные типы подшипников и их характеристики приведены в справочниках.

236

25.3. Динамическая грузоподъемность подшипников качения. Выбор подшипников и определение их ресурса

Динамическая грузоподъемность подшипников. Расчет удоб-

нее выполнять по действующей нагрузке R:

L

где L – номинальная долговечность подшипника, млн оборотов; С – динамическая грузоподъемность, Н;

R – эквивалентная нагрузка, Н;

q – показатель степени кривой усталости подшипника;

n – частота вращения кольца, мин–1;

Lh – расчетная долговечность подшипника, ч.

Под динамической грузоподъемностью С радиальных и ради-

ально-упорных подшипников понимают (по договоренности) постоянную радиальную нагрузку (в ньютонах), которую подшипник

снеподвижным наружным кольцом может воспринимать в течение номинальной долговечности в 1 млн оборотов. Динамическая гру-

зоподъемность упорных и упорно-радиальных подшипников –

постоянная центральная осевая нагрузка (в ньютонах), которую подшипник может воспринимать в течение номинальной долговечности в 1 млн оборотов одного из колец.

Принимают q = 3 (m = 9) для шарикоподшипников и q = 3,33 (m = 6,66) для роликоподшипников.

Эквивалентную нагрузку для подбора подшипников определяют

сучетом особенности их работы в эксплуатационных условиях:

R xVFr yFa Kб Kт ,

где x – коэффициент радиальной нагрузки;

V – коэффициент вращения (V = 1 при вращении внутреннего кольца, V = 1,2 при вращении наружного кольца);

237

Fr – радиальная сила;

y – коэффициент осевой нагрузки; Fа – осевая сила;

Kб – коэффициент безопасности, учитывающий влияние на долговечность подшипников характера внешних нагрузок;

Kт – температурный коэффициент.

Выбор подшипников и определение их ресурса. Выбор под-

шипников качения производят по приведенной нагрузке R и расчетному ресурсу L (в млн оборотов) по формуле

Используя полученное расчетное значение динамической грузоподъемности, по справочнику или каталогу выбирают подшипник;

ческая грузоподъемность подшипника по каталогу).

Если подшипник принят по конструктивным соображениям, то расчетом проверяют его ресурс:

105

Lh 6n

1с–1 ( ω ) ≈ 10 мин–1 (n).

25.4.Муфты механических приводов. Общие сведения и классификация

Муфтами называют устройства, предназначенные для передачи вращения между валами совместно работающих узлов (агрегатов) машин, между частями составных валов (в валопроводах, трансмиссиях), а также для соединения валов с расположенными на них деталями (зубчатыми колесами, звездочками и т. д.).

Муфты бывают:

–общего назначения.

–управляемые;

–предохранительные.

238

1. Простейшую конструкцию имеют втулочные муфты (рис. 25.5, а, б), применяемые для соединения валов диаметрами до 60–70 мм (здесь рассматриваются лишь приводные механические муфты). В качестве муфт используют также торсионы со шлицевыми хвостовиками, входящими в шлицевые отверстия в хвостовиках соединяемых валов. Для облегчения монтажа приводов муфты выполняют обычно сборными, состоящими из полумуфт, которые соединяют после установки узлов на раме (станине и т. п.) с помощью болтов (рис. 25.5, в) и другими способами. Широко распространены муфты в виде автономных устройств (узлов), изготовляемых на специализированных предприятиях (производствах). Это упрощает стандартизацию муфт. Для фиксирования их на хвостовиках соединяемых валов обычно используют шпоночные и шлицевые соеди-

нения (муфты общего назначения).

в

Рис. 25.5. Глухие муфты

2.Управляют работой (включают и выключают исполнительный механизм при работающем двигателе, облегчают пуск машины и др.) управляемые муфты.

3.Регулируют параметры (ограничивают частоты вращения (максимальную и минимальную), предохраняют детали и машины

239

от случайных (недопустимых) перегрузок) предохранительные

муфты.

Основной нагрузкой для муфт является вращающий момент. В связи с этим их нагрузочную способность принято оценивать допу-

стимым вращающим моментом Tn, значения которого вместе с размерами, массой и другими данными указывают в паспортах муфт.

Наибольший длительно действующий момент Tдл для муфт может быть определен теоретически или экспериментально. В упрощенном расчете, используя опыт проектирования и эксплуатации машин, принимают

Tдл TKn ; Tn K Tдл ,

где K Kб Kд – коэффициент режима работы;

Kб = 1,0–1,8 – коэффициент безопасности, учитывающий характер последствий при выходе муфты из строя;

Kд = 1,0–1,5 – коэффициент, учитывающий характер передаваемой нагрузки (меньшие значения принимают при спокойной нагрузке, большие – при ударной и реверсивной).

Муфты разнообразны по конструкции. Наиболее распространенные из них стандартизованы и рассмотрены ниже. Выбор типа муфт производят в соответствии с конструктивными особенностями и требованиями, предъявляемыми к приводу (машине) в целом.

25.5. Муфты общего назначения. Особенности расчета

Муфты общего назначения:

–глухие;

–упругие;

–компенсирующие.

Глухими называют муфты, образующие жесткое соединение валов (составной вал). К их числу относят втулочные и фланцевые муфты (см. рис. 25.5), которые компенсируют радиальные смещения осей валов до 5 мкм для исключения чрезмерных дополнительных сил.

Несущая способность втулочных муфт обычно ограничена прочностью соединений (шпоночных, штифтовых, болтовых).

240