Контрольные вопросы

1. В чем состоит конструктивное различие между валом и осью?

2. Каковы основные критерии работоспособности валов и осей и какими параметрами они оцениваются?

3. В чем заключаются проектный и проверочный расчеты валов?

4. В каких сечениях вала проводится проверочный расчет и что при этом определяют?

5. В чем заключается расчет валов на прочность и жесткость?

6. Каковы конструктивные и технологические способы повышения выносливости валов?

Глава 4.2. Подшипники качения

Цель  изучение конструкций опор вращающихся валов, области применения подшипников качения, их классификация по форме тел качения и воспринимаемой нагрузке, уяснение используемых материалов, способов термообработки, видов разрушения и посадках при монтаже в подшипниковые узлы, выполнение расчетов на статическую и динамическую грузоподъемность.

Конструкции опор вращающихся валов и осей обычно содержат подшипники качения или реже подшипники скольжения. Подшипники могут воспринимать радиальные, окружные и осевые нагрузки, приложение к валу.

Подшипник качения содержит наружное и внутреннее кольца, между которыми с одинаковым шагом расположены тела качения (шарики или ролики). Равномерность распределения тел качения обеспечивается сепаратором.

По форме тел качения подшипники бывают шариковые и роликовые. По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники качения разделяют: на следующие типы: радиальные – воспринимающие нагрузку, перпендикулярную к оси; упорные  воспринимающие нагрузку, параллельную оси и радиально-упорные  воспринимающие радиальную и осевую нагрузку одновременно.

При одинаковом диаметре внутреннего кольца различают подшипники следующих серий: сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние, тяжелые. По ширине наружного кольца – узкие, нормальные, широкие и особо широкие. Наибольшее распространение в машиностроении нашли подшипники качения легкой и средней серии нормальной ширины.

Подшипники изготовляют из высокоуглеродистых (1...1, 2 углерода) хромистых сталей марки ШХ. Тела качения делают из сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15, а обоймы - из сталей ШХ15, ШХ15СГ. Число в обозначении марки указывает на среднее содержание хрома в десятых долях процента. Сепараторы подшипников качения выполняют из мягкой углеродистой стали, бронзы, латуни, пластмасс.

Смазка подшипников влияет на их работоспособность и долговечность. Для смазки применяют пластичные (густые) мази и жидкие масла. Подшипниковые узлы защищают от попадания в них пыли, воды, грязи, с помощью уплотнений. Конструкции подшипниковых узлов с различными типами уплотнений приведены на рис. 4.2.

Основными причинами выхода из строя подшипников являются следующие: усталостное выкрашивание и износ рабочих поверхностей колец и тел качения; образование вмятин на беговых дорожках колец от действия динамических и больших статических нагрузок; образование трещин и сколов в кольцах и телах качения от ударных и вибрационных перегрузок; разрушение сепараторов.

Рис. 4.2. Подшипниковые узлы с уплотнениями:

отгонной резьбой,  резиновыми манжетами

Расчет подшипников на динамическую грузо-подъемность при частоте вращения n  10  об/мин

проводят по эмпирической формуле

,

где С – номинальная динамическая грузоподъемность, принимаемая из каталога для подшипников;

F – эквивалентная нагрузка на подшипник;

L – номинальная долговечность в млн. оборотов;

m = 3 для шарикоподшипников и m = – для роликоподшипников.

Эквивалентную нагрузку F для радиальных и радиально-упорных подшипников вычисляют из соотношения: , ( * )

где F_r, F_a – радиальная и осевая нагрузки на подшипники;

x, y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузки, представленные в стандарте на подшипники;

V = 1 – при вращающемся внутреннем кольце;

V = 1, 2 – при вращающемся наружном кольце подшипника;

k_ = 1,0-2.5 -коэффициент безопасности, зависящий от характера нагрузки;

k_t =1.0-1.4 -коэффициент, зависящий от рабочей температуры подшипника.

Для удобства расчета номинальную долговечность предпочтительно определять в часах: ,час.

Тогда расчетная динамическая грузоподъемность будет равна:

Для обеспечения работоспособности подшипника необходимо соблюдение соотношения: С_расч  С,

где С – табличная динамическая грузоподъемность, т.е. такая постоянная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение одного миллиона оборотов без появления признаков усталости не менее чем у 90 подшипников, подвергнутых испытаниям.

При проведении проверочных расчетов удобно пользоваться формулой для определения долговечности подшипника в часах:

При этом должно соблюдаться условие: L_h  L_зад ,

где L_зад – требуемый ресурс работы подшипника.

Особенность расчета радиально-упорных подшипников заключается в том, что от радиальной нагрузки F_r возникает осевая составляющая S (рис. 4.3).

Величина этой составляющей для радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников равна S = eF_r , а для конических роликоподшипников – S = 0, 83eF_r , где е – параметр осевой нагрузки находится из таблиц.

Рис. 4.3. Усилия в радиально-упорных подшипниках

Если при сборке обеспечивают зазоры близкие к нулю, то суммарная осевая нагрузка на опоры может определяться из следующих соотношений:

если S₁    S₂ и F_a  0, то ;

если S₁ < S₂ и F_a  S₂ – S₁ , то ;

если S₁ < S₂ и F_a  S₂ – S₁ ,

то ;.

В радиально-упорных подшипниках нагрузка F_r приложена на оси вала в точке ее пересечения с нормалью к середине контакта тела качения и наружного кольца.

Значения коэффициентов x, y, е в зависимости от типа подшипника и угла  приведены в таблицах. Величины коэффициентов x и y зависят от соотношения параметров . Объясняется это тем, что если, то дополнительная осевая нагрузка не ухудшает работы подшипника и поэтому x = 1, y = 0.

Установка внутренних колец подшипника на вал выполняется в системе отверстия, а посадка наружных колец в корпус – в системе вала. Рекомендуются следующие посадки внутренних колец подшипника на вращающийся вал: для тяжелых режимов с ударными нагрузками – n5, n6, m5, m6; для средних режимов нагружения – k6, k5; для легких режимов – j_s6, j_s5.

Посадки наружных колец подшипника в корпус при вращающемся вале следующие: для тяжелых и средних режимов нагружения могут быть приняты: Н7, Н6, J_s7, J_s6. При неподвижном вале и вращающемся корпусе наружные кольца подшипника устанавливают с натягом, а внутренние – с зазором.

Наиболее распространенным способом крепления подшипников на валу является затяжка внутренней обоймы гайкой (рис. 4.4), что обеспечивает точную фиксацию и предохраняет внутреннее кольцо подшипника от проворота относительно вала.

Рис. 4.4. Способы крепления подшипника на валу

В слабо нагруженных узлах фиксацию подшипников иногда выполняют кольцевыми стопорами, но при этом требуется точное взаимное положение соединяемых деталей. в корпусе

Для компенсации температурных расширений валов одну из опор выполняют плавающей, т.е. допускающей взаимное скольжение корпуса и вала. При этом другая опора фиксируется и ограничивает осевое перемещение вала в одном или обоих направлениях и воспринимает радиальную и осевую нагрузки.

Контрольные вопросы.

1. Из каких деталей состоит подшипник качения?

2. Виды подшипников качения по воспринимаемым нагрузкам и телам качения?

3. Что называется статической и динамической грузоподъемностью подшипника?

4. В чем заключается расчет подшипника по статической грузоподъемности?

5. Как определяется эквивалентная нагрузка на подшипник?

6. Как определить долговечность подшипника?

7. Какие виды повреждений возникают в подшипниках качения?

8. В чем заключается подбор подшипников качения?

9. Как осуществляется фиксирование подшипников в корпусах?

10. Какие посадки используют при установке подшипника в корпус и на вал?