Україна

Національний аграрний університет

Кафедра деталей машин і ПТМ

Дослідження втрат на тертя у підшипниках кочення

Методичні вказівки

до лабораторної роботи з деталей машин

для студентів із спеціальностей

7.091902 “ Механізація сільського господарства”,

7.090215 “ Машини та обладнання для

сільськогосподарського виробництва “

Київ 1999р.

УДК 621.81.001.(07)

Описано лабораторну установку для визначення втрат на тертя у підшипниках кочення. Наведено розрахункові залежності втрат від радіального навантаження. Подано послідовність проведення лабораторної роботи.

Іл. 3. Табл. 5. Бібл. 10 назв.

Укладач В.Ф. Ярошенко

Рецензенти: проф. А.С. Опальчук, доц. О.М. Погорілець.

Навчальне видання

Дослідження втрат на тертя у підшипниках кочення

Методичні вказівки

до лабораторної роботи з деталей машин

для студентів із спеціальностей

7.091902 “ Механізація сільського господарства”,

7.090215 " Машини та обладнання для

сільськогосподарського виробництва "

Укладач Ярошенко Володимир Федорович

Відповідальний за випуск проф. А.С. Опальчук

Редактор Т.П. Хільченко

Комп’ютерний набір Л.В. Ярошенко

Комп’ютерна верстка Фармагей В.М.

Зав. видавничим центром В.В. Кожукало

Підписано до друку 22.11.99 формат 60х 84 1/16.

Папір друк. N 2. Ум. друк. арк.1,1. Обл. вид. арк. 1.26

Тираж 100 пр. Замовне. Зам. №10

Видавничий центр НАУ.

03041, Київ, вул. Героїв Оборони, 15, тел. 267-80-49.

Друкарська дільниця УВК НАУ.

03041, Київ, Сільськогосподарський пров.,4, тел. 267-81-55.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

Дослідження втрат на тертя у підшипниках кочення

1. МЕТА РОБОТИ. Прослідкувати експериментальним шляхом залежність втрат на тертя у підшипниках кочення ( моменту опору руху ) від радіального навантаження, швидкості обертання та рівня мастила.

2. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Опір відносному руху кілець у підшипниках кочення обумовлений багатьма факторами ( схема 2.1.1 ). Опір тертю кочення шариків або роликів по бігових доріжках кілець прийнято оцінювати за допомогою моментів сил тертя Т_к.

Т_к=кR , ( 2.1.)

де R - радіальне навантаження, Н;

к- плече тертя, м, причому

к=к₁+к₂+к₃+к₄ , ( 2.2.)

де к₁, к₂, к₃, к₄ - складові частини плеча тертя, які враховують опір від внутрішнього тертя (недосконалість пружних властивостей матеріалів), пружне проковзування, молекулярну взаємодію, а також тертя елементів підшипника, що рухаються, об оточуюче середовище.

Геометричне ковзання окремих контактуючих точок поверхонь тіл кочення виникає внаслідок нерівності їх лінійних швидкостей. Величина цього геометричного ковзання залежить від обрису самих поверхонь.

Тертя тіл кочення об сепаратор обумовлене багатьма причинами, серед яких найперше місце займає наявність діаметрального зазору

між зовнішнім і внутрішнім кільцем та тілом кочення підшипника ( рис. 2.1.1)

_r=D-(d₁+2D_w), ( 2.3.)

де _r – діаметральний зазор;

D_w – діаметр тіла кочення;

d₁ – діаметр бігової доріжки на внутрішньому кільці;

D – діаметр бігової доріжки на зовнішньому кільці.

Велике значення на величину моментів сил тертя мають також похибки у розмірах тіл кочення та бігових доріжок.

Для зниження зазначеного опору необхідно досягти більш високої точності сортування тіл кочення (шариків або роликів) та шорсткості поверхонь доріжок у зовнішньому і внутрішньому кільцях.

Рис. 2.1.1. Схема до визначення діаметрального зазору у підшипниках кочення.

Щоб визначити втрати на тертя у мастилі, необхідно вирішити досить складну гідродинамічну задачу. Величина цих втрат залежить від в’язкості мастила, швидкості відносного руху, температури, числа тіл кочення та інших факторів. Якщо підшипник кочення змащують рідким мінеральним мастилом, то втрати на тертя будуть менші, ніж при змащуванні його пластичним мастилом ( наприклад солідолом, консталіном).

Опір обертальному руху, обумовлений особливостями конструкції і режиму роботи та виникаючий від сил інерції і гіроскопічного моменту стає помітним при підвищених швидкостях обертання, причому гіроскопічний момент суттєво помітний лише у радіально-упорних підшипниках.

В інженерній практиці момент сил тертя підшипника відносно осі обертання визначають за такою формулою:

Т_к=1,2f_кRD_o/D_w , ( 2.4.)

де f_к - коефіцієнт тертя кочення;

D_o - діаметр розміщення центрів тіл кочення (шариків або роликів);

D_w - діаметр тіла кочення;

1,2 - числовий коефіцієнт, який отримано при діленні сумарного радіального навантаження на окремі тіла кочення Р_і до радіального навантаження на підшипник

1,2=. ( 2.5.)

Сумарний момент тертя визначають через умовний, зведений до посадочного діаметра d , коефіцієнт тертя f_зв

. ( 2.6.)

Якщо прийняти (при малій кількості мастила та при частоті обертання одного із кілець підшипника n 3000 об/хв, що тертя обумовлене лише перекочуванням шариків, то з формул (2.4) і (2.6) матимемо:

. ( 2.7.)

У лабораторній установці типу ДМ-28 зусилля, яке створюється навантажувальним гвинтом, розподіляється на два внутрішні підшипники у вигляді радіального навантаження

R=0,5 Q ( 2.8.)

Момент тертя у чотирьох підшипниках досліджуваної головки лабораторної установки буде таким:

, ( 2.9.)

а після підстановки значення R

. ( 2.10.)

Для тіл кочення, які виготовляють з гартованої сталі ШХ-15 ГОСТ 801-78, що перекочуються по бігових доріжках кілець, виготовлених з такої ж сталі

f_зв= 0,00001 м = 0,01 мм

Допустиме радіальне навантаження на підшипник при проведенні лабораторних досліджень визначають за такою залежністю:

, ( 2.11.)

де С - динамічна вантажопідйомність досліджуваного підшипника ( визначають з таблиць 11) ,Н;

 - показник степені, причому для шарикових підшипників _ш= 3, а для роликових підшипників _p = 3,33;

L - довговічність (номінальна) підшипника, млн.об, причому

, ( 2.12.)

де n - частота обертання одного із кілець підшипника (визначається за допомогою тахометра), об/хв;

L_h - довговічність підшипника у годинах роботи

(L_h = 5000...10000 год.). Цю довговічність встановлює викладач.

2.1. БУДОВА ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка для дослідження втрат на тертя у підшипниках кочення типу ДМ-28 складається з корпуса, який виготовлено з алюмінієвого сплаву (силуміну) і який закріплено на лабораторному столі за допомогою чотирьох болтів. Усередині корпусу встановлено трифазний асинхронний електродвигун 1 (Рис. 2.1.2), за допомогою якого через клинопасову передачу приводиться в обертальний рух вал 2, на якому закріплено

досліджувану головку . Клинопасова передача складається з двох шківів 3 і 4, що мають по три рівчаки з різними діаметрами та клинового пасу 5 типу О - 710 ГОСТ 1284-68. При перестановці клинового паса з одного рівчака на інші можливо отримати три різні частоти обертання вала 2 при незмінній частоті обертання вала електродвигуна 1.

Рис. 2.1.2. Установка для дослідження підшипників кочення

На передній стінці корпуса установки змонтовано пакетний вимикач, за допомогою якого здійснюють вмикання електродвигуна 1 до електричної мережі. ( На рис. 2.1.2 корпус установки і пакетний вимикач не показано).

Зміну натягу паса при перекиданні його з одного рівчака до іншого на триступінчастих шківах здійснюють повертанням плити 6, на якій закріплено електродвигун . Регулювання натягу паса та фіксація необхідного натягу виконується за допомогою двох гайок, які нагвинчують на натяжний гвинт 7.

Лабораторна установка ДМ-28 укомплектована досліджуваними головками з такими типами підшипників: радіальними однорядними шарикопідшипниками, радіальними дворядними сферичними шарикопідшипниками та однорядними конічними роликопідшипниками.

Технічна характеристика досліджуваних підшипників

Табл. 2.1.1

Параметри підшипників досліджуваної головки	Умовне позначення підшипників
	208	308	1208	7208
Діаметр внутрішній внутрішнього кільця d, мм ;	40	40	40	40
Зовнішній діаметр зовнішнього кільця D, мм ;	80	90	80	80
Ширина підшипника В, мм ;	18	23	18	20
Діаметр шариків Dw, мм ;	12,7	15,08	8,73	9,9
Число шариків або роликів z ;	9	8	17	15
Робоча довжина ролика lр;	--	--	--	12,2
Гранична частота обертання при рідкому мастилі nгр , об/хв;	8000	8000	10000	6300
Маса М, кг ;	0,36	0,63	0,42	0,446
Динамічна вантажопідйомність С, Н ;	25600	31900	15100	42400
Статична вантажопідйомність Со, Н.	18100	22700	8720	32700

Головка з досліджуваними підшипниками закріплюється на валу 2 від осьових зміщень за допомогою шарикового фіксатора, а від провертання - призматичною шпонкою. Головка виготовлена у вигляді циліндричного корпуса 8, усередині якого встановлена перехідна втулка 9, що має можливість обертатись. Розмір отвору у втулці 9 відповідає діаметру вихідного кінця вала 2. На перехідну втулку напресовано чотири досліджувані підшипники. Зовнішні кільця двох крайніх досліджуваних підшипників

10 та 11 розміщені у корпусі 8 головки, а зовнішні кільця двох середніх досліджуваних підшипників 12 та 13 змонтовані у загальну циліндричну навантажувальну втулку 14, що встановлена із зазором у корпус 8. З двох сторін корпус 8 закрито кришками, причому одна з них має оглядове скло, через яке здійснюють контроль рівня мастила у підшипникових вузлах. За допомогою навантажувального пристрою, що складається із скоби 15 та

гвинта 16, середні підшипники 12 і 13 притискають до перехідної втулки 9. Зусилля, що створює гвинт 16, передається до підшипників через два шарики та динамометричну пружину 17. Контроль навантаження пружини 17, а відповідно і досліджуваних підшипників, здійснюють через індикатор 18 (годинникового типу).

При навантажуванні середніх підшипників 12 і 13 реактивні зусилля, що виникають у крайніх підшипниках 10 і 11, будуть створювати їм такі ж навантаження. Виникаючий при обертанні зовнішніх кілець досліджуваних підшипників момент тертя буде тягнути і корпус 8 головки.

Маятниковий вантаж 19, що закріплено на певній відстані від осі обертання підшипників, буде утримувати корпус 8 у відхиленому на певний кут положенні. Величина кута відхилення вантажу від моменту тертя у підшипниках буде залежати від моменту тертя у підшипниках. За допомогою стрілки 20, що закріплена на підвісці вантажу, визначають за шкалою 21,

яка проградуйована у кгс.см, момент тертя у підшипниках.

Зміна рівня мастила у досліджуваних підшипниках 10,11,12,і 13 здійснюють спеціальним пристроєм, який виготовлено у вигляді циліндра 22 з поршнем 23. За допомогою гнучкого шлангу 24 з’єднують внутрішню порожнину корпуса 8 з циліндром 22. Переміщуючи у циліндрі 22 поршень 23 уверх або вниз, можна змінювати рівень мастила, що залито до корпуса 8, а, відповідно, і ступінь заповнення підшипників мастилом.

Контроль температури мастила у корпусі 8 здійснюють за допомогою ртутного термометра або термопари, які розміщують у спеціальному отворі. До термопари додається дзеркальний гальванометр, який встановлено на окремій підставці. Щоб виключити можливість попадання пилу у внутрішню порожнину корпуса 8 отвір під термометр або термопару закривають кришкою з різьбою. Через цей отвір також доливають мастило, яке може витікати через нещільності.

Нормальним рівнем мастила вважають таким, коли нижнє тіло кочення занурено у мастило до половини його діаметра.

Підвищеним рівнем вважають тоді, коли все тіло кочення занурене у мастило. Недостатнім рівнем можна вважати такий, коли тіло кочення ледь торкається мастила.

Змінюючи положення клинового паса на рівчаках шківів, можна досягти трьох швидкостей обертання вала 2 установки, а саме 1000, 2000 та 3000 об/хв.

Нижче наведено допустимі значення радіальних навантажень для досліджуваних підшипників при номінальній довговічності

L_h = 5000, 10000 та 15000 год.

Табл. 2.1.2

Частота обертання вала 2 установки, n, об/хв	Допустимі навантаження , H
	Умовне позначення підшипників
	208	308	1208	7208
Ln= 5000 годин
1000	3820	4760	2250	6325
2000	3035	3785	1790	5030
3000	2650	3305	1585	4390
Ln = 10000 годин
1000	3040	3780	1810	5120
2000	2420	3050	1430	4075
3000	2150	2630	1260	3550
Ln = 15000 годин
1000	2660	3310	1570	4550
2000	2115	2635	1245	3620
3000	1840	2290	1100	3140

Наближені значення коефіцієнтів для визначення моментів тертя

у підшипниках кочення

Табл. 2.1.3.

Назва підшипника кочення	Коефіцієнт тертя кочення fк , мм	Зведений коефіцієнт тертя
Радіальний однорядний шариковий типу 0000;	0,01...0,012	0,002
Радіальний дворядний сферичний шариковий типу 1000;	0,01	0,0015
Радіально-упорний роликовий (конічний) типу 7000.	0,02...0,03	0,008

3. ПЕРЕЛІК ОБЛАДНАННЯ, ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ ТА ІНСТРУМЕНТІВ

1. Установка ДМ-28;

2. Досліджувані головки з набором підшипників, силовимірювальним та мастиловідсмоктуючим пристроєм ( ДМ-28 скл. 1, ДМ-28 скл.2, ДМ-28 скл.3, ДМ-28 скл.4);

3. Тахометр;

4. Індикатор годинникового типу з точністю вимірювань 0,01 мм;

5. Термометр рідинний з межами вимірювань 0...100 С;

6. Термопара з гальванометром;

7. Вороток;

8. Набір ємностей з різними марками мастила;

9. Гайковий ключ для регулювання натягу паса;

10. Лійка.

4. ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Ознайомитись з будовою лабораторної установки ДМ-28.

2. Одержати у викладача головку з досліджуваними підшипниками. Уточнити типорозмір досліджуваних підшипників. Визначити максимально допустиму величину навантаження , прийнявши за вказівкою викладача строк служби підшипників 5000, 10000 або 15000 годин. Розбити допустиме навантаження на чотири складові R₁= 0,25, R₂ = 0,5, R₃= 0,75, R₄= 1,0.

3. Заповнити мастилом досліджувану головку до рівня нижньої частини внутрішнього кільця підшипника. Поршень мастиловідсмоктуючого пристрою у цьому випадку розміщений у крайньому нижньому положенні. При такому рівні мастила момент тертя у досліджуваних підшипниках буде найбільшим. Перед зніманням експериментальних даних необхідно, щоб установка пропрацювала 5-7 хвилин при навантаженні R₁ = 0,25 , щоб розігріти мастило до температури 35...45С.

4. Користуючись тахометром, визначити частоту обертання вала 2 (рис.2.1.2.) установки. Початковий відлік значення моменту тертя починають без радіального навантаження на підшипник, тобто R_o = 0. Потім за допомогою воротка повертанням навантажувального гвинта до величини R₁ = 0,25 створюють зовнішнє навантаження підшипникам і замірюють момент тертя.

Змінюючи ступінчасто зовнішнє навантаження, доводять його до максимальної величини . При виконанні дослідів за допомогою термометра замірюють температуру мастила.

5. Закінчивши записування показників моменту тертя для однієї частоти обертання вала установки з досліджуваною головкою, необхідно перевести установку на нову (іншу) частоту обертання. Для цього переміщують клиновий пас на рівчаки іншого ступеню передачі. Щоб перемістити пас треба видалити штепсельну вилку з розетки, ослабити гвинт натяжного пристрою. Після закінчення перестановки паса, виконати натягування його до номінальної величини та зафіксувати у необхідному положенні.

6. Повторити пункти 4 для двох інших частот обертання, записуючи при цьому дані моменту тертя.

7. Користуючись пристроєм для відсмоктування мастила, встановити рівень мастила до половини діаметра нижнього тіла кочення підшипника. При цьому рівні мастила сумарний момент тертя Т_т у підшипнику буде близьким до моменту тертя, що залежить лише від тертя кочення.

8. Повторити пункти 4 та 5 для визначення моменту тертя при новому рівні мастила.

9. Побудувати графіки залежності моменту тертя від навантаження. Якщо є точки, що різко відхиляються від загальної закономірності, то досліди повторити.

10. Побудувати графіки залежності умовного коефіцієнта тертя від навантаження. Порівняти одержані дослідним шляхом дані з табличними величинами.

11. Оформляючи звіт, зробити короткі висновки.

5. ЗМІСТ ЗВІТУ З ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

1. Мета роботи. За допомогою лабораторної установки встановити дослідним шляхом залежність опору обертання вала, встановленого на підшипниках кочення, від навантаження, швидкості обертання та рівня мастила.

2. Скласти схему лабораторної установки

3. Визначити за допомогою тахометра частоту обертання вала головки з досліджуваними при установці клинового паса на першому, другому та третьому рівчаках триступінчастих шківів (перша ступінь вважається та, яка найближче розміщена до опори). За залежністю

(5.1)

визначити кутову швидкість обертання вала установки та занести ці дані до таблиці 5.1.

4. Заповнити таблицю довідкових та розрахункових даних

Табл. 5.1.

Назва даних	Позначення
Умовне позначення підшипника, встановленого у головці;	Згідно ГОСТ
Внутрішній діаметр внутрішнього кільця, мм;	d
Зовнішній діаметр зовнішнього кільця, мм;	D
Ширина підшипника, мм;	B
Діаметр шариків або роликів, мм;	Dw
Робоча довжина ролика, мм;	lp
Число шариків або роликів;	z
Діаметр розміщення центрів тіл кочення, мм;
Гранична частота обертання при рідкому мастилі, об/хв;	nгр
Маса, кг;	М
Динамічна вантажопідйомність, Н;	С
Статична вантажопідйомність, Н;	Со
Довговічність роботи, год.;	Lh
Допустиме радіальне навантаження, Н.	Rпри	1=
		2=
		3=
Коефіцієнт тертя кочення (орієнтовно), мм;	fк
Зведений коефіцієнт тертя;

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДАНІ

Табл. 5.2.

Навантаження на підшипник	R	0=Ro		0,25=R1		0,5=R2		0,75=R3		1,0=R4
Навантаження по динамометричній| пружині;	Q=2R
Кількість поділок на індикаторі;	
Умови мащення;	--	з мас.	без мас.	з мас	без мас.	з мас	без мас.	з мас	без мас.	з мас	без мас.
Момент тертя ТТ, Нм;	при 1
	ТТ1сер
	при 2
	ТТ2сер
	при 3
	ТТ3сер
Умовний коефіцієнт тертя при	1
	2
	3

5. Провести експериментальні дослідження і заповнити таблицю 5.2. При проведенні досліджень необхідно проводити вимірювання при постійній температурі підшипникового вузла (яка встановиться після прогрівання установки).

6. Побудувати графіки

Т_Т, Нм

0 2R, H

f_ум

0 Q, H

7. Записати висновки, пропозиції та рекомендації до даної лабораторної роботи.