Конструкция и материалы подшипников скольжения

Конструкции подшипников скольжения весьма разнообразны. Во многом они зависят от конструкции машины, в которой устанавлива­йся подшипник. Рассмотрим принципиальные конструктивные различия подшипников скольжения. На рис.12.7 показан типовой разъёмный подшипник скольжения, размеры которого в зависимости от диаметра вала d, определены ГОСТом 11607 – 82. Вкладыш подшипника образуется двумя полувтулками, которые обрабатываются совместно.

Рис. 12.7

Иногда, с целью экономии дорогостоящих материалов, верхний и нижний вкладыш выполняют из различных антифрикционных материалов. Смазка в зону трения подводится через крышку корпуса, а также возможен подвод смазки через вращающийся вал. Подшипники воспринимают радиальную нагрузку и ограниченно ( в зависимости от размера бурта вкладыша) 2^х стороннюю осевую нагрузку. Плоскость разъёма желательно выполнять перпендикулярно плоскости приложения радиальной нагрузки и для выполнения этой задачи используют корпусы, у которых плоскость разъёма расположена под углом к опорной поверхности. При этом не нарушается непрерывность несущего масляного слоя. (рис.12.8).

Размеры неразъёмных подшипников аналогичной конструкции определены ГОСТом 11521-82 .

Рис. 12.8

Неразъёмные подшипники воспринимают осевую нагрузку только одного направления (рис. 12.9. а).

Рис. 12.9. Различные корпусы неразъёмных подшипников

Если подшипник необходимо установить на плоскость перпендикулярную оси вала, то применяют корпусы, показанные на рис.12.9.

Очень часто подшипники не имеют специального корпуса. При этом вкладыши размещают непосредственно в станине или раме машины. Таково, например, большинство под­шипников двигателей, турбин, станков, редукторов и т. д. Подшипни­ки с отдельными корпусами устанавливают глав­ным образом в таких устройствах, как конвейеры, грузоподъемные машины, трансмиссии и т. д. В этих случаях подшипники крепят на фермах, стенах, колоннах. Фиксирование вкладышей в корпусах выполняется самыми различными способами (табл. 12.2).

Таблица 12.2

В тех случаях, когда возможны большие деформации вала или монтаж выполняется неточно, рекомендуется выполнять самоустанавливающиеся подшипники. Сферическая поверхность этих подшипников позволяет им поворачиваться в направлении оси вала (рис.12.10).

Конструкции а со сферической опорой небольшой длины применяют при малых осевых нагрузках или при отсутствии их.

В конструкции б вся наружная поверхность подшипника выполнена по сфере; подшипник может нести наряду с радиальными довольно зна­чительные осевые нагрузки в обоих направлениях.

При повышенных осевых нагрузках увеличивают диаметр сферы и дли­ну подшипника, в результате чего опорные поверхности размещаются бли­же к краям подшипника (вид в), средний угол их наклона к оси подшипника возрастает, а следовательно, увеличивается и способность нести осевые нагрузки.

Подшипники с полусферической опорной поверхностью (вид г), фикси­руемые в гнезде корпуса пружинами, применяют при повышенной одно­сторонней осевой нагрузке и незначительной радиальной.

Самоустанавливающиеся подшипники фиксируют от проворачивания стопорами, устанавливаемыми в корпусе (вид а) или в подшипнике (вид б). В стопорном устройстве должен быть предусмотрен зазор, допускающий самоустановку подшипника в необходимых пределах.

Опорные сферические поверхности подшипника и корпуса изготовляют из материалов, образующих антифрикционную пару. При установке в сталь­ной корпус подшипник выполняют из бронзы или заливают его сфери­ческую поверхность свинцовистой бронзой. При установке в чугунный корпус и корпус из легких сплавов подшипник делают стальным; твердость сфе­рической поверхности должна быть >НRC 50.

О бязателен подвод смазки (желательно под давлением) к сферическим поверхностям. На поверхности сферы целесообразно проделывать частую сеть замкнутых масляных каналов, обеспечиваюших (при подаче масла под давлением) определенный гидростатический эффект, облегчающий само­установку сферы.

Рис. 12.10. Самоустанавливающиеся подшипники

Монтаж сферических подшипников в корпусы с разъемом в меридианальной или эква­ториальной плоскостях не представляет затруднений. Установка в целые корпуса сложнее.

Короткие сферические подшипники устанавливают через проделанные в гнезде корпуса диаметрально противоположные пазы (рис. 12.11, а) длиной l несколько большей диаметра D сферы, и шириной b, несколько большей ширины подшипника. Подшипник вводят в пазы, повернув его на 90° по отношению к рабочему положению до упора в стенку сферического гнезда. После этого его поворачивают в рабочее положение, в результате чего он оказывается зафиксированным в осевом направлении стенками гнезда (вид б). От поворота подшипник фиксируют стопором. При большой длине подшипника сферические опорные поверхности выполняют в виде выступов, а в корпусе проделывают ответные пазы (вид в). Подшипник заводят в гнездо в рабочем положении (вид г), поворачивают в плоскости, перпендикулярной его оси, на угол, равный половине угла между выступами, и фиксируют в этом положении стопором (вид д).

Рис. 12.11. Установка сфер в целые корпуса.

Регулирование зазора или компенсация износа важны для подшипников точных машин, работающих в условиях переменного режима, для высокооборотных подшипников, а также для подшипников, работающих в условиях значительного износа. Регулирование разъемных подшипников достигают сближе­нием между собой вкладышей (см. рис. 12.7) путем: а) уменьше­ния толщины прокладок между ними; б) снятия металла с по­верхностей контакта крышки и корпуса.

В некоторых конструкциях, в которых нагрузка направлена только на неподвижный вкладыш, вкладыши могут не контак­тировать друг с другом по плоскости разъема. Тогда регули­ровку зазоров осуществляют винтами.

Регулирования неразъемных подшипников для валов с цилиндрическими цапфами достигают радиальным деформирова­нием вкладышей (рис.12.12, а). Для этого вкладыши выполняют с конической наружной поверхностью и при помощи гайки пере­мещают в осевом направлении в коническом отверстии корпуса. Для облегчения деформирования вкладыш сжимается по трем образующим. Иногда он опирается по всей поверхности и снабжается прорезью.

Рис. 12.12. Регулирование зазора в подшипнике

Последняя допустима только для неответ­ственных подшипников, так как приводит к искажению рабочей поверхности подшипника. Идея подшипника, изображенного на рис.12.12, а, заклю­чается не только в тонком регулировании зазора, но и в создании тех местах по окружности суживающихся зазоров, а следовательно, трех масляных клиньев, которые обеспечивают хоро­шее центрирование вала и безвибрационную работу.

Для облегчения регулирования подшипников возможно выполнение цапф коническими. Регулирование таких подшипников осуществляют относительным осевым перемещением вкладыша и вала (рис. 12.12, б).

Применяют также автоматическое регулирование зазоров путем непрерывного гидравлического поджатия вкладыша поджатия с помощью пружины и т. д., например, в целях повышения вибро­устойчивости. Такое регу­лирование уместно толь­ко, если сила от вала на­правлена на неподвиж­ный вкладыш.

Следует иметь в виду, что регулирование зазоров радиальным сбли­жением вкладышей без дополнительной шабровки или расточки позволяет компенсировать из­нос только в направлении регулирования (перпендикулярном к плоскости разъема). Ра­бочая поверхность вкладыша сохраняет некруглую форму.

Р егулирование неразъемных подшипников радиальным де­формированием вкладыша и регулирование конических подшип­ников осевым перемещением вкладыша или вала приводит к рав­номерному уменьшению зазора, но форма изношенной поверх­ности в результате регулировки не выправляется. Поэтому при больших износах необходима дополнительная шабровка или расточка вкладышей.

Рис. 12.13. Подшипник с регулированием положения оси.

В некоторых тяжелых машинах подшипники должны позво­лять регулировку положения оси вала. В подшипнике паровой турбины (рис. 12.13) возможность регулировки достигается опо­рой вкладыша на специальные шпонки с регулируемыми под­кладками.

Самовозбуждающиеся колебания валов в подшипниках возникают в быстроходных валах с малыми нагрузками на подшипники, т. е. в условиях работы при малых эксцентриситетах и малой жесткости масляного слоя. Перво­причиной является то, что вал в подшипнике в связи с формой эпюры гидродинамического давления смещается под действием радиальной нагрузки не по направлению нагрузки, а под неко­торым углом к пей. Между тем центробежная сила на вал напра­влена по смещению, поэтому она не может быть полностью урав­новешена гидродинамическим давлением, и появляется неуравно­вешенная окружная составляющая. Когда встречаются неизбеж­ные неровности на рабочих поверхностях цапфы вала и подшип­ника, вал выводится из равновесного положения, и под действием неуравновешенной составляющей центробежной силы возникает вихревое движение вала.

Этот вид колебаний, происходящих со скоростью, равной при­мерно половине скорости вращения, и возможных при любой ско­рости вращения вала, наблюдается у жестких уравновешенных роторов, в частности на аэродинамических подшипниках, и носит название полускоростного вихря.

Самовозбуждающиеся колебания весьма опасны в таких маши­нах, как паровые турбины, роторы которых вращаются с боль­шими скоростями и имеют большие массы.

При работе с большими эксцентриситетами цапфы в под­шипнике колебания не возникают.

Колебания в подшипниках предотвращают, обеспечивая ра­боту подшипников с повышенными эксцентриситетами цапф.

Это достигается расточкой подшипников лимонной формы со смещением центров на величину, составляющую около 0,85 от ве­личины зазора или применением многоклиновых подшипников, в частности с самоустанавливающимися подушками. В условиях значительной нагруженности более устойчивы двухклиновые (лимонные) подшипники, а при малой нагруженности — трехклиновые.

В обоих случаях возникает внутреннее нагружение подшипника вследствие образования дополнительных масляных клиньев.

При увеличении безразмерного ко­эффициента режима работы Р

(т. е. с увеличением и или умень­шением р) шип в гладком цилиндри­ческом подшипнике всплывает все выше, относительный эксцентриситет уменьшается, и при некотором его критическом значении порядка возникают вибрации вала типа автоколебаний.

Д ля устранения их необходимо повысить демпфирующую способ­ность смазочного слоя, что требует усложнения конструкции подшипни­ка. Например, установка в подшип­нике плавающей втулки (рис. 12.13)приводит к уменьшению угловой ско­рости шипа относительно втулки, причем сама втулка вращается отно­сительно подшипника; благодаря это­му относительный эксцентриситет шипа во втулке больше, чем в обыч­ном подшипнике, и устойчивость вала может быть обеспечена даже при угловой скорости вала (абсолютной) порядка нескольких тысяч рад/сек.

Рис. 12.13. Подшипник с плавающей втул­кой: а — схема; б — продольный разрез; 1 — плавающая втулка; 2 — шип; 3 — вкладыш

Другой способ повышения вибро­устойчивости, применяемый в под­шипниках турбин с быстровращающимся валом, это получение эпюры гидродинамических давлений с двух сторон. Такая эпюра может быть получена в так называемых «ли­монных» подшипниках (рис. 12.14): вкла­дыш, расточенный с установленной в плоскости разъема прокладкой, собирают уже без прокладки; при вращении шипа образуются два масляных клина (рис. 12.14, в) и соответствующие эпюры давле­ний в нижней и верхней зонах. При диаметре шипа от 60 до 400 мм толщина прокладки должна быть с = 0,3 - 1 мм.

Рис. 12.14. Схема «лимонного» подшипника:

а — вкладыш, расточенный с прокладкой с; б — вкладыш, собранный без прокладки; в — примерный вид эпюры давлений, об­ласть O₁O₂O₃O₄ — зона возможных поло­жений центра шипа

Такой же эффект достигается рас­точкой поверхности вкладыша из двух центров или сборкой его со сме­щением верхней половины относи­тельно нижней в сторону, противо­положную вращению, но такие вкла­дыши непригодны для реверсируемых валов.

При расточке вкладыша из трех и более центров получаются эпюры давлений, распределенные по всей окружности; схемы таких мпогоклиновых подшипников даны на рис. 12.15; число клиньев 3—5, причем они могут выполняться и неодинако­вой протяженности по дуге, например при постоянной нагрузке участок в нагруженной зоне делают с большим углом охвата.

Рис. 12.15. Схемы многоклиновых подшип­ников, а и б — для постоянного направления вращения; ваг — для реверсивного вращения; д — многоугольник сил трехклинового подшипника

Такие под­шипники обладают высокой демпфи­рующей способностью и допускают угловые скорости валов порядка нескольких тысяч рад/сек, однако опти­мальные условия работы в них выполняются лишь при каком-либо одном режиме работы. Этот недоста­ток устран яется применением само­устанавливающихся сегментов, авто­матически принимающих в подшип­нике положение, соответствующее оптимальным условиям работы. Не­которые конструкции подшипников с самоустанавливающимися сегмента­ми схематически показаны на рис. 12.16.

Рис. 12.16. Подшипники с самоустанавливающимися сегментами: а — с упругим кольцом; 6 — с податливым трехклиновым вкладышем; в — с качающимися сегментами