19.3. Конструкція та матеріали підшипників ковзання

1

Рис. 19.2. Підшипника ковзання у спеціальному корпусі

9.3.1. Конструкція підшипників ковзання. Основним елементом підшипника ковзання є вкладиш із тонким шаром антифрикційного матеріалу на опорній поверхні (рис. 19.2). Вкладиш установлюють у спеціальному корпусі підшипника 2 або безпосередньо в корпусі машини (рамі, станині; рис. 19.3). Таку конструкцію мають підшипники верстатів, двигунів, турбін, редукторів; підшипники із окремими корпусами використовують у кон­веєрах, вантажо­підйом­них машинах .

Корпус і вкладиш підшипників можуть бути рознімними за ГОСТ 11607-82 (див. рис. 19.2) або нерознімними за ГОСТ 11521-82 (див. рис. 19.3, рис. 19.4). Рознімання вкладиша 1 рекомендується робити перпендикулярно лінії навантаження F_r, при цьому не порушується безперерв­ність мастильного шару (рис. 19.5). Роз’їм полегшує монтаж підшипника, дає можливість р егулювання зазорів у підшипнику або виконувати його ремонт шляхом повторного розточування вкладиша при його спрацюванні.

В

Рис. 19.3. Підшипника ковзання у корпусі машини

Рис. 19.4. Підшипника ковзання з нерознімним корпусом

нерознімних конструкціях підшипників (див. рис. 19.3) вкладиш 1 звичайно являє собою втулку із антифрикційного матеріалу, запресовану в корпус. Ці підшипники прості за конструкцією і дешеві. Використовуються для опор тихохідних валів з невеликим навантаженням: в сільськогосподарських машинах, в транспортерах тощо.

Використовуються також само­установні підшипники, сферична поверхня яких дозволяє їм обертатися в напрямку осі вала, компенсуючи неточність монтажу (див. рис. 19.1, г).

Для створення режиму рідинного тертя в підп’ятниках упорних підшипників, які сприймають осьове навантаження, виконують клинові мастильні канавки у формі сегмента (рис. 19.6) або виготовляють підп’ятник із хитними сегментами.

В

Рис. 19.5. Рознімання вкладиша підшипника перпендикулярне лінії навантаження F_r

кладиш є основною деталлю підшипника ковзання, яка безпосередньо сприймає навантаження, яке передає цапфа вала. Найбільш проста конструкція нерознімного вкладиша 1 (див. рис. 19.3 – 19.4), яка являє собою втулку товщиною δ = 3...5 мм, виготовлену із бронзи або антифрикційного чавуну.

Р ознімний вкладиш виготовляється із двох частин із стиком в площині рознімання. Їх виконують без буртиків, з одним або двома буртиками. Товщина стінки вкладиша

δ = (0,08...0,10)d+2,5, мм,

Рис. 19.6. Клинові мастильні канавки у формі сегментів в підп’ятниках упорних підшипників

де d – діаметр цапфи, мм.

Литий вкладиш має товщину

δ₁ = (0,035…0,05)d+2,5, мм;

товщина заливання

δ₁=0,01d.

19.3.2. Змащення підшипників ковзання. Мастило підводиться до підшипника ковзання у тому місці, де відсутній гідродинамічний тиск р, частіше за все зверху (див. рис. 19.2). По довжині цапфи мастило поширюється за допомогою мастильних канавок, які з’єднуються із підвідним каналом. Мастило подають до підшипника самопливом за допомогою спеціальних пристроїв (гнітові й крапельні маслянки, мастильні кільця та ін.) або під тиском за допомогою насосів (плунжерних, шестеренчастих та ін.).

Д ля тихохідних важких валів, для яких вимагається малий опір обертанню, а режим гідродинамічного тертя забезпечити неможливо, використовують гідростатичні підшипники (рис. 19.7). У них несучий мастильний шар створюють шляхом підведення мастила під цапфу від насоса. Гідростатичні підшипники використовують також для підвищення точності центрування валів у прецизійних машинах, для зменшення спрацювання важконавантажених підшипників в період розганяння і т.п.

Д

Рис. 19.7. Схема роботи гідростатичного підшипника

ля змащення підшипників ковзання в основному використовують рідкі мінеральні масла: індустріальне, турбінне, авіаційне, циліндрове та ін. Рідкі масла рівномірно розподіляються по поверхні тертя, добре працюють в значному діапазоні температур, здійснюють охолоджуючу дію. Іноді використовують як мастило воду, наприклад, для змащення підшипників з вкладишами із текстоліту, ДСП, дерева, деяких інших пластмас, гуми. іноді використовують воду.

Використовують також пластичні мастила, які герметизують підшипники, допускають підвищений тиск: солідоли, консталіни. Пластичні мастильні матеріали використовуються в широкому діапазоні температур і режимів експлуатації.

Тверді мастильні матеріали (дисульфід молібдену, графіт, слюда тощо) використовують в підшипниках, які працюють при високих і низьких температурах, в агресивному середовищі, при глибокому вакуумі, коли за умов роботи неможливо використовувати рідкі та пластичні мастила.

Газоподібні мастильні матеріали (повітря, газ тощо) використовують в підшипниках швидкохідних і малонавантажених валів (шпинделі шліфувальних верстатів, центрифуги тощо). Переваги повітряного змащення – малі втрати потужності на тертя в підшипниках і тепловиділення.

19.3.3. Матеріал вкладишів підшипників повинен мати: низький коефіцієнт тертя і високий опір заїданню; достатню стійкість проти спрацювання поряд із здатністю до припрацювання; високі механічні характеристики, особливо опір до крихкого руйнування. При виборі матеріалу вкладиша ураховують, що в процесі експлуатації підшипників ковзання повинен спрацьовуватися матеріал вкладиша, а не цапфа вала, так як вартість вала значно більша вартості вкладиша. Довговічність вкладиша значно зростає при збільшенні твердості поверхні цапфи вала, тому цапфу обробляють до високої твердості поверхні цапфи вала, тому цапфу обробляють до високої твердості.

Для виготовлення вкладишів використовують такі матеріали.

Бронзи олов’яні Бр010Ф1, Бр06Ц6С3 та ін. мають найкращі антифрикційні властивості. Безолов’яні свинцеві БрС30, алюмінієво-залізні БрА9Ж3, БрА9ЖЗА та ін. мають низький коефіцієнт тертя, високі механічні характеристики, але погано припрацьовуються, сприяють окисленню мастила, приводять до підвищеного спрацювання цапф. Широко використовуються в крупносерійному та масовому виробництві.

Латуні ЛКС80-3-3, ЛМцЖ52-4-1 та ін. ефективні при порівняно високому навантаженні, але низьких колових швидкостях.

Бабіт на олов’янистий (Б6, Б16, Б83, Б89 ), свинцевій та інших основах є найкращим матеріалом для вкладишів. Бабіт добре припрацьовується, не окислює мастило, мало спрацьовує вал, стійкий проти заїдання, але він має низьку температуру плавлення (110°С), крихкий, дорогий. Бабітом заливають тільки робочу поверхню вкладишів. Його використовують для відповідальних підшипників при середніх і важких режимах роботи.

Антифрикційні чавуни АЧК-1, АЧВ-2 та ін. мають достатньо високі антифрикційні властивості, але припрацьовуються гірше, ніж бронзи і латуні; використовуються в тихохідних і помірно навантажених підшипниках.

Неметалеві матеріали: пластмаси антегмігт, АТМ–2, фторопласт, текстоліт, капрон, нейлон, гума, тверді дерева мають низький коефіцієнт тертя, високу стійкість проти спрацювання (в 5…6 разів вищу, ніж бронзи). Неметалеві матеріали використовують у підшипниках спіральних класифікаторів гірничорудної промисловості, у насосах у хімічному машинобудуванні, у гідротурбінах.

Металевокерамічні вкладиші мають пористу структуру (до 20 ... 30% об’єму), яка заповнена мастилом, тому підшипник працює тривалий час без змащення. Використовуються в тихохідних механізмах у важкодоступних для підводу мастила місцях.

19.4. Критерії роботоздатності та режим тертя підшипників ковзання

19.4.1. Критерії роботоздатності підшипників ковзання. Робота підшипників ковзання супроводжується головним чином спрацюванням, яке виникає із-за недостатньої несучої здатності мастильного шару при усталеному режимі роботи, при змішаному терті під час пусків і зупинок, а також при попаданні у мастильні матеріали абразивних частинок. Тому розрахунковими критеріями підшипників ковзання є стійкість проти спрацювання - опір абразивному спрацюванню і схоплюванню; а також опір втомленості при змінному навантаженні.

Схоплювання виникає внаслідок місцевої втрати мастильною плівкою захисної здатності із-за підвищення температури і тиску. Із підвищенням температури знижується в’язкість мастила, збільшується імовірність заїдання цапфи, стає можливим руйнування мастильної плівки в робочій зоні підшипника. В результаті виникає тертя без мастила, що призводить до подальшого підвищення температури і можливості виплавляння підшипника.

Втомне руйнування фрикційного шару вкладишів підшипників спостерігається при пульсаціях навантаження: у поршневих машинах, машинах вібраційної та ударної дії.

19.4.2. Режими тертя підшипників ковзання: рідинний та напіврідинний.

При рідинному терті робочі поверхні вала і вкладиша розділені шаром мастила, товщина h якого більша, ніж сума висот нерівностей цапфи R_z1 та вкладиша R_z2 (рис. 19.8):

. (19.1)

При виконанні умови (19.1) зовнішнє навантаження сприймається шаром мастила, безпосередній контакт, а значить і спрацювання робочих поверхонь цапфи та вкладиша відсутні. Опір руху у цьому випадку визначається внутрішнім тертям у мастилі.

Рис. 19.8. Схема рідинного тертя підшипника ковзання

Рис. 19.9. Схема створення клинового зазору при рідинному терті підшипника ковзання

На рис. 19.9 показано цапфу вала у заповненому мастилом вкладиші. Якщо кутова швидкість цапфа ω = 0, то вона дотикається вкладиша, їх осі зміщено на S/2 (S - зазор у підшипнику). При обертанні вала (ω > 0) мастило втягується до клинового зазору i при ω > ω_кр цапфа спливає в мастилі. При збільшенні ω зростає товщина мастильного шару h, а центр цапфи набли­жується до центра вкладиша.

При напіврідинному терті умова (19.1) не виконується, у підшип­нику спостерігається змішане тертя - одно­часно рідинне і граничне. Граничним називають тертя, при якому поверхні тертя покрито тонкою плівкою мастила. Здат­ність мастила до створен­ня граничних плівок називають маслянистіс­тю. Граничні плівки стійкі, але в місцях зосередженого наванта­ження вони руйнуються, що приводить до метале­вого контакту вала і вкладиша, до схоплювання і відриву частинок матеріа­лу. Таким чином, напіврідинне тертя супро­вод­жується спрацюван­ням поверхонь тертя навіть при відсутності абразивних частинок.

Для створення режиму рідинного тертя необхідне виконання таких умов: 1) між поверхнями ковзаня повинен бути зазор клинової форми; 2) зазор необхідно заповнити мастилом відповідної в’язкості; 3) швидкість відносного руху поверхонь тертя повинна бути достатньою для створення тиску, здатного врівноважити зовнішнє навантаження.