Підшипники ковзання

Загальні відомості. Конструкції та матеріали підшипників ковзання. Змащування підшипників. Роботоздатність і режим рідинного тертя. Розрахунок підшипників. Приклад розрахунку.

Призначення і класифікація підшипників

Підшипники служать опорами для валів і обертових осей (див. рис. 18.1). Вони сприймають радіальне та осьове навантаження, яке прикладене до вала, і зберігають задане положення осі обертання вала. Втрати на тертя в підшипниках повинні бути мінімальними.

За видом тертя розрізняють: підшипники ковзання і підшипники кочення.

За навантаженням, яке сприймається, розрізняють підшипники радіальні - сприймають радіальне навантаження; упорні - сприймають осьове навантаження; радіально-упорні - сприймають радіальне та осьове навантаження.

19.2. 3агальні відомості і класифікація підшипників ковзання

Форма робочої поверхні підшипників ковзання відповідає формі цапфи вала. Вона може бути циліндричною (рис. 19.1, а), плоскою (б), конічною (в), сферичною (г). Шип і шийка (див. а) передають радіальне навантаження, п’ята (див. б) - осьове навантаження.

Підшипник ковзання, який сприймає осьове навантаження, називається підп’ятником (див. рис. 19.1, б). Підп’ятник, звичайно, працює в парі із радіальним підшипником. У свою чергу радіальні підшипники сприймають невелике осьове навантаження, тому вали виготовляють ступінчатими, що дозволяє фіксувати вал в осьовому напрямку (див. а).

Підшипники з конічною опорною поверхнею (див. рис. 19.1, в) використовують при невеликому навантаженні, коли необхідно систематично усувати зазор від спрацювання підшипників. Підшипник являє собою конічну втулку, положення якої можна регулювати гайками.

Сферичні підшипники допускають перекіс вала, тобто мають властивості самовстановлення (див. рис. 19.1, г).

Переваги підшипників ковзання: можливість виготовлення рознімних конструкцій підшипників; високі швидкості роботи підшипників (v 30 м/с); висока точність установлення валів; малі радіальні розміри; можливість нормальної роботи із забрудненим мастилом; безшумність роботи; демпфірування вібрацій і ударів мастильним шаром.

Недоліки: відносно великі втрати на тертя, особливо при запусках машин; необхідність постійного контролю змащення і температури підшипників; великі витрати мастильних матеріалів.

Підшипники ковзання використовують у високошвидкісних машинах – у центрифугах; шліфувальних верстатах і т. п.; для валів, які за умов складання вимагають розбірної конструкції підшипників, наприклад, для колінчастих валів; для валів, підшипники яких працюють в особливих умовах (у воді, агресивному середовищі і т. п.); для виготовлення підшипників дешевих тихохідних машин; підшипники не з малими радіальними розмірами, підшипники особливо важких валів; підшипники валів з великими вібраціями і ударами; підшипники особливо точного і рівномірного обертання і точного повороту – гідростатичні.

19.3. Конструкція та матеріали підшипників ковзання

19.3.1. 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 регулювання зазорів у підшипнику або виконувати його ремонт шляхом повторного розточування вкладиша при його спрацюванні.

В 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.

Вкладиш 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.

Рознімний 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,

де d – діаметр цапфи, мм.

Литий вкладиш має товщину

δ ₁ = (0, 035…0, 05) d +2, 5, мм;

товщина заливання

δ ₁=0, 01 d.

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.).

Для 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.

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.

Критерії роботоздатності та режим тертя підшипників ковзання

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):

. Опір руху у цьому випадку визначається внутрішнім тертям у мастилі.

При напіврідинному терті умова не виконується, у підшип­нику спостерігається змішане тертя - одно­часно рідинне і граничне.

Граничним називають тертя, при якому поверхні тертя покрито тонкою плівкою мастила.

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.

19.5. Практичний розрахунок підшипників ковзання

19.5.1. Розрахунок підшипників, які працюють при напіврідинному терті, проводиться як перевірний при відомому діаметрі цапфи d, визначеному при проектному розрахунку, та довжині вкладиша l, яку визначають за рекомендаціями:

.

При недостатньому змащенні і малій кутовій швидкості ω підшипники працюють при граничному і сухому терті. При цих умовах підшипники ковзання розраховують за двома критеріями.

1). За умовним тиском р:

(19.2)

де F_r - радіальне навантаження на підшипник; l - довжина підшипника; d - діаметр цапфи.

За формулою (19.2) розраховуються тихохідні підшипники, а також підшипники, які працюють короткочасно з перервою. Результати розрахунку гарантують не витискування мастила із підшипників і являють собою розрахунок на стійкість проти спрацювання.

2). За добутком тиску на швидкість:

(19.3)

де v - колова швидкість цапфи, v = 0, 5 ω d.