🗊Презентация Подшипники. Общие сведения, назначение и классификация

Подшипники Лекция №11

Общие сведения, назначение и классификация Подшипники служат опорой для валов и вращающихся осей. Подшипники по виду трения различают: -подшипники скольжения, у которых опорный участок вала (цапфа - шип, шейка, пята) скользит по поверхности подшипника. -подшипники качения, у которых трение скольжения заменяют трением качения посредствам установки шариков или роликов между опорными поверхностями подшипника и вала.

Подшипники скольжения Подшипники скольжения имеют ограниченное применение по сравнению с подшипниками качения и применяются в следующих случаях: для очень быстроходных валов (долговечность подшипников качения очень мала); для точной установки валов и осей; для валов очень большого диаметра (нет подшипников качения); для обеспечения условий сборки, когда подшипники должны быть разъемными, например, для коленчатого вала; при работе подшипников в воде, агрессивной среде и т.п. (подшипники качения неработоспособны ); для тихоходных валов неответственных механизмов, когда подшипники скольжения оказываются проще по конструкции и дешевле подшипников качения. Недостатки: требуют постоянного надзора за состоянием смазки и нагревом; значительные потери в период пуска и плохой смазки; большой расход смазочного материала;

вкладыши Основным элементом подшипника является вкладыш . Их устанавливают в специальном корпусе подшипника или непосредственно в корпус машины (станине, раме и т.д.). Конструкции подшипников скольжения разнообразны и зависят от конструкции машины, в которой устанавливают подшипник. Чаще всего подшипники не имеют специального корпуса и их размещают непосредственно в станине или раме машины. Корпус и вкладыш могут быть неразъемными или разъемными. Разъем вкладыша выполнен перпендикулярно к нагрузке или близко к этому положению. При этом не нарушается непрерывность несущего масляного слоя. Неразъемные подшипники проще по конструкции и дешевле разъемных, но они неудобны при монтаже осей и валов. Поэтому эти подшипники обычно применяют для кольцевых цапф соей и валов небольших размеров. Разъемные подшипники очень удобны при монтаже осей и валов и допускают регулировку зазоров в подшипнике путем сближения крышки и основания. Поэтому преимущественное применение имеют разъемные подшипники скольжения.   .

Материалы вкладыша  Изнашиванию должен подвергаться вкладыш, а не цапфа вала, так как замена вала значительно дороже вкладыша. Требования к вкладышам: 1) Достаточная износостойкость и высокая сопротивляемость заеданию. 2) Низкий коэффициент трения и высокая теплопроводность. 3) Высокая сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок и длительное сопротивление усталости. Бронзы – оловянные, свинцовые, кремниевые, алюминиевые. Обладают высокими механическими характеристиками, но плохо прирабатываются и окисляют масло. Чугун – хорошие антифрикционные свойства, но прирабатывается хуже, чем бронза (тихоходные и слабонагруженные подшипники). Наиболее применяемые – A4C – 1. Баббит – на оловянной, свинцовой и др. основах – лучший материал для подшипников скольжения. Хорошо прирабатываются, мало изнашивает вал, стоек против заедания, не окисляет масло. Отрицательное свойство – хрупкость и высокая стоимость. Пластмассы – на древесной (дсп) или хлопчатобумажной основе – текстоне. Дерево, резина и другие материалы могут работать при водяной смазке (гидротурбины). Капроны – тонкий слой наносят на рабочую поверхность металлического вкладыша. Металлокерамический вкладыш – прессованием при высоких температурах порошков бронзы или железа с добавлением графита, меди, олова или свинца. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать при смазывании водой, что имеет существенное значение подшипников насосов, пищевых машинах и т.д.

Режимы трения в опорах Трение в подшипнике определяет износ и нагрев подшипника , а также его К.П.Д.. Величина работы трения является основным показателем работоспособности подшипника. В зависимости от толщины слоя смазочного материала различают жидкостное и полужидкостное трение При жидкостном трении рабочая поверхность вала и вкладыша разделены слоем масла, толщена h которого больше суммы высот R z неровностей поверхности, т.е. h>R z цапфа +R z подшипник. Масло воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая соприкосновение рабочих поверхностей. т.е. их износ. Сопротивление движению в этом случае определяется только внутренним трением в смазочной жидкости. Величена коэффициент жидкостного трения располагается в пределах от 0.001 до 0.005.(эта величина может быть меньше коэффициента трения качения). При полужидкостном трении в подшипнике будет смешанное одновременно жидкостное и сухое. Полужидкостное трение сопровождается износом трущихся поверхностей. Граничное трение имеет место при небольших скоростях скольжения трущихся поверхностей , при этом толщина слоя смазки порядка 0.1мм. Самый благоприятный режим – режим жидкостного трения. Образование режима жидкостного трения является основным критерием расчета подшипников скольжения.

Виды повреждений Работа сил трения в опоре расходуется на нагрев и износ ее деталей. Подшипники, работающие в режиме гидродинамического трения, изнашиваются только в периоды пуска и остановки машины, когда в клиновые зазоры вследствие малой относительной скорости не создается необходимое давление для образования толстого слоя смазки, разделяющего твердые поверхности. При превышении установленных скоростей, недостатке смазки или больших давлениях возрастает температура подшипника и наступает заедание – наиболее опасный вид разрушения. При действии переменных нагрузок (например, в поршневых двигателях) поверхность вкладыша может выкрашиваться вследствие усталости. Обеспечение режима жидкостного трения является основным критерием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.

Подшипники качения Подшипники являются опорами валов, осей и других вращающихся деталей машин. Подшипник представляет собой сборочную единицу, состоящую из тел качения (шариков или роликов), отделенных равномерно друг от друга сепаратором и располагающихся между кольцами. Достоинства и недостатки Достоинства: малые потери на трение; высокий КПД (до 0,995); незначительный нагрев; высокие надежность и нагрузочная способность; малые габаритные размеры в осевом направлении; невысокая стоимость вследствие массового производства; высокая степень взаимозаменяемости; простота в эксплуатации и малый расход смазки.

Классификация По направлению действия воспринимаемой нагрузки подшипники качения делятся на: радиальные; упорные; радиально-упорные и упорно-радиальные. По форме тел качения на: шариковые; роликовые: цилиндрические короткие, конические, бочкообразные, игольчатые и витые. По числу рядов тел качения на: одно-; двух-; четырех- и многорядные. По способности самоустанавливаться на: самоустанавливающиеся (сферические); несамоустанавливающиеся.

Классификация По нагрузочной способности и габаритным размерам при одном и том же внутреннем диаметре подшипники делятся на серии: по радиальным размерам - сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние и тяжелые серии; по ширине - особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие серии. Маркировка подшипников качения Условное обозначение состоит из ряда цифр и букв, нанесенных на торце одного из колец подшипника. Последние две цифры (крайние справа) обозначают внутренний диаметр подшипника. Если диаметр подшипника от 20 до 495 мм - обозначение 04...99. Для определения значения диаметра в миллиметрах необходимо эти цифры умножить на 5. Для подшипников, у которых 10 ≤ d < 20 мм, первая и вторая цифры справа 00; 01; 02; 03 соответствуют диаметрам 10; 12; 15; 17 мм. При d ≤ 9 мм фактическому диаметру соответствует одна первая цифра стоящая перед 00.

Основные типы подшипников качения Шариковый радиальный однорядный подшипник самый распространенный в машиностроении. Предназначен для восприятия в основном радиальной нагрузки. Желобчатые дорожки качения позволяют воспринимать осевые нагрузки, действующие в обоих направлениях вдоль оси вала. Обеспечивает осевое фиксирование вала в двух направлениях. Он дешев, допускает достаточно большой перекос внутреннего кольца относительно наружного (до 0°10'). При одинаковых габаритных размерах работает с меньшими потерями на трение и при большей частоте вращения вала, чем подшипники всех других конструкций. Шариковый и роликовый радиальный сферический двухрядный подшипники предназначены для радиальной нагрузки. Одновременно с радиальной может воспринимать небольшую осевую нагрузку обоих направлений. Дорожка качения на наружном кольце обработана по сфере. Поэтому подшипник способен работать при значительном (до 2...3°) перекосе внутреннего кольца относительно наружного. Способность самоустанавливаться и определяет область его применения.

ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА Радиальная нагрузка А", действующая на подшипник, нагружает тела качения Одна половина подшипника не нагружена, а в другой нагрузка распределяется между телами качения в зависимости от угла, радиального зазора в подшипнике и точности геометрической формы его деталей. При работе подшипника в каждой точке контакта тел качения с внутренним и наружным кольцами возникают контактные напряжения, которые измеряются по нулевому циклу. Напряжения на внутреннем кольце больше, чем на наружном, так как на внутреннем кольце шарик соприкасается с выпуклой поверхностью (меньше площадка контакта), а на наружном - с вогнутой (больше площадка контакта). Таким образом, для повышения долговечности подшипников целесообразно иметь вращающееся внутреннее кольцо и неподвижное наружное кольцо. Циклическое перекатывание тел качения приврдит к появлению усталостной микротрещины. Постоянно прокатывающиеся тела качения вдавливают в нее смазку. Пульсирующее давление смазки расширяет и расшатывает микротрещину, приводя к усталостному выкрашиванию и к поломке кольца. Усталостное выкрашивание – основной вид выхода из строя подшипников качения. В подшипниках также возможны статические и динамические перегрузки, разрушающие как кольца, так и тела качения. Работоспособность подшипника сохраняется при соблюдении двух критериев: долговечность; грузоподъёмность.

Расчет подшипников Пластические (остаточные) деформации. Пластические деформации в виде вмятин (лунок) на дорожках качения колец, нарушающие работоспособность подшипника, наблюдаются в тихоходных подшипниках (n « 1 об/мин) при действии на них больших статических или ударных нагрузок. Поэтому основным критерием работоспособности тихоходных подшипников является расчет на базовую статическую грузоподъемность по остаточным деформациям. Усталостное выкрашивание. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и дорожек качения колец подшипников в виде раковин или отслаивания (шелушения) происходит вследствие действия на них циклического контактного напряжения. Наблюдается у подшипников после работы при n »10 об/мин и сопровождается повышенным стуком и вибрациями. Поэтому основным критерием работоспособности подшипников, работающих при n » 10 об/мин, является расчет на базовую долговечность по усталостному выкрашиванию. Абразивное изнашивание наблюдается при недостаточной защите подшипников от пыли, грязи (абразивных частиц). Это основной вид разрушения подшипников автомобильных, тракторных, строительных, горных машин. Раскатывание колец и тел качения. Этот вид разрушения связан с ударами и вибрационными перегрузками, неправильным монтажом.

Расчёт номинальной долговечности подшипника Номинальная долговечность это число циклов (или часов), которые подшипник должен проработать до появления первых признаков усталости. Существует эмпирическая (найденная из опыта) зависимость для определения номинальной долговечности Ln = ( C / P ), [млн. оборотов], где С – грузоподъёмность, Р – эквивалентная динамическая нагрузка,  = 0,3 для шариков,  = 0,33 для роликов. Номинальную долговечность можно вычислить и в часах Lh = (106 / 60 n) Ln , [часов], где n – частота вращения вала. Эквивалентная динамическая нагрузка это такая постоянная нагрузка, при которой долговечность подшипника та же, что и при реальных условиях работы. Для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка. Эквивалентная динамическая нагрузка вычисляется по эмпирической формуле P = ( V X Fr + Y Fa ) KБ KТ, где Fr , Fa – радиальная и осевая реакции опор; V – коэффициент вращения вектора нагрузки ( V = 1 если вращается внутреннее кольцо, V = 1,2 если вращается наружное кольцо) X, Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипников, определяются по справочнику; КБ – коэффициент безопасности, учитывающий влияние динамических условий работы (КБ = 1 для передач, КБ = 1,8 для подвижного состава), КТ – коэффициент температурного режима (до 100оС КТ =1).  

Крепление подшипников на валу и в корпусе Для восприятия осевых нагрузок кольца подшипника закрепляют на валу и в корпусе. Для закрепления внутренних колец на валу применяются различные средства: уступы вала (а); пружинные стопорные кольца (б,е); торцовые шайбы (в); упорные гайки (г,ж); Для фиксации наружных колец применяют: уступы в корпусе и стакане (а); крышки (б); крышки и уступы (в,г); упорные борта (д); врезные крышки при разъёмных корпусах (е); пружинные кольца (ж,з).

Уплотняющие устройства Это специальные детали, выполненные из мягких упругих материалов (мягкие металлы, резина, пластмасса, войлок и т.п.), которые предотвращают вытекание смазки из подшипниковых узлов и попадание в них загрязнения. По принципу действия уплотнения разделяются на: контактные манжетные, войлочные, с металлическими кольцами (а,б), применяются на низких и средних скоростях, дают плотный контакт подвижных и неподвижных деталей; щелевые и лабиринтные, препятствуют протеканию жидкостей и даже газа через каскад щелей и камер (в,г,д,е), так, типовая букса грузового вагона имеет четырёхкамерное лабиринтное уплотнение; центробежные (ж,з); комбинированные. Известны конструкции подшипников со встроенными уплотнениями.

Посадки подшипников на вал и в корпус Подшипники являются стандартными узлами, поэтому валы и корпуса должны приспосабливаться к ним. Внутренние кольца сажают на вал по системе отверстия, а наружные в корпус по системе вала. При том, что поле допусков внутреннего кольца направлено не в тело, а к центру, посадки на вал получаются более плотными, чем обычно в системе отверстия. В зависимости от режима работы машины, чем больше нагрузка и сильнее толчки, тем более плотными должны быть посадки и наоборот. Посадки роликоподшипников должны быть более плотными в связи с большими нагрузками. Посадки радиально-упорных подшипников плотнее, чем у радиальных, у которых посадочные натяги искажают зазоры. Посадки крупных подшипников из-за больших сил назначают плотнее, чем у средних и мелких. Рекомендации по выбору посадок по мере роста нагрузок в опорах можно сформулировать следующим образом: Допуски валов при вращающемся вале – js6; k6; m6; n6. Допуски валов при вращающемся корпусе – g6; h6. Допуски корпуса при вращающемся вале – H7; H6; Js7; Js6; K7. Допуски корпуса при вращающемся корпусе – K7; M7; N7; P7.

Монтаж и демонтаж подшипников Нередко наблюдаются случаи, когда повреждения подшипников вызваны небрежным, безграмотным монтажом и демонтажом. Подшипники со значительным натягом на валу следует монтировать нагретыми в масле или охлаждать вал сухим льдом. В остальных случаях подшипники можно напрессовывать на вал с помощью пресса. Посадка подшипника ударами молотка через оправку из мягкого металла допустима только при малых натягах для мелких и средних подшипников. Демонтаж допускается только с помощью специальных съёмников. Общий принцип: усилие прикладывается только к тому кольцу, которое установлено с натягом и не должно передаваться на тела качения.  Смазка подшипников качения  Применяется как для снижения трения, так и для повышения теплоотвода. Пластичные (густые) смазки более легки в обслуживании, меньше расходуются, удобны в применении в труднодоступных местах, куда закладываются при сборке, заполняют и герметизируют зазоры. Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n  1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин.