Подшипники скольжения. Область их применения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Казанский государственный  архитектурно-строительный университет

 

 

 

Кафедра ДМиМ

 

 

 

 

Реферат на тему:

Подшипники скольжения. Область их применения.

 

Выполнил:

ст.гр. 07-303

Лосюгин И.В.

Руководитель:

Ярулин М.Г.

 

 

 

 

 

 

2011 год

Содержание:

1.Введение………………………………………………………………………………………………………….2

2. Назначение, типы, область применения, разновидности конструкций подшипников скольжения и подпятников, материалы для их изготовления ..3

3. Область применения, достоинства и недостатки подшипников скольжения............................................................................................................10

4. Работа подшипников скольжения при жидкостном режиме смазки и понятие об их расчете…………………………………………………………...11

5.Рекомендации по конструированию подшипников скольжения. ….............14

6.Список литературы ……………………………………………………………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами.  Название "подшипник" происходит от слова "шип". Так  раньше называли хвостовики и шейки  вала, где, собственно говоря, подшипники и  устанавливаются.

Подшипники служат опорами  для валов и вращающихся осей, воспринимают радиальные и осевые  нагрузки, приложенные к валу, и  передают их на корпус машины. При этом вал должен фиксироваться в определенном положении и легко вращаться  вокруг заданной оси. Во избежание снижения КПД машины потери в подшипниках  должны быть минимальными.

По характеру трения  подшипники разделяют на две большие  группы:

- подшипники скольжения (трение скольжения);

- подшипники качения (трение  качения). 

Поговорим о подшипниках  скольжения. Подшипник скольжения, опора пли направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. По направлению восприятия нагрузки различают радиальные и осевые (упорные) подшипники скольжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Назначение, типы, область применения, разновидности конструкций подшипников скольжения и подпятников, материалы для их изготовления.

Подшипником скольжения называют опору для поддержания  вала (или вращающейся оси). В таком  подшипнике цапфа вращающегося вала (или оси) проскальзывает по опоре.

Радиальные  подшипники скольжения (или просто подшипники скольжения) предназначены для восприятия радиальной нагрузки. В таких подшипниках поверхности цапфы вала (или оси) и подшипника находятся в условиях относительного скольжения. При этом возникает трение, которое приводит к изнашиванию пары вал (ось) — подшипник.

Для уменьшения изнашивания необходимо рационально  выбирать материал трущихся пар и обеспечить нормальные условия смазывания рабочих поверхностей.

Конструкции подшипников скольжения.

Подшипники  бывают неразъемные и разъемные:

Неразъемные подшипники могут быть выполнены за одно целое со станиной (рис. 1) или в виде втулки 1, установленной в корпус подшипника 2 (рис. 2).

В первом случае станину 1, а во втором — втулку 1 изготовляют из материалов, обладающих хорошими антифрикционными свойствами: антифрикционного чугуна; бронзы оловянной; латуни; баббитов; алюминиевых сплавов; порошковых материалов; текстолита; капрона; специально обработанного дерева; резины (при смазывании водой); графита (в виде порошка, из которого прессуют вкладыши) и др. 

 

Рис. 1.  Неразъемный подшипник скольжения: 1 — станина  

 

Рис.2. Неразъемный подшипник скольжения: 1 — втулка; 2 — корпус 

 

Корпуса подшипников можно  изготовлять из чугуна или стали  литыми или сварными. Конструкции (конфигурации) корпусов подшипников могут быть самыми разнообразными (рис. 2; рис. 3). 

 

Рис. 3. Неразъемный подшипник скольжения 

 

Разъемный подшипник (рис.4) отличается от неразъемного тем, что в нем втулка заменена вкладышами 2 и 3, корпус подшипника разъемный и состоит из собственно корпуса 7 и крышки 4, соединенных болтами или шпильками 5. Вкладыши изготовляют из антифрикционных материалов или двух металлов (тело вкладыша из стали, а рабочую часть толщиной 1—3 мм заливают баббитом или свинцовой бронзой). Во внутренней полости вкладышей делают канавку 1 (рис.5), в которую через отверстие 2 подводят смазочный материал.

Материал вкладышей выбирают с учетом условий работы, назначения и конструкции опор, а также  стоимости и дефицитности материала. При невысоких скоростях скольжения ( м/с) применяют чугуны. При значительных нагрузках (р до 15 МПа) и средних скоростях скольжения ( до 10 м/c) широки используют бронзу. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные бронзы. Баббиты разных марок применяют для подшипников скольжения, работающих в тяжелых условиях; баббиты хорошо прирабатываются, стойки против заедания, но имеют невысокую прочность, и поэтому их используют для заливки чугунных и бронзовых вкладышей. Металлокерамические вкладыши вследствие пористости пропитываются маслом и могут длительное время работать без подвода смазки. Из неметаллических материалов для вкладышей применяют текстолит, капрон, нейлон, резину, дерево и др. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать без смазки или с водяной смазкой, что имеет существенное значение для подшипников гребных винтов, пищевых машин и т.п.  

 

Рис. 4. Разъемный подшипник скольжения: 1 — станина;

2, 3 — вкладыши (полукольца); 4 — крышка; 5 — болт 

 

Рис. 5. Вкладыш: 1 — канавка; 2 — отверстие для подвода смазки 

 

Смазочные канавки делают в верхнем вкладыше (в ненагруженной зоне подшипника), как показано на рис. 5. Для того чтобы вкладыши не имели осевых перемещений, их изготовляют с буртиками. Для удержания вкладышей от вращения вместе с валом предусматривают их закрепление с помощью штифтов и т. п. При укладке вкладышей в разъемный корпус между ними устанавливают регулировочные прокладки из тонколистовой стали или латуни.

Между крышкой и корпусом подшипника имеется зазор  < 5 мм (см. рис. 4) При небольшом изнашивании вкладыша благодаря этому зазору можно компенсировать величину износа подтягиванием болтов. Это одно из достоинств разъемного подшипника по сравнению с неразъемным. Кроме того, к достоинствам такого подшипника относится возможность быстрой смены изношенного вкладыша.

Самоустанавливающиеся подшипники скольжения могут быть разъемными и неразъемными. От описанных выше они отличаются тем, что вкладыш 1 (рис. 6) имеет шаровую опорную поверхность

Рис. 6. Самоустанавливающийся подшипник: 1 — вкладыш 

 

Такая конструкция допускает  небольшой угловой поворот оси  вкладыша, что положительно сказывается на работе трущейся пары вал—подшипник (при этом давление распределяется по всей длине цапфы почти равномерно).

Вкладыши самоустанавливающихся  подшипников изготовляют из чугуна или стали с последующей заливкой баббитом, свинцовой бронзой и т. п.

Подпятники (опорные подшипники) служат для  поддержания вращающихся осей и валов при действии нагрузки, направленной вдоль оси вращения (т. е. при осевой нагрузке).

Подпятники могут быть с плоской пятой (рис. 7, а), с кольцевой пятой (рис. 7, б) и с гребенчатой пятой (рис. 8).

Подпятник (рис. 9) состоит  из стального или чугунного корпуса 7, крышки 2 и опорного вкладыша 4. Для возможности самоустановки опорный вкладыш 4 может опираться на сферическую поверхность. Опорные вкладыши изготовляют из тех же антифрикционных материалов, что и вкладыши радиальных подшипников. Деталь 3 — втулка радиального подшипника.

Рис. 7. Подпятники: а — с плоской пятой; б — с кольцевой пятой

Рис. 8. Подпятник с гребенчатой пятой 

 

Рис. 9. Опора вала: / — корпус; 2 — крышка;

3 — втулка радиального подшипника; 4 — опорный вкладыш  

 

Подвод  смазочного материала к подшипникам  и подпятникам скольжения осуществляется следующими способами:

- периодическим смазыванием  (через отверстие) жидким смазочным  материалом (см. рис. 1);

- смазыванием набивкой (солидол  и т. д.) с помощью масленки  с шаровым клапаном (рис. 10, а);

- периодической заливкой  жидкого смазочного материала  или набивкой консистентного смазочного материала с помощью колпачковой масленки (рис. 10, б);

- смазыванием жидким смазочным  материалом с помощью масленки  с фитилем (рис. 10, в);

Рис. 10. Способы смазывания подшипников: а — масленка с шаровым клапаном;

б— колпачковая масленка; в — масленка с фитилем; г — смазывание кольцом; д — смазывание окунанием  

 

- смазыванием кольцом 1 (при специальной конструкции корпуса подшипника (рис. 10, г) при этом способе нижнюю часть подшипника выполняют как резервуар для масла, в верхнем вкладыше прорезают щель, пропускающую смазочные кольца 1 (рис. 11). Масло подается к поверхностям трения кольцом, увлекаемым во вращение валом;

- применение   масляной   ванны:   при   этом   способе   подпятник   7 (рис. 10, д) находится в масляной ванне.

Рис. 11. Смазывание подшипника кольцом: 1 — кольцо;

2 — цапфа; 3 — резервуар для масла 

 

Кроме указанных существует еще много других способов, в том  числе принудительное смазывание под  давлением, капельное, разбрызгиванием, смазыванием масляным туманом и  т. д.

Смазывание подшипника по схеме, показанной на рис.11, осуществляется кольцом. Металлическое кольцо 1 большего, чем у цапфы вала 2, диаметра свободно висит на цапфе вала, нижней частью погруженное в масляную ванну 3. При вращении вала вращается и кольцо. Масло с кольца стекает на цапфу вала и, растекаясь вдоль него, попадает в зону трения.

Сравнительная характеристика смазочных устройств.

Наиболее простой способ смазывания — периодическая заливка  смазочного материала через отверстие 1 (см. рис. 1). Недостаток этого способа — возможность попадания абразивных частиц в зону смазывания.

Смазывание с помощью  масленки с шаровым клапаном или  колпачковой масленкой (рис. 10, а, б) также требует наблюдения. Этого недостатка не имеет фитильный способ (рис. 10, в). Недостатком этого способа подвода смазочного материала является то, что масло подается к цапфе вала и тогда, когда вал не вращается (отсюда — повышенный расход смазочного материала). Кольцевой способ смазывания (рис. 10, г) — наиболее оптимальный, но при этом усложняется конструкция корпуса подшипника. Подшипники в масляной ванне (рис. 10, д — подпятник) также требуют усложнения конструкции корпуса подшипника (необходимость создания хорошего уплотнения вала).

Смазочные материалы.

Для уменьшения трения и  изнашивания, охлаждения и очистки  от продуктов износа подшипники скольжения смазывают смазочными материалами, которые должны быть маслянистыми и  вязкими.

Маслянистость характеризует  способность смазочного материала  образовывать на поверхности трения устойчивые тонкие пленки, предотвращающие  непосредственный контакт поверхностей.

Вязкость характеризует  объемное свойство смазочного материала  оказывать сопротивление относительному перемещению его слоев.

Смазочные материалы могут  быть: жидкие (масла), пластичные (мази), твердые (порошки, покрытия) и газообразные (газы).

Масла являются основным смазочным  материалом. Имеют низкий коэффициент  внутреннего трения, хорошо очищают  и охлаждают рабочие поверхности, их легко подводить к местам смазывания, но требуются уплотняющие устройства в местах смазывания от вытекания  масла.

Масла бывают минеральные  и органические.

Минеральные масла — продукты перегонки нефти — наиболее часто  применяют для подшипников скольжения. К ним относят масла индустриальные (И-Л-А-22, И-Г-А-46), моторные и др.

Органические масла —  растительные (льняное и др.) и  животные (костное и др.) — обладают высокими смазывающими свойствами, но дороги и дефицитны. Их применяют  редко.

В настоящее время для  смазки машин применяются в основном лишь минеральные масла - продукты перегонки  нефти. Из растительных может применяться только касторовое масло, обладающее очень высокими смазывающими свойствами; другие растительные масла окисляются и для смазки не годятся.

 

 

 

 

Область применения, достоинства и недостатки подшипников скольжения.

В современном машиностроении применение подшипников скольжения ограниченно.

Достоинства подшипников скольжения:

- сохранение   работоспособности   при   высоких   угловых   скоростях валов (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях  при n > 10 000 об/мин);

- при больших скоростях  вращения - при необходимости точного  центрирования осей;

- выдерживание больших  радиальных нагрузок;

- возможность изготовления  разъемной конструкции, что допускает  их применение для коленчатых  валов;

- небольшие габариты в  радиальном направлении, что позволяет  применять в машинах очень  малых и очень больших габаритах;

- сохранение работоспособности  в особых условиях (в химически  агрессивных средах, воде, при значительном загрязнении);

- бесшумность работы;

- виброустойчивость;

- простота изготовления  и ремонта. 

 

Недостатки  подшипников скольжения:

 

- большое изнашивание  вкладышей и цапф валов из-за  трения;

- необходимость постоянного  ухода и большой расход дорогих  смазочных материалов, необходимость его очистки и охлаждения;

- значительные потери  на трение в период пуска  и при несовершенной смазке.

- значительные габариты  в осевом направлении (длина  вкладышей может достигать 3d, где d — диаметр цапфы вала).

Кроме того, следует иметь  в виду, что массовое производство подшипников скольжения не организовано.

Подшипники скольжения следует  применять там, где нельзя применить  подшипники качения, а именно:

а) когда подшипник должен быть разъемным по оси (например, подшипники средних шеек коленчатого вала);

б) для очень больших  нагрузок, когда подходящих стандартных  подшипников качения подобрать  нельзя;

в) для сверхбыстроходных  валов, где центробежные силы инерции  не допускают применения подшипников  качения;

г) для работы в сильно загрязненной среде или воде.

Область применения:

- Для валов с ударными  и вибрационными нагрузками (двигатели  внутреннего сгорания, молоты и  др.).

- Для коленчатых валов,  когда по условиям сборки необходимы  разъемные подшипники.

- Для валов больших  диаметров, для которых отсутствуют  подшипники качения. 

- Для высокоскоростных  валов, когда подшипники качения  непригодны вследствие малого  ресурса (центрифуги и др.).

- При очень высоких  требованиях к точности и равномерности  вращения (шпиндели станков и  др.).

- В тихоходных машинах,  бытовой технике. 

- При работе в воде  и агрессивных средах, в которых  подшипники качения непригодны.

Распространенное мнение, что подшипники скольжения дешевле  подшипников качения,  глубоко  ошибочно.

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением:

- температурные дефекты  (заедание и выплавление вкладыша);

- абразивный износ;

- усталостные разрушения  вследствие пульсации нагрузок.

При всём многообразии и  сложности конструктивных вариантов  подшипниковых узлов скольжения принцип их устройства состоит в  том, что между корпусом и валом  устанавливается тонкостенная втулка из  антифрикционного материала, как  правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для малонагруженных механизмов из пластмасс.

Большинство радиальных подшипников  имеет цилиндрический вкладыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галтелей на валу и  закругления кромок вкладыша. Подшипники с коническим вкладышем применяются  редко, их используют при небольших  нагрузках, когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор  от износа подшипника для сохранения точности механизма.

Работа подшипников скольжения при жидкостном режиме смазки и понятие об их расчете.

При определении конструкции  подшипника и соответствующем режиме работы может быть осуществлено трение со смазочным материалом. Работа подшипника в этих условиях подчиняется гидродинамической теории смазки.    

Виды трения:

1. Сухое трение - без смазки.

2. Полужидкостное трение, когда имеет место лишь частичное  касание вала и подшипника.

3. Жидкостное трение - только  между молекулярными слоями жидкости, когда металлические поверхности  вала и подшипника не касаются одна другой.

Все виды трения существуют реально и используются практически.

Сухое трение применяется  там, где трущиеся поверхности нельзя защитить от попадания грязи, пыли и  абразива, (например, шарниры гусениц, оси подвесок гусеничных машин и  проч.). В этих случаях подшипники без смазки имеют меньший износ.

Жидкостное трение - это идеальный расчетный вид трения, на который должны быть ориентированы все подшипники при установившемся режиме работы.

Полужидкостное трение имеет  место при неустановившемся режиме (трогании с места, торможении, резких толчках и ударах). Основы теории смазки при жидкостном трении впервые разработаны русским ученым проф. Петровым. Он установил, что поток движущейся жидкости, взаимодействуя о наклонной пластиной, образует масляный клин и создает подъемную силу, величина которой пропорциональна скорости и вязкости жидкости и обратно пропорциональна квадрату минимального зазора. В подшипнике, при смещении вала под действием нагрузки на величину эксцентриситета, также образуется изогнутые масляный клин и возникает подъемная сила, которая при жидкостном трении уравновешивает реакцию опоры, и вал вращается, не касаясь подшипников.

Для правильной работы подшипников без  износа поверхности  цапфы и втулки должны быть разделены  слоем смазки достаточной толщины.

Обеспечение режима жидкостного  трения является основным критерием  расчёта большинства подшипников  скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность  по критериям износа и заедания, значительно уменьшаются потери энергии на преодоление вредных сопротивлений, цапфа и вкладыш практически не изнашиваются.

Расчет  подшипников жидкостного трения выполняют на основе уравнений гидродинамики  вязкой жидкости, связывающих давление, скорость и сопротивление смазочного материала вязкому сдвигу. 

 

                                                                             

Рис.13 

 

Критерием прочности, а следовательно, и работоспособности подшипника скольжения являются контактные напряжения в зоне трения или, что, в принципе, то же самое – контактное давление. Расчётное контактное давление сравнивают с допускаемым  . Здесь N – сила нормального давления вала на втулку (реакция опоры), l - рабочая длина втулки подшипника, d – диаметр цапфы вала.

Иногда удобнее сравнивать расчётное и допускаемое произведение давления на скорость скольжения. Скорость скольжения легко рассчитать,  зная диаметр и частоту вращения вала.

Нм/мм²сек.

Произведение давления на скорость скольжения характеризует  тепловыделение и износ подшипника. Наиболее опасным является момент пуска  механизма, т.к. в покое вал опускается ("ложится") на вкладыш и при  начале движения неизбежно сухое  трение.

Следует заметить, что подъемная  сила, обеспечивающая состояние жидкостного  трения, возрастает обратно пропорционально  квадрату относительного зазора, который, в свою очередь, определяется чистотой обработки шейки вала и подшипника. Поэтому для обеспечения надежной работы подшипников при жидкостном трения необходима приработка, то есть сглаживание гребешков на опорной поверхности вала и подшипника. Приработка новых и отремонтированных машин производится на режиме пониженной нагрузки. Во всех руководствах и инструкциях обязательно должен быть указан режим и время обкатки и приработки.

Для создания трения со смазочным  материалом необходимо, чтобы в масляном слое возникало избыточное давление или от вращения вала (гидродинамическое), или от насоса (гидростатическое). Чаще применяют подшипники с гидродинамической смазкой (рис.14). При вращении цапфа 2 увлекает масло 1. В образовавшемся масляном клине создается избыточное давление, обеспечивающее разделение цапфы и подшипника слоем масла. 3 — эпюра распределения гидродинамического давления в масляном клине.

Рис. 14. Гидродинамическая  смазка подшипника: 1 — масляный клин; 2— цапфа вала;

3 — эпюра распределения гидродинамического давления в масляном клине;

F_r — радиальная нагрузка на подшипник; h — толщина масляного клина 

 

Теория показывает, что  гидродинамическое давление может  развиваться только в клиновом зазоре (см. эпюру на рис. 14). Толщина масляного слоя и зависит от угловой скорости и вязкости масла. Чем больше эти параметры, тем больше h. Но с увеличением радиальной нагрузки F_r на цапфу 2 толщина масляного слоя h уменьшается. При установившемся режиме работы толщина h масляного слоя должна быть больше суммы микронеровностей цапфы R_zl и вкладыша R_z2, (рис. 15). 

 

Рис. 15. Масляный слой при установившемся режиме работы 

 

Для подшипников  с трением со смазочным материалом предварительно производят условный расчет. При этом обычно диаметр цапфы d, радиальная нагрузка F_r и угловая скорость должны быть известны. Для проверки выполнения условий жидкостного трения после выбора марки масла расчетным путем определяют радиальный зазор , толщину масляного слоя h и исследуют температурный режим подшипников. Гидродинамический расчет выполняют как проверочный.

Рекомендации  по конструированию подшипников  скольжения.

1. Вкладыши выполняют  без бортов, с одним и двумя  бортами. Борта служат для восприятия  осевых сил и фиксации вкладышей  от осевого смещения.

2. Толщина стенки вкладыша  зависит от диаметра d цапфы и материала. Для чугунных и бронзовых вкладышей мм. Размеры борта: b=1,25; h= 0,68.

3. Толщина слоя заливки  баббита  = 0,1...0,5 мм. С увеличением толщины слоя его прочность уменьшается.

4. Как отмечено выше l = (0,6.. .0,9)d, где l — длина вкладыша, а d — диаметр его отверстия. Чем больше длина вкладыша, тем опаснее перекос осей вала и вкладыша (возникновение кромочных давлений).

5. Вкладыши жестко закрепляют  в корпусе для предохранения  проворачивания и осевого смещения.

6. Регулирование зазора  в разъемных подшипниках производят  радиальным смещением вкладышей:  подбором или подшлифовкой кладок, устанавливаемых в плоскости разъема корпуса; шабрением плоскостей стыка вкладыша или корпуса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

1. http://www.prikladmeh.ru
2. Большая советская инциклопедия
3. Иванов М.Н. «Детали машин»,  г.Москва, «Высшая школа», 2000 г.
4. Анурьев В.И. «Справочник конструктора-машиностроителя», г.Москва «Машиностроение», 2006г.