Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты (рис. 37, а - г).
Рис. 37.
Валы, оси и опоры:
а - вал на опорах; б - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип; 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, 5 - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок
Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.
Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).
Цапфы - опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.
Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята - осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.
Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.
Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.
Подшипники принимают радиальную нагрузку, а подпятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.
Устройства, предназначенные для поддержания движущихся деталей и обеспечения определенного вида движения деталей, называют направляющими .
Направляющие для вращательного движения называют опорами . Понятие “опора” охватывает два звена – цапфу и подшипник. Цапфой называют часть вала или оси, опирающуюся на подшипник.
Точность и надежность работы механизмов и машин во многом зависит от качества опор.
Подшипники – устройства, поддерживающие валы и оси, - воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус. Кроме того, подшипник обеспечивает фиксацию вала в определенном положении. Помимо валов и осей подшипники могут поддерживать детали, вращающиеся вокруг осей или валов, например, шкивы, шестерни и т.п.
По виду трения подшипники делят на подшипники скольжения и качения.
В подшипниках скольжения опорный участок вала (цапфа) скользит по поверхности подшипника (рисунок 15).
Рис.15. Подшипники скольжения
Подшипники скольжения появились значительно раньше опор качения – при создании простейших машин. В современном машиностроении подшипники скольжения используют только там, где применение их является предпочтительным. Например, для подшипников особо тяжелых валов (для которых подшипники качения не изготовляют), если необходимо иметь разъемные подшипники (для коленчатых валов) и т.п.
Подшипники скольжения (см. рисунок 15) состоят из двух основных элементов: корпуса 1 и вкладыша 2. Вкладыш, являющийся рабочим элементом, выполняется из антифрикционного материала (бронза, латунь, баббит, специальный чугун, пластмасса). Он находится в непосредственном соприкосновении с цапфой вала и воспринимает от неё нагрузки. Корпус, который может быть разъемным и неразъемным, предназначен для размещения вкладыша и восприятия нагрузок.
Достоинства подшипников скольжения – незначительные размеры в радиальном направлении; простота устройства, изготовления и монтажа; низкая стоимость; малая чувствительность к ударам и толчкам; бесшумность работы. К недостаткам следует отнести: значительные потери на трение, сложность системы смазки, высокие требования к смазке.
В современном машиностроении чаще используют подшипники качения . В них трение скольжения заменяется трением качения посредством установки тел качения между опорными поверхностями подшипника и вала.
Подшипник качения (рисунок 16) – это готовый узел, который в большинстве случаев состоит из наружного 1 и внутреннего 3 колец с углублениями – дорожками качения А , тел качения 2 (шариков или роликов) и сепаратора 4, направляющего и удерживающего тела качения. В некоторых типах подшипников для уменьшения габаритов одно или оба кольца отсутствуют, а иногда отсутствует сепаратор (игольчатые).
Рис.16. Подшипник качения
Достоинства подшипников качения: малые потери на трение и незначительный нагрев, малый расход смазки, небольшие габариты в осевом направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости. К недостаткам опор качения можно отнести увеличенные габариты в радиальном направлении, чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, некоторый шум в работе и сложность монтажа.
Все подшипники качения стандартизованы и в массовых количествах выпускаются специализированными заводами.
Применяемые материалы.
Валы и оси вращаются в опорах, в качестве которых служат подшипники качения и скольжения. Опорные части валов и осей называют цапфами , при этом концевые цапфы для подшипников скольжения называют шипами , а промежуточные – шейками (рис. 27 а). Концевые опорные поверхности валов и осей, предназначенных для восприятия осевых нагрузок, называют пятами , а подшипники скольжения, в которых они размещаются, - подпятниками (рис. 27 б).
Конструктивная форма вала или оси во многом определяется видом их соединения с насаженными на них деталями. Виды этих соединений весьма разнообразны и выбираются в соответствии с величиной и родом передаваемых нагрузок, а также требуемой точностью центрирования насаженных деталей. Чаще всего детали закрепляются на валу или оси шпонками или шлицами, либо посадкой с гарантированным натягом.
Для осевого фиксирования деталей (зубчатых колёс, подшипников и др.) на валах выполняют упорные буртики
или заплечики (рис. 28).
Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют радиусной галтелью (рис. 28 а)
или в форме канавки (рис. 28 б).
Для изготовления валов и осей используют углеродистые стали марок 20, 30, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х 40ХН и др.
Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.
Общие сведения об опорах валов и осей
Опорами называют устройства, обеспечивающие вращение подвижных частей механизма и непосредственное восприятие давления со стороны вала или оси. В зависимости от вида трения опоры (подшипники) бывают с трением скольжения и трением качения .
Опоры с трением скольжения имеют следующие преимущества :
– они могут работать при высоких скоростях и нагрузках в агрессивных средах;
– они малочувствительны к ударным и вибрационным нагрузкам;
– их можно устанавливать в местах, недоступных для установки подшипников качения, например на шейках коленчатых валов.
К основным недостаткам опор с трением скольженияотносятся:
– более высокие потери на трение при обычных условиях;
– усложнённые системы смазки тяжело нагруженных, быстроходных подшипников;
– необходимость постоянного контроля смазки (исключение представляют приборные подшипники из фторопласта и капрона, а также металлокерамические подшипники);
– необходимость применения дефицитных материалов и высокой твёрдости поверхности цапф;
– большие осевые габариты;
К достоинствам опор с трением качения относятся:
– малые потери на трение и моменты сопротивления при трогании с места;
– относительная простота сборки и ремонта механизмов;
– малые габариты в осевом направлении.
Недостатками этих опор являются:
– повышенная чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам,
– повышенные радиальные габариты.
Надёжность работы подшипников в значительной мере определяет работоспособность и долговечность машин.
Подшипники скольжения
Общие сведения
Подшипник скольжения (рис. 29 ) – это пара вращения, состоящая из опорного участка вала (цапфы ) 1 и самого подшипника 2 , в котором скользит цапфа.
Благодаря указанным выше достоинствам, а также по конструктивным и экономическим соображениям опоры скольжения находят широкое применение в паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, центробежных насосах, центрифугах, металлообрабатывающих станках, швейном оборудовании. Они отличаются большим разнообразием конструктивных форм составных частей.
По виду трения скольжения различают подшипники: сухого трения , работающие на твёрдых смазочных материалах или без смазочного материала; граничного трения , при котором слой смазки, разделяющий подшипник и цапфу вала, составляет не более 0,1 мкм; жидкостного трения и с газовой смазкой .
По виду воспринимаемой нагрузки подшипники подразделяют на: радиальные , воспринимающие радиальную нагрузку (рис. 30 а); радиально-упорные , если подшипник может кроме радиальной нагрузки воспринимать частично и осевую (рис. 30 б, в); упорные , воспринимающие осевую нагрузку (рис. 30 г).
Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической (рис. 30 а),
конической (рис. 30 б),
шаровой (рис. 30 в)
и плоской (рис. 30 г).
Конические и шаровые подшипники применяются редко. Условия работы подшипников скольжения определяются основными параметрами режима работы: удельной нагрузкой р
и угловой скоростью ω.
3.4.2. Конструкции подшипников скольжения
Подшипники скольжения состоят из двух основных частей: корпуса и подшипниковой втулки (вкладыша), контактирующей с цапфой вала. Применение вкладышей позволяет изготовлять детали корпусов из дешёвых материалов и облегчает ремонт. В малогабаритных и неответственных подшипниках вкладыши иногда отсутствуют, их назначение в этом случае выполняет корпус.
Конструкции деталей корпусов и вкладышей разнообразны и зависят от конструкции механизмов и машин в целом, условий монтажа и эксплуатации.
Конструкции опор с подшипниками скольжения можно условно разделить на подшипники с неразъёмным корпусом и разъёмным .
Подшипники с неразъёмным корпусом сравнительно просты и дешёвы, но сложны при монтаже (требуется осевой сдвиг вала, не допускается регулировка зазора). Это ограничивает их использования малоответственными тихоходными конструкциями.
Разъёмные стандартные подшипники широко применяются в различных конструкциях.
Разъёмный подшипник (рис. 31)
состоит из корпуса 1
, крышки 2
, вкладыша 3
, крепёжных болтов с гайками 4
и маслёнки 5
. Разъём вкладыша делают по его диаметру, а разъём корпуса – ступенчатым. Уступ в ступенчатом разъёме препятствует поперечному сдвигу крышки относительно корпуса подшипника.
Разъём вкладыша обычно выполняют в плоскости, перпендикулярной радиальной нагрузке. Смазку осуществляют различными смазочными материалами с помощью колпачковых маслёнок или жидкими маслами с помощью капельных маслёнок, например в швейных машинах.
Подшипниковые втулки (вкладыши) выполняют в стандартном и оригинальном исполнении цилиндрическими без бурта (буртов) для радиальной нагрузки (рис. 32 а) и с буртом (буртами) для восприятия одно- или двусторонней осевой и радиальной сил (рис. 32 б, в, г) . Их изготавливают неразъёмными (рис. 32) и разъёмными (рис. 33).
Для распределения смазки по длине вкладыша на его внутренней поверхности делают канавки или выемки (карманы) (рис. 33).
Их располагают в месте подвода смазки. Расположение и форма канавок и каналов, подводящих смазочный материал, зависят от конструкции опоры и особенностей эксплуатации. От осевого перемещения вкладыши фиксируют с помощью винтов
или штифтов (рис. 34).
Вкладыши изготовляют из материалов с высокими антифрикционными свойствами, обладающими хорошей теплопроводностью, прирабатываемостью и смачиваемостью смазочными материалами, твёрдостью.
Наиболее распространёнными материалами вкладышей являются баббиты Б16 и Б83 , бронзы БрО10Ф1 , БрА9Ж3Л и др., латунь ЛМцОС58-2-2-2 , антифрикционные чугуны АСЧ1, АСЧ-2, АСЧ-3 и др.
Вкладыши малонагруженных и низкооборотных механизмов изготовляют из металлокерамики, пластмасс. Втулки и вкладыши подшипников скольжения, изготовленные из неметаллических материалов (текстолит, резина, капрон и др.), стоят дешевле металлических. Они обладают хорошими антикоррозионными свойствами, могут работать без смазки или с водяной смазкой, имеют повышенную нагрузочную способность и сопротивляемость удару, износостойки и не склонны к заеданию.
Практика эксплуатации подшипников скольжения показала, что их работа в условиях сухого и граничного трения сопровождается изнашиванием. Отказы таких подшипников происходят из-за заедания (диффузионной сварки), пластического деформирования, абразивного изнашивания, особенно опасного при засорении смазочного материала, а также усталостного разрушения и отслаивания фрикционного слоя при вибрационных и ударных нагрузках. Эти повреждения зависят от удельной нагрузки, скорости, вязкости материала и других параметров режима работы, используемых в качестве критериев работоспособности.
Подшипники жидкостного трения работают без изнашивания, если не нарушается режим смазки. В связи с этим для них основным критерием работоспособности является номинальная толщина слоя смазочного материала, исключающая контакт микронеровностей цапфы и подшипника (вкладыша).
Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки вала и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники.
По виду трения различают: подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности; подшипники качения, в которых между поверхностями вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения подшипника.
От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машины.
Существует много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъёмные и разъёмные.
Неразъёмный подшипник (рис.3.5) состоит из корпуса и втулки (вкладыша) из антифрикционного материала, на которую непосредственно опирается цапфа вала или оси. Втулка может быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него ("плавающая втулка"), в конструкции подшипника предусматривается смазочное устройство. Неразъемные подшипники обычно используют в тихоходных механизмах.
Разъёмный подшипник (рис.3.6) состоит из основания и крышки корпуса, разъёмного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъёмные подшипники используют в общем и особенно - тяжёлом машиностроении.
Достоинства подшипников скольжения:
Высокая работоспособность при больших скоростях и ударных нагрузках;
Бесшумность и обеспечение виброустойчивости вала при работе подшипника в режиме жидкостного трения (масляный слой между поверхностями цапфы и вкладыша обладает способностью гасить колебания);
Небольшие габариты в радиальном направлении;
Достаточно высокая работоспособность в особых условиях (химически агрессивных средах, при бедной или загрязнённой смазке).
Недостатки подшипников скольжения:
Большие потери на трение (не относится к подшипникам, работающим в режиме жидкостного трения, КПД которых больше 0,99);
Значительные размеры в осевом направлении;
Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей;
Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазки;
Не обеспечивается взаимозаменяемость подшипников при ремонте, так как большинство типов подшипников не стандартизировано.
Подшипники качения в большинстве случаев состоят из наружного 4 (рис. 3.7, а) и внутреннего 1 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов), сепаратора 2, разделяющего и направляющего тела качения. В некоторых подшипниках одно или оба кольца могут отсутствовать. В них тела качения обкатываются непосредственно по канавкам (цапфам) вала или корпуса.
Достоинства подшипников качения:
Значительно меньшие потери на трение, а следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;
Экономия дефицитных цветных материалов;
Меньший расход смазочного материала;
Высокая степень взаимозаменяемости (их массовое производство).
Недостатки подшипников качения:
Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам;
Большие габариты в радиальном направлении;
Малая надёжность в высокоскоростных приводах.
Классификация подшипников качения (см. рис.3.7):
По форме тел качения: шариковые (а, 6, ж, и), роликовые (с цилиндрическими (в), коническими (з), бочкообразными (г), игольчатыми (д) и витыми (е) роликами-;
По числу рядов тел качения: однорядные (а, в, ж), двухрядные (6, г), многорядные;
По направлению воспринимаемой нагрузки: радиальные (а...е), воспринимающие (в основном) радиальные нагрузки, т.е. нагрузки, направленные перпендикулярно к геометрической оси вала; упорные (и, к), воспринимающие от вала только осевые нагрузки; радиальпо-упорные (ж) и упорно-радиальные (з) могут воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки, при этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.
По габаритным размерам. В зависимости от соотношения размеров наружного и внутреннего диаметров подшипники делят на серии - сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние, тяжелые; по ширине на серии - узкие, нормальные, широкие, особо широкие.
3.3. ТИПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?
Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.
По принципу работы различают:
● Подшипники скольжения.
● Подшипники качения.
5.2. Что такое подшипник скольжения?
Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.
5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.
Достоинства:
● Малые габариты в радиальном направлении.
● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.
● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.
Недостатки:
● Большие габариты в осевом направлении.
● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.
● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.
5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.
Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:
● Малый коэффициент трения.
● Высокую износостойкость.
● Хорошую прирабатываемость.
● Коррозионную стойкость.
● Малый коэффициент линейного расширения.
● Низкую стоимость.
Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.
5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.
Материалы вкладышей можно разделить на три группы.
● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.
● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.
● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.
5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.
Основным критерием является износостойкость трущейся пары.
Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .
5.7. Что такое подшипник качения?
Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.
5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.
Достоинства:
● Малые потери на трение.
● Высокий КПД.
● Незначительный нагрев.
● Высокая нагрузочная способность.
● Малые габаритные размеры в осевом направлении.
● Высокая степень взаимозаменяемости.
● Простота в эксплуатации.
● Малый расход смазки.
Недостатки:
● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.
● Большие габариты в радиальном направлении.
● Шум при больших оборотах.
5.9. Как классифицируются подшипники качения?
● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.
● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).
● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.
5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.
● Усталостное выкрашивание после длительной работы.
● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.
● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.
● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.
● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.
5.11. Как проводится подбор подшипников качения?
При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.
Различают подбор подшипников:
● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.
● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.