Подшипники скольжения

Оглавление

Введение 2
1. Общие характеристики подшипников скольжения 3
2. Классификация подшипников скольжения 6
3. Трение и смазка подшипников скольжения 8
4. Конструкции подшипников скольжения 13
5. Расчет подшипников скольжения 18
Заключение 19
Список использованных источников 21

Введение

Долговечность, экономичность, надежность, а во многих случаях габариты и веса машин существенно зависят от конструкции, качества изготовления и монтажа подшипниковых узлов. Поэтому к подшипниковым узлам предъявляются новые повышенные требования, обусловленные в первую очередь ростом скоростей вращающихся деталей, увеличением статических и ударных нагрузок, действующих на опоры, и необходимостью значительного увеличения надежности опорных узлов.
Применение подшипников качения, несмотря на многообразие их типоразмеров и высокое качество изготовления, оказывается в ряде случаев нерациональным, а иногда и невозможным. В частности, они недостаточно долговечны к надежны при высоких скоростях и динамических нагрузках, не пригодны в тех случаях, когда для удобства монтажа и демонтажа машины нужны разъемные опоры.
Используя подшипники качения, не всегда удается удовлетворить требования бесшумности, химической и тепловой стойкости опорных узлов. В подобных условиях рациональное решение может быть найдено при проектировании опорных узлов с подшипниками скольжения.
Общие характеристики подшипников скольженияПодшипник – изделие, являющееся частью опоры или упора, которое поддерживает вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной жёсткостью. Фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции.
Силы, нагружающие подшипник, подразделяют на:
радиальную, действующую в направлении, перпендикулярном оси подшипника;
осевую, действующую в направлении, параллельном оси подшипника.
Опора с упорным подшипником называется подпятником.
Подшипник скольжения – опора или направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей.
Опорный участок вала называется цапфой. Форма цапфы и соответствующая ей форма рабочей поверхности подшипника может быть цилиндрической, плоской, конической и сферической (рис.1). Шип – это цапфа, расположенная на конце вала и передающая радиальную нагрузку Fr (рис. 1а). Шейка – это цапфа, расположенная в средней части вала и передающая радиальную нагрузку (рис. 1б). Большинство радиальных подшипников может воспринимать также и небольшие осевые нагрузки. Для этого вал изготавливают ступенчатым с галтелями, а кромки подшипника закругляют.
Рис. 1.
Плоская цапфа, передающая осевую (аксиальную) нагрузку Fa, называется пятой, а опора (подшипник) – подпятником. Пята может располагаться на конце вала (рис. 1в) или в его средней части (рис. 1г). Часто подпятники работают в паре с радиальными подшипниками (рис. 1в).
Подшипники с конической поверхностью (рис. 1д) применяются в тех случаях, когда необходимо периодически устранять зазор от износа подшипника с целью сохранения точности центровки вала. Для этого на валу устанавливают коническую втулку, положение которой регулируется гайками.
Сферические (шаровые) подшипники (рис. 1е) допускают перекос вала, то есть обладают свойством самоустановки. Их используют в основном как шарниры в пространственных стержневых механизмах.
Радиальный подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется рабочий элемент – вкладыш, или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу.
В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает сухим, граничным, жидкостным и газодинамическим. Однако даже подшипники с жидкостным трением при пуске проходят этап с граничным трением.
Смазка является одним из основных условий надёжной работы подшипника и обеспечивает:
низкое трение;
разделение подвижных частей;
теплоотвод;
защиту от вредного воздействия окружающей среды.
Смазка бывает:
жидкой (минеральные и синтетические масла, вода для неметаллических подшипников);
пластичной (на основе литиевого мыла и кальция сульфоната и др.);
твёрдой (графит, дисульфид молибдена и др.);
газообразной (различные инертные газы, азот и др.).
Наилучшие эксплуатационные свойства демонстрируют пористые самосмазывающиеся подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии. При работе пористый самосмазывающийся подшипник, пропитанный маслом, нагревается и выделяет смазку из пор на рабочую скользящую поверхность, а в состоянии покоя остывает и впитывает смазку обратно в поры.
Антифрикционные материалы подшипников изготавливают из твёрдых сплавов (карбид вольфрама или карбид хрома методом порошковой металлургии либо высокоскоростным газопламенным напылением), баббитов и бронз, полимерных материалов, керамики, твёрдых пород дерева (железное дерево).
Классификация подшипников скольженияВ зависимости от формы подшипникового отверстия:
одно- или многоповерхностные;
со смещением поверхностей (по направлению вращения) или без (для сохранения возможности обратного вращения);
со смещением или без смещения центра (для конечной установки валов после монтажа).
По направлению восприятия нагрузки:
радиальные;
осевые (упорные, подпятники);
радиально-упорные;
По конструкции:
неразъёмные (втулочные);
разъёмные (состоящие из корпуса и крышки);
встроенные (рамовые, составляющие одно целое с картером, рамой или станиной машины).
По количеству масляных клапанов:
с одним клапаном;
с несколькими клапанами.
По возможности регулирования:
нерегулируемые;
регулируемые.
Область применения подшипников скольжения в современном машиностроении невелика, так как основное распространение имеют подшипники качения. Однако значение подшипников скольжения в современной технике не снизилось, в целом ряде конструкций они незаменимы. В частности, в следующих случаях:
Разъемные подшипники для тех конструкций, где подшипники качения не могут быть установлены, например, для коленчатых валов.
Высокоскоростные подшипники (v30м/с). При высоких окружных скоростях подшипники качения практически неприменимы из-за вибраций, шума и низкой долговечности.
Подшипники прецизионных машин, от которых требуется особо точное положение валов в пространстве и возможность регулировки зазоров.
Подшипники, работающие в особых условиях (вода, агрессивные среды), в которых подшипники качения неработоспособны из-за коррозии.
Подшипники дешевых тихоходных механизмов.
Трение и смазка подшипников скольженияТрение определяет износ и нагрев подшипника, а также его КПД. Для уменьшения трения подшипники скольжения смазывают. В зависимости от режима работы подшипника в нем может быть полужидкостное или жидкостное трение. Схематизированное представление об этих режимах дает рис. 2.
Рисунок 2
При жидкостном трении рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина H которого больше суммы высот Rz шерховатостей поверхностей (на рис. 2 разделяющий слой масла изображен толстой линией):
При этом условии масло соответствующей вязкости воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая непосредственный контакт рабочих поверхностей и их износ. Сопротивление движению в этом случае определяется только внутренним трением в смазочной жидкости. Коэффициент жидкостного трения f = 0,001 0,005. Эти значения могут быть меньше коэффициента трения качения.
При полужидкостном трении условие не соблюдается, а в подшипнике имеет место смешанное трение – жидкостное и граничное. Граничным называют трение, при котором трущиеся поверхности покрыты тонкой пленкой смазки. Граничные пленки настолько тонкие, что в местах сосредоточенного давления они разрушаются и происходит непосредственный контакт трущихся поверхностей вала и подшипника и их износ. Значение коэффициент полужидкостного трения зависит не только от качества масла, но и от материалов трущихся поверхностей. В этом случае используют антифрикционные материалы с низким коэффициентом трения f = 0,01 0,1.
Для работы подшипника самым благоприятным является режим жидкостного трения, поэтому основным критерием расчета большинства подшипников скольжения является образование режима жидкостного трения.
Основы образования режима жидкостного трения изучаются в гидродинамической теории смазки. Не рассматривая подробностей, приведем только принципиальные понятия и необходимые выводы.
На рис. 3 показано плоское тело, движущееся по плоскому основанию в слое масла, причем на движущееся тело действует сила F, перпендикулярная основанию. Если скорость движения мала (рис. 3а), то имеет место полужидкостное трение – трущиеся поверхности покрыты тонкой граничной пленкой смазки. При увеличении скорости это состояние сохраняется до тех пор, пока скорость движения v остается меньше некоторой критической скорости vкр. Если скорость продолжает увеличиваться, то движущееся тело поднимается в масляном слое и принимает наклонное положение, подобно тому, как поднимается глиссер или водные лыжи, скользящие по воде (рис. 3б).
Рисунок 3
Между плоскостями тела и основания образуется сужающийся зазор и масло непрерывно нагнетается в этот зазор. Протекание масла через суживающийся зазор приводит к образованию гидродинамического давления р, которое уравновешивает внешнюю нагрузку F. Движение продолжается в условиях жидкостного трения.
Гидродинамическое давление может развиваться только при наличии суживающегося зазора, который принято называть клиновым. В примере на рис. 3 начальный клиновой зазор образуется с помощью скошенной передней части движущегося тела.
В радиальном подшипнике клиновая форма зазора образуется в результате того, что диаметр цапфы всегда меньше, чем диаметр подшипника для возможности относительного движения. Вследствие этого центр цапфы вала смещается относительно центра подшипника. В образовавшемся зазоре находится масло. Если угловая скорость вала меньше некоторого критического значения, то между контактирующими поверхностями вала и подшипника имеет место полужидкостное трение (рис. 4а). При угловой скорости ω > ωкр цапфа всплывает в масле и смещается в сторону вращения (рис. 4б). В масляном слое возникает гидродинамическое давление р, эпюра которого показана на рис.4б. Минимальная толщина масляного слоя hmin увеличивается с увеличением угловой скорости, центр цапфы сближается с центром подшипника. Однако полного совпадения центров быть не может, так как при этом нарушается клиновая форма зазора, как одно из условий режима жидкостного трения.
Рисунок 4
В некоторых условиях в качестве смазки подшипников используют не только масло, но и воду и даже воздух, так как и вода и воздух обладают вязкостью.
В любом случае необходимо обеспечить самозатягивание жидкости или газа в клиновой зазор. Для большей надежности этого явления в ответственных случаях (двигатели автомобилей и самолетов, турбогенераторы, центрифуги и пр.) жидкость или газ подают в подшипник под давлением с помощью гидронасосов или компрессоров.
Описанные выше подшипники, где жидкостное или газовое трение обеспечивается самозатягиванием жидкости или газа в клиновой зазор между цапфой и подшипником, называются гидродинамическими или аэродинамическими.
Если скорость вращения вала невелика, а радиальная нагрузка значительна, то гидродинамические условия не выполняются и трение остается полужидкостным. Для создания жидкостного трения несущий масляный слой образуется путем предварительного подвода масла от гидронасоса в подшипник под цапфу. Гидронасос должен развивать такое давление, чтобы цапфа всплывала в масле. Такие подшипники называются гидростатическими. Если цапфа в подшипнике поддерживается воздушной подушкой в результате непрерывного поддува сжатого воздуха, то такой подшипник называется аэростатическим.
Аэродинамические и аэростатические подшипники используются или для быстроходных валов (n > 10000 об/мин) при малых нагрузках, или для работы в условиях высоких температур, где масло теряет свои свойства.
Так как при жидкостном трении непосредственный контакт поверхностей вала и подшипника отсутствует, то можно сделать неверный вывод о том, что скользящие поверхности могут быть выполнены из любого материала. Это вывод неверен потому, что в процессе работы машины режим жидкостного трения может быть нарушен, то есть, значения угловой скорости и нагрузки могут выйти за допускаемые пределы, например, при перегрузках, пусках и остановах. Поэтому, материалы скользящих поверхностей должны быть антифрикционными.
Конструкции подшипников скольженияКонструкции подшипников скольжения весьма разнообразны. Во многом они зависят от конструкции машины, в которой устанавливается подшипник. Рассмотрим принципиальные конструктивные различия подшипников скольжения.
Очень часто подшипники не имеют специального корпуса. При этом вкладыши размещают непосредственно в станине или раме машины. Подшипники с отдельными корпусами устанавливают главным образом в таких устройствах, как конвейеры, грузоподъемные машины, трансмиссии и т. д. В этих случаях подшипники крепят на фермах, стенах, колоннах.
Корпус и вкладыш могут быть неразъемными или разъемными. Разъемный подшипник позволяет легко укладывать вал и ремонтировать подшипник путем повторных расточек вкладыша при его износе. Неразъемные подшипники дешевле. Вкладыши в этих подшипниках обычно запрессовывают в корпус.
В частности, они могут иметь специальный корпус, или обходиться без него. Подшипник с отдельным корпусом показан на рис. 5а. Такой подшипник называется разъемным, так как содержит корпус 1 и крышку 2, скрепленных при помощи резьбового соединения (в данном случае это – шпильки и гайки с шайбами). Крышка при необходимости может сниматься, что облегчает сборку, обслуживание и ремонт подшипникового узла. Корпус и крышка обычно изготавливаются из чугуна или стали. Внутри них плотно вставлены основные элементы подшипника – вкладыши 3 и 4 из антифрикционного материала. Смазка подводится через отверстие 5 в крышке. Для лучшего распределения смазки в зазоре между валом и подшипником служат канавки 6 во вкладышах.
Рисунок 5
Если подшипник не имеет специального корпуса, то он может размещаться на стенке корпуса 1 механизма машины (рис. 5б). Главным элементом подшипника здесь служит втулка 2 из антифрикционного материала, а для подвода смазки служит отверстие 3.
По длине цапфы масло распределяется с помощью смазочных канавок, сообщающихся с подводным каналом. Масло подают в подшипник самотеком с помощью специальных устройств (фитильные и капельные масленки, смазочные кольца и т. д.) или под давлением с помощью насосов (плунжерных, шестеренчатых и т. д.).
На практике наблюдаются случаи, когда работа подшипника в режиме жидкостного трения становится неустойчивой и сопровождается вибрацией цапфы. Вибрация свойственна главным образом быстроходным и легконагруженным подшипникам. Одним из признаков возможности образования вибраций является малая величина х (порядка <0,5). Разработано несколько способов устранения вибраций: эллиптическая расточка вкладышей, применение сегментных подшипников, изменение места подвода масла и т. д.
Гидростатические подшипники. Для тихоходных тяжелых валов, от которых требуется малое сопротивление вращению, а режим гидродинамического трения обеспечить не удается, применяют гидростатические подшипники. В этих подшипниках несущий масляный слой образуют путем подвода масла под цапфу от насоса. Давление насоса подбирают таким, чтобы цапфа всплывала в масле.
Рисунок 6
Гидростатические подшипники используют также для повышения точности центровки валов в прецизионных машинах, уменьшения износа тяжелонагруженных подшипников в периоды разгона до гидродинамического режима трения и в некоторых других случаях.
Подшипники с воздушной или газовой смазкой применяют для быстроходных валов при относительно малых нагрузках, а также при работе в условиях высоких температур.
Эти подшипники могут быть аэростатическими и аэродинамическими. В аэростатических подшипниках, так же, как и в гидростатических, цапфа поддерживается воздушной подушкой в результате непрерывного поддува сжатого воздуха; в аэродинамических воздушная подушка образуется вследствие самозатягивания воздуха в клиновой зазор, так же как и в гидродинамических.
Материал вкладыша (основной детали подшипника) должен иметь:
Малый коэффициент трения и высокую сопротивляемость заеданию в периоды отсутствия режима жидкостного трения (пуски, торможение и т. п.);
Достаточную износостойкость наряду со способностью к приработке. Износостойкость вкладыша должна быть ниже износостойкости цапфы, так как замена вала обходится значительно дороже, чем замена вкладыша;
Достаточно высокие механические характеристики и особенно высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок.
Вкладыши изготовляют из самых разнообразных материалов: бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые, алюминиевые и прочие обладают достаточно высокими механическими характеристиками, но сравнительно плохо прирабатываются и способствуют окислению масла. Бронзы широко применяют в крупносерийном и массовом производстве.
Чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря включениям свободного графита, но прирабатывается хуже, чем бронзы. Его применяют в тихоходных и умеренно нагруженных подшипниках.
Баббит на оловянной, свинцовой и других основах является одним из лучших материалов для подшипников скольжения. Он хорошо прирабатывается, не окисляет масло, мало изнашивает вал, стоек против заедания. Отрицательными свойствами баббита являются сравнительно низкая температура плавления (применяют до 110 °С), хрупкость и высокая стоимость. Баббитом заливают только рабочую поверхность вкладышей на толщину 1...10 мм. При этом сам вкладыш изготовляют из бронзы, стали, алюминия и т. д.
В целях повышения прочности подшипников, в особенности при переменных и ударных нагрузках, применяют так называемые биметаллические вкладыши, у которых на стальную основу наплавляют тонкий слой антифрикционного материала — бронзы, серебра, сплава алюминия и т. д. Биметаллические подшипники обладают высокой нагрузочной способностью.
Пластмассы на древесной или хлопчатобумажной основе, а также дерево, резина и другие материалы могут работать при водяной смазке. Поэтому их применяют в гидротурбинах и насосах в химическом машиностроении и т. п. Благодаря высокой упругости пластмасс подшипники выдерживают ударные нагрузки и могут компенсировать перекос цапфы. Хорошо зарекомендовали себя пластмассы типа капрона и др. Тонкий слой этих пластмасс наносят на рабочую поверхность металлического вкладыша. Как показывают исследования, такие вкладыши менее чувствительны к нарушению смазки и выдерживают значительные нагрузки.
Металлокерамические вкладыши изготовляют прессованием при высоких температурах порошков бронзы или железа с добавлением графита, меди, олова или свинца. Большим преимуществом таких вкладышей является высокая пористость. Поры занимают до 20...30% объема вкладыша и используются как масло - проводящие каналы. Металлокерамический подшипник, пропитанный маслом, может в течение длительного времени работать без подвода масла. Пополнение масла производится периодической пропиткой или погружением вкладыша в масляный резервуар, образованный в корпусе подшипника. Расход масла при этом уменьшается до 10 раз.
Материалы подшипниковых вкладышей и втулок должны обладать малым коэффициентом трения в паре с материалом валов, хорошей прирабатываемостью и достаточной износостойкостью. При этом износостойкость вкладышей или втулок должна быть ниже износостойкости цапфы вала, так как замена вала сложнее и дороже, чем замена подшипника.
Расчет подшипников скольженияРасчет подшипников, работающих при полужидкостном трении.
К таким подшипникам относятся подшипники тихоходных механизмов машин и машин средней быстроходности с частыми пусками и остановками, неустановившимся режимом нагрузки и пр.
Тихоходные подшипники, работающие кратковременно с перерывами рассчитывают по условному давлению:
, где:
р – условное давление цапфы на подшипник, МПа;
Fr – радиальная нагрузка, Н;
l – длина подшипника, мм;
b – диаметр цапфы, мм;
[p] – допускаемое значение условного давления, МПа.
Подшипники средней быстроходности рассчитываются по произведению давления на скорость:
где v – окружная скорость цапфы.
Допускаемые значения [p] и [pv], определенные из опыта эксплуатации подшипников, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Материал вкладыша v, м/c [p], МПа [pv], МПам/c
Бронза БрАЖ9-4
Латунь ЛКС80-3-3
Чугун антифрикционный АВЧ-2
Баббит Б16
Металлокерамика – бронзографитПластмасса – капрон АК-7 4
2
1
12
2
4 15
12
12
15
4
15 12
10
12
10
–
15
подшипник скольжение трение
Заключение

В результате проделанной работы, можно сделать вывод о достоинствах и недостатках подшипников скольжения.
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 и обеспечение виброустойчивости вала при работе подшипника в режиме жидкостного трения (масляный слой между поверхностями цапфы и вкладыша обладает способностью гасить колебания);
теоретически бесконечный ресурс при жидкостном трении;
способность демпфирования;
простота изготовления и ремонта.
Недостатки подшипников скольжения:
большое изнашивание вкладышей и цапф валов из-за трения (не относится к подшипникам, работающим в режиме жидкостного трения, КПД которых > 0,99);
необходимость применения дорогостоящих цветных сплавов (бронза, баббит) для вкладышей;
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;
большой пусковой момент;
высокая стоимость и малая технологичность;
значительные габариты в осевом направлении (длина вкладышей может достигать 3d, где d — диаметр цапфы вала);
не обеспечена взаимозаменяемость подшипников при ремонте, так как большинство типов подшипников не стандартизовано.
Список использованных источников

Андреев, В.И. Детали машин и основы конструирования. Курсовое проектирование: Учебное пособие / В.И. Андреев, И.В. Павлова. - СПб.: Лань, 2013. - 352 c.
Балашов, В.М. Проектирование машиностроительных производств (механические цеха): Учебное пособие / В.М. Балашов, В.В. Мешков, А.Г. Схиртладзе.. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 200 c.
Горбацевич, А.Ф. Курсовое проектирование по технологии машиностроения: Учебное пособие для вузов / А.Ф. Горбацевич, В.А. Шкред. - М.: Альянс, 2015. - 256 c.
Гурин, В.В. Детали машин. курсовое проектирование. Часть 1: Учебник для бакалавриата и магистратуры / В.В. Гурин, В.М. Замятин, А.М. Попов. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 366 c.
Дунаев, П. Детали машин. Курсовое проектирование: Учебное пособие / П. Дунаев. - М.: Машиностроение, 2013. - 560 c.
Котов, В.П. Детали машин и основы конструирования. Курсовое проектирование: Учебное пособие / В.П. Котов, Н.А. Адрицкая, Т.И. Завьялова. - СПб.: Лань, 2013. - 352 c.
Крылов, Ю.А. Технология машиностроения. Проектирование технологических процессов: Учебное пособие / Ю.А. Крылов, А.С. Карандаев, В.Н. Медведев. - СПб.: Лань, 2016. - 352 c.
Остяков, Ю.А. Проектирование деталей и узлов конкурентоспособных машин: Учебное пособие / Ю.А. Остяков, И.В. Шевченко. - СПб.: Лань, 2013. - 336 c.
Тарабарин, О.И. Проектирование технологической оснастки в машиностроении: Учебное пособие / О.И. Тарабарин, А.П. Абызов, В.Б. Ступко. - СПб.: Лань, 2013. - 304 c.
Чернавский, С.А. Курсовое проектирование деталей машин: Учебное пособие / С.А. Чернавский, К.Н. Боков, И.М. Чернин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 414 c.