Главная

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.

Подшипником принято называть часть опоры, непосредственно взаимодействующей с цапфой вала или оси.

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).

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.

В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения различают:

– радиальные (воспринимают радиальные нагрузки);

– упорные (подпятники) – воспринимают осевые нагрузки;

– радиально-упорные – одновременно воспринимают радиальные и осевые нагрузки.

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.

Подшипники скольжения применяются ограниченно и лишь в тех областях, где они сохранили свои преимущества, а именно: для весьма быстроходных валов, в режиме работы которых долговечность подшипников качения очень мала; для осей и валов, требующих весьма точной установки; для валов очень большого диаметра (при отсутствии стандартных подшипников качения); когда по условиям сборки подшипник должен быть разъемным; при работе подшипника в воде, агрессивной среде для тихоходных валов неответственных механизмов и в особых условиях.

Подшипник скольжения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

а) конструкции и материалы должны быть такими, чтобы потери на трение и износ их и вала были минимальными;

б) должны быть достаточно жесткими и прочными;

в) размеры их трущихся поверхностей должны быть достаточными для восприятия действующего на них давления;

г) сборка, установка и обслуживание должны быть простыми.

Для уменьшения трения и нагрева, повышения КПД подшипники смазывают.

Конструкции подшипников скольжения

Подшипники скольжения составляют из корпуса; вкладышей, поддерживающих вал; смазывающих и защитных устройств.

Форма рабочей поверхности подшипника скольжения так же, как и форма цапфы вала, может быть цилиндрической, плоской, конической или шаровой. Большинство радиальных подшипников может воспринимать также и небольшие осевые нагрузки (фиксируют вал в осевом направлении). Для этого вал изготавливают ступенчатым с галтелями, а кромки подшипников закругляются. Подшипники с конической поверхностью применяются редко. Их используют при небольших нагрузках в тех случаях, когда необходимо систематически устранять зазор от износа подшипника. Также редко встречаются и шаровые подшипники. Они допускают перекос оси вала, т.е. обладают свойством самоустанавливаться.

Корпус подшипника может быть отдельной, литой или сварной деталью, выполненной цельной или разъемной.

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

Неразъемные подшипники делятся по ГОСТу на узкие (рис.3.1,а), широкие (рис.3.1,б), фланцевые (рис.3.1,в, г) и гнездовые (рис.3.1,д).

Рис.3.1.

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 применяют для того, чтобы не выполнять весь корпус подшипника из дорогого антифрикционного материала и для облегчения ремонта. Вкладыши устанавливают в корпус с натягом и предохраняются от проворачивания установочными штифтами. Износ рабочей поверхности вкладыша компенсируется поджатием крышки к верхней половине вкладыша.

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 и должен иметь:

1) малый коэффициент трения и высокую сопротивляемость заеданию в периоды отсутствия режима жидкостного трения (пуски, торможение и т. п.);

2) достаточную износостойкость наряду со способностью к приработке. Износостойкость вкладыша должна быть ниже износостойкости цапфы, так как замена вала обходится значительно дороже, чем замена вкладыша;

3) достаточно высокие механические характеристики и особенно высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок.

При невысоких скоростях скольжения (v_s≤5 м/с) применяют чугуны. Чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря включениям свободного графита, но прирабатывается хуже, чем бронзы, имеет высокую хрупкость и высокую стоимость.

При значительных нагрузках (р до 15 МПа) и средних скоростях скольжения (v_s до 10 м/c) широки используют бронзу. Бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые, алюминиевые и прочие обладают достаточно высокими механическими характеристиками, но сравнительно плохо прирабатываются и способствуют окислению масла. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные бронзы.

Баббиты разных марок применяют для подшипников скольжения, работающих в тяжелых условиях; баббиты хорошо прирабатываются, стойки против заедания, мало изнашивают вал, не окисляет масло, но имеют невысокую прочность и низкую температуру плавления и поэтому их используют для заливки чугунных и бронзовых вкладышей. Лучшими являются высокооловянные баббиты Б88, Б83.

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.

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, серебpa, сплава алюминия.

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

Рис.5.1. Конструкция вкладыша подшипника скольжения
а) вкладыш-втулка; б) вкладыш из двух половин с заливкой

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 δ_k<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.

Существенное значение в подшипниках скольжения имеет отношение длины (l) подшипника к диаметру (d). С увеличением (l) уменьшается среднее давление в подшипнике, резко возрастают кромочные давления и повышается температура.

Уменьшение длины подшипника ниже некоторого предела приводит к усиленному вытеканию масла и к снижению несущей способности.

Оптимальное отношение l/d=0,6…1,0.

У коротких l/d=0,3…0,4; у длинных l/d=1,0…1,5.

В прецизионных подшипниках скольжения производят регулировку зазора. Оптимальный зазор устанавливают на заводе-изготовителе, а компенсация выработки – при ремонтах.

Разъемные подшипники регулируют, сближая вкладыши, путем уменьшения толщины прокладок между ними или снятием слоя металла с поверхности контакта крышки и корпуса

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: 1 — корпус; 2 — крышка;

3 — втулка радиального подшипника; 4 — опорный вкладыш

Смазывание подшипников скольжения

Смазыванием называется подведение смазочного материала в зону трения, смазкой – действие смазочного материала.

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.

Желательно применять, по возможности, жидкие масла со смазкой окунанием в масляную ванну. При весьма высоких угловых скоростях вращения деталей (свыше 5000 об/мин) применяют подачу жидкой смазки форсунками под давлением, так как при таких скоростях начинают сильно возрастать гидравлические потери на взбалтывание масла. Консистентную смазку применяют в отдельных точках, где нельзя организовать масляную ванну. Количество точек смазки в машинах должно бить минимальным, иначе усложняется их техническое обслуживание. Твердые смазки содержат графит и применяются при очень больших давлениях и малых скоростях относительного перемещения смазываемых деталей, например, для смазки листовых рессор.

Вязкость является важнейшим свойством масел. Различают абсолютную или динамическую вязкость, которая выражает сопротивление сдвигу молекулярных слоев жидкости и относительную или кинематическую вязкость, которая характеризуется временем истечения жидкости через калиброванное отверстие при определенной температуре (50 или 100°С).

μ=γv

где γ - удельный вес масла, который можно принимать равным 0,9;

𝜇 - абсолютная вязкость в сантипаузах (СПЗ);

v - относительная вязкость в сантистоксах (ССТ).

Вязкость масел очень сильно изменяется с изменением температуры: с повышением температуры масло становится жидким и теряет смазывающие свойства, а с понижением - оно сильно густеет, создавая дополнительные сопротивления вращению и затрудняя пуск машин. Оптимальной можно считать температуру масла 50 - 70°С. При более высоких температурах масла должны содержать специальные присадки.

Все сорта масел нормализованы по ГОСТ, различаются по назначению.

К маслам универсального назначения относятся так называемые индустриальные масла разных марок, например, индустриальное масло - 50 (вязкость 50 сст при 50°С).

Широкое распространение получили автотракторные масла: автолы, дизельные, нигролы, гипоидные. Первые два сорта масла - для смазки двигателей, вторые - для трансмиссий.

Авиамасла подобны автотракторным, но отличаются лучшим качеством очистки.

Кроме того, широко применяются другие типы масел: турбинные, веретенные, сепараторные. Общее соображение по применению масел вытекает из гидродинамической теории смазки: чем выше скорости, тем меньше должна быть вязкость масла; при сверхвысоких скоростях даже воздух является смазкой и создает жидкостное трение.

Воду как смазочный материал применяют для подшипников с вкладышами из дерева, резины и пластмасс. Во избежание коррозии вал выполняют с покрытием или из нержавеющей стали.

Пластичные смазочные материалы (мази) изготовляют загущением жидких минеральных масел мылами жирных кислот или углеводородами. В зависимости от загустителя пластичные смазочные материалы делят на солидолы, консталины и др. Они хорошо заполняют зазоры, герметизируя узлы трения. Вязкость их мало меняется с изменением температуры. Применяют в подшипниках, работающих при ударных нагрузках и малых скоростях.

Антифрикционные материалы.

Это материалы и сплавы, обладающие низким коэффициентном трения в паре со стальным валом. К ним предъявляются, кроме того, следующие требования:

а) хорошая прирабатываемость;

б) способность удерживать масляную пленку, которая должна как бы прилипать к поверхности;

в) хороший отвод тепла;

г) достаточная механическая прочность.

Всеми этими качествами не обладает ни один из антифрикционных материалов, например:

Баббиты - оловянистые сплавы - не обладают свойством (г), однако их наплавляют на стальной, бронзовый или чугунный вкладыш, что и решает вопрос прочности.

Бронзы оловянистые и свинцовистые слабо обладают свойством (а).

Сплавы на алюминиевой основе слабо обладают свойством (г).

Антифрикционные чугуны вообще обладают недостаточными антифрикционными свойствами и могут применяться лишь при малых удельных давлениях и скоростях.

Неметаллические материалы (пластмассы) имеют довольно высокое значение коэффициента трения и не обладают свойством (в).

Твердые смазочные материалы — графит, дисульфид молибдена и др.— применяют в машинах, когда по условиям производства нельзя: или нецелесообразно применять масла или мази (ткацкие станки, пищевые машины и др.).

Газообразные смазочные материалы — воздух, пары углеводород и др.— применяют в малонагруженных подшипниках при очень высоких частотах вращения — до 250 тысяч оборотов в минуту (электро и пневмошпиндели, центрифуги).

Материалы подшипников скольжения

Подшипниковые материалы выбирают исходя из условия работы со стальными цапфами валов. Стоимость валов значительно выше стоимости подшипников и поэтому они должны изнашиваться меньше, чем вкладыши.

Подшипники работают тем надежнее, чем выше твердость валов. Для быстроходных валов шейки имеют твердость HRC 55…60 и изготавливаются из цементуемых сталей.

Комплексные требования к подшипниковым материалам:

– антифрикционность (низкий коэффициент трения скольжения);

– износостойкость и усталостная прочность.

Эти требования обеспечиваются следующими основными свойствами подшипниковых материалов:

а) теплопроводность – создает интенсивный теплоотвод от поверхностей трения и малый коэффициент линейного расширения во избежание больших изменений зазоров.

б) прирабатываемость – обеспечивает уменьшение кромочных давлений, связанных с упругими деформациями и погрешностями изготовления.

в) хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхности стойкие и быстровосстанавливаемые масляные пленки.

По химическому составу антифрикционные материалы делятся на три большие группы:

– металлические – бабиты, бронзы, сплавы на цинковой основе, на алюминиевой основе, антифрикционные чугуны;

– металлокерамические (железографитовые, получаемые методом порошковой металлургии);

– неметаллические – пластмассы, древесные пластики, резина.

В качестве материала, контактирующего с цапфой вала, в подшипниках скольжения применяются:

1. при спокойной нагрузке, удельном давлении до 20 МПа и малых скоростях скольжения до 5 м/с антифрикционные чугуны с повышенным содержанием свободного графита (табл. 1);

Таблица 1. Режимы работы подшипников из антифрикционных чугунов

Чугун (марка)	НВ, 10 Н/мм²	Состояние цапфы вала	Удельное давление, p не более, МПа	Скорость скольжения, v не более, м/с	p∙v, не более, МПа×м/с
АЧС-1	177-225	Термообработанная	8,8	2	1,8
АЧС-2	186-225	Термообработанная	5,9	3	4,4
АЧС-3	157-186	Сырая	5,9	3	4,4
АЧВ-1	206-255	Термообработанная	11,8	5	11,8
АЧВ-2	164-193	Сырая	--	--	--
АЧК-1	193-213	Термообработанная	11,8	5	11,8
АЧК-2	164-193	Сырая	--	--	--
ЧМ-1,3	183-257	Термообработанная	19,6	1	19,6
ЧМ-1,8	203-257	Термообработанная	0,5	25	12,5

2. бронзы оловянистые (БрОЦС5-5-5; БрОФ10-1 и др.), свинцовистые и оловянисто-свинцовистые (БрС-30; БрО5С25 и др.), безоловянистые (БрА9Ж3Л; БрА10Ж4Н4Л и др.) являются наиболее распространённым подшипниковым материалом при скоростях скольжения до 12 м/с и удельных давлениях до 25 МПа;

3. латуни (медноцинковые сплавы, например, ЛАЖМц52-5-2-1, ЛКС80-3-3 и др.) применяют для изготовления низкоскоростных подшипников при скоростях скольжения до 2 м/с и удельных давлениях до 12 МПа;

4. для изготовления высокоскоростных подшипников в условиях обильной смазки и хорошего теплоотвода при скоростях скольжения до 15 м/с и удельных давлениях до 12 МПа; применяют оловянные, свинцово-оловянные и свинцовые баббиты, например Б89 (89% олова, 9% сурьма, ост. медь), Б16 (16% олова, 16% сурьма, 1,8% медь, ост. свинец);

5. лёгкие сплавы на алюминиевой основе находят широкое применение, для изготовления поверхностей трения подшипников - для неответственных подшипников используют алюминиево-кремниевые сплавы (литейные АЛ3, АЛ4, АЛ5, деформируемые АК4, АК4-1), наиболее высокими антифрикционными качествами обладают алюминиево-оловянные композиты, получаемые спеканием порошковых материалов (например, АО20); по рабочим характеристикам эти материалы приближаются к баббитам при существенно меньшей цене и более высокой износостойкости;

6. неметаллические материалы (ДСП, текстолит, поликарбонаты, капрон, найлон, фторопласты, резины) применяют для изготовления подшипников, работающих при скоростях скольжения до 5 м/с и удельных давлениях до 10 МПа, некоторые из этих материалов (ДСП, резины) допускают использование воды в качестве смазки;

7. металлокерамика (бронзографит, железографит) получается спеканием порошков при высокой температуре и применяется при скоростях скольжения до 3 м/с, удельных давлениях до 6 МПа и недостатке смазки, металлокерамика отличается высокой пористостью (поры занимают до 40% объёма), вследствие чего способна впитывать большие количества масла, этого запаса масла хватает обычно на несколько месяцев работы подшипника без смазки.

Для работы с большинством перечисленных антифрикционных материалов цапфы вала необходимо подвергать термической или химикотермической обработке с целью получения высокой твёрдости рабочей поверхности > HRC 50, а в некоторых случаях (железистые бронзы высокой твёрдости, алюминиевые сплавы) > HRC 55. При этом точность изготовления диаметральных размеров для большинства подшипников лежит в пределах 6…7 квалитетов ЕСДП (единая система допусков и посадок), а шероховатость поверхности Ra – 2,5…0,25 мкм. Более высокая гладкость поверхности цапфы нежелательна вследствие слабого удержания на ней смазки.

Достоинства и недостатки 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.

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 подшипников скольжения

- 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 (диаметром более 1 м), 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 дешевых тихоходных машинах, бытовой технике.

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

- Опоры близко расположенных валов.

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

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения

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.

Критерии работоспособности и расчета подшипников скольжения

Основными критериями работоспособности и расчета подшипников являются:

а) Теплостойкость. Работа трения нагревает подшипник. С повышением температуры снижается вязкость смазки, толщина смазочного слоя и увеличивается вероятность заедания цапфы в подшипнике. Перегрев подшипника является основной причиной его разрушения. Поэтому основные характеристиками являются сопротивление абразивному изнашиванию, заеданию и схватыванию;

б) Износостойкость. Работа подшипника сопровождается износом вкладыша и цапфы, что нарушает правильную его работу. Интенсивность износа определяет долговечность подшипника.

в) Статическая и усталостная прочность. В случае действия больших кратковременных перегрузок ударного характера вкладыши подшипников могут хрупко разрушаться. Такому разрушению подвержены вкладыши из баббитов и пластмасс. Усталостное выкрашивание свойственно подшипникам с малым износом и наблюдается сравнительно редко.

Абразивное изнашивание вкладышей происходит вследствие попадания со смазочным материалом на трущиеся поверхности абразивных частиц (пыли, грязи) и неизбежного трения при пуске и останове. Если износ превышает норму, вкладыш заменяют.

Заедание происходит при перегреве подшипника. Вследствие трения нагреваются цапфа, вкладыш и масло. С повышением температуры понижается смазочная способность масла, которая связана с прочностью тонкой масляной пленки на поверхностях трения. При повышении температуры в рабочей зоне подшипника до некоторого критического значения эта пленка разрушается. Возникает трение без смазки (металлический контакт), что влечет за собой дальнейшее повышение температуры и заедание (схватывание) поверхностей трения. Заедание приводит к выплавлению вкладыша. Подшипник выходит из строя.

Схватывание возникает при потере масляной пленки своей защитной способности из-за повышенных местных давлений и температур. Этому способствует повышение кромочных давлений как следствие перекоса вала в подшипнике. Конечной стадией отказа подшипника является полное захватывание цапфы в подшипнике в результате разогрева цапфы и выборке зазора в подшипнике до нуля.

Усталостные разрушения фрикционного слоя наблюдаются при значительной пульсации нагрузки: в поршневых машинах, в машинах ударного и вибрационного действия. При некачественной заливке вкладышей наблюдается отслаивание заливки.

Основным расчетом подшипников скольжения является расчет на жидкостное трение, который основывается на том, что масляный слой должен воспринимать всю нагрузку, а его толщина должна быть больше сумм неровностей обработки цапфы и вкладыша. Составной частью расчета является тепловой расчет, т.к. недопустимое повышение температуры приводит к изменению свойств смазки и выплавлению заливки вкладышей.

Кроме того, применяются условные расчеты.

Условный расчет подшипников скольжения и подпятников

Подшипники скольжения чаще всего выходят из строя вследствие абразивного изнашивания или заедания. В машинах, где подшипники воспринимают большие ударные и вибрационные нагрузки, возможно усталостное разрушение рабочего слоя вкладышей.

Условный расчет подшипников скольжения проводят для подшипников, работающих в условиях граничного трения (режим полужидкостной смазки), когда трущиеся поверхности гарантированно не разделены слоем смазочного материала, а на рабочей поверхности вкладыша имеется лишь тонкая масляная пленка, которая может разрушиться. Этот расчет проводят для обеспечения износостойкости и отсутствия заедания. К таким подшипникам относятся подшипники грубых тихоходных механизмов, машин с частыми пусками и остановками, неустановившимся режимом нагрузки, плохими условиями подвода смазки и т. д.

Для подшипников жидкостного трения производят специальный расчет, основанный на гидродинамической теории смазывания.

Интенсивность изнашивания зависит от давления между цапфой и вкладышем, материалов, из которых они изготовлены, стойкости масляной пленки и долговечности сохранения смазывающих свойств масла.

Подшипники, работающие в условиях граничного трения, рассчитывают по условной методике. Во-первых, ограничивают среднее давление р_с между цапфой и вкладышем, что обеспечивает ограничение износа и невыдавливание смазки между рабочими поверхностями вкладыша подшипника и цапфы. Во-вторых, по произведению р_сv (v – окружная скорость вращения цапфы) пару «цапфа – вкладыш» рассчитывают на нагрев с тем, чтобы обеспечить нормальный тепловой режим работы подшипника. Произведение р_с∙v характеризует удельную мощность трения, поэтому при превышении допускаемого значения [р_сv] температура локально повышается настолько, что происходит разрыв масляного слоя, и, как следствие, схватывание поверхностей цапфы и вкладыша.

Одна из основных условностей расчета состоит в том, что давление считают равномерно распределенным по поверхности контакта цапфы и вкладыша, как показано на рис.12.1. Установить истинный закон распределения давлений практически невозможно, так как он зависит от большого числа факторов, в частности, от жесткости цапфы и вкладыша, погрешностей монтажа, режима эксплуатации и т. д.

одшипник4_7

Рис.12.1

Расчет по среднему давлению р_с гарантирует невыдавливаемость смазочного материала и представляет собой расчет на износостойкость, а расчет по p_сv обеспечивает нормальный тепловой режим и отсутствие заеданий.

Условие нормальной работоспособности подшипников скольжения и подпятников в условиях граничного трения:

p_c≤[p_c], (1)

p_cv≤[p_cv], (2)

где р_с — действительное среднее давление между цапфой и вкладышем (или пятой); v — окружная скорость цапфы; [р_с] — допускаемое давление и [p_cv] — допускаемое значение критерия (можно выбирать по табл. 1.1).

Если при расчете условия не выполняются, то необходимо изменить материал или ширину вкладыша и повторить расчет.

Условный расчет для подшипников, работающих в условиях граничного трения, является основным, его выполняют в большинстве случаев как проверочный, а для подшипников жидкостного трения — как ориентировочный.

Таблица 1.1. Допускаемые значения давления [р_с] и критерия [p_cv]

для подшипников скольжения и подпятников

Материал цапфы и вкладыша	[p_c], МПа	[p_cv]
Сталь по чугуну	2-4	1-3
Сталь по бронзе БрОбЦбСЗ	4-6	4-6
Сталь закаленная по бронзе БрА9Ж4	15-20	18-12
Сталь по антифрикционному чугуну АЧК-1, АЧК-2 при v = 0,2 м/с	9	1,8
То же, при и = 2 м/с	0,05	0,1
Сталь по антифрикционному чугуну АЧК-1, АЧК-2 при v = 1 м/с	12	12
То же, при v = 5 м/с	0,5	2,5
Сталь закаленная по баббиту	6-10	12-25

Среднее рабочее давление между цапфой и вкладышем (рис. 12.2) определяют по формуле

где F_r — радиальная нагрузка на подшипник; d — диаметр цапфы; l — длина цапфы; dl — проекция опорной поверхности на диаметральную плоскость.

Длину цапфы назначают в зависимости от диаметра вала l=𝜑d, где φ= 0,5…1,2 выбирают из опыта эксплуатации.

Рис. 12.2. Расчетная площадь смятия подшипника

Расчетная окружная скорость цапфы

где ω — угловая скорость цапфы; d — ее диаметр.

Среднее рабочее давление под пятой (рис. 7, б)

где F_a — осевая нагрузка; d и d₀ — диаметры пяты;

К = 0,8...0,9 — коэффициент, учитывающий уменьшение опорной поверхности из-за наличия смазочных канавок.

Расчетная окружная скорость вала

v=ω

где ω — заданная угловая скорость вала;

- приведенный радиус;

d и d₀ — диаметры пяты.

Тепловой расчет подшипников скольжения

Для современных быстроходных машин тепловой расчет подшипников имеет решающее значение. Расчет ведут на основе теплового баланса, т.е. приравнивание теплообразования в подшипнике к теплопередаче.

Теплообразование в подшипнике

Т.е. количество тепла, выделяющегося в подшипнике в единицу времени.

W=(W₁+W₂).

Теплоотдача происходит:

а) через корпус и вал;

б) через смазку, вытекающую из подшипника.

в) через корпус и вал.

W₁=K_T∙F∙(t_M-t₀), ккал/ч,

где F – свободная площадь подшипника,

K_T – коэффициент теплоотдачи.

K_T=6+10,

где V_𝛽 – скорость омывания корпуса воздухом. Наименьшее значение V_𝛽 = 1 м/с.

(t_M – t₀) избыточная t° подшипника.

б) теплоотвод через смазку, вытекающую из подшипника

где Q – объем масла, прокачиваемого через подшипник, л/мин;

ν – плотность масла, равная 0,87-0,89;

C – теплоемкость масла С = (0,4…0,5) ккал/кг

– температура масла на входе и выходе в подшипник.

Уравнение баланса

W=(W₁+W₂).

Температура подшипника должна быть не выше 60…75 ℃.

Приведённый вид расчёта обычно используется при проектировании опор с необеспеченным жидкостным трением либо является предварительным при проектировании опор жидкостного гидродинамического трения, параметры которых уточняются в последующем в процессе гидродинамического расчёта подшипника скольжения.

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

Без смазки между цапфой вала 1 (рис. 13, а) и вкладышем 2 имеет место металлический контакт, что при вращении вызывает большое повышение температуры и абразивный износ. Перегрев подшипника является основной причиной его разрушения, что связано с заеданием цапфы и выплавлением вкладыша. Для уменьшения трения и износа подшипники смазывают.

Виды трения скольжения:

Чистое трение. Может иметь место при полном отсутствии на трущихся поверхностях каких-либо примесей даже в виде адсорбированных молекул жидкостей или газов. Оно возможно только в вакууме после специальной подготовки поверхностей.

Сухое трение. Оно проявляется в том случае, если поверхности покрыты пленками окислов, адсорбированными молекулами жидкости или газов.

Граничное трение. Возникает при наличии между контактирующими поверхностями слоя смазки толщиной порядка 0,01 мкм и обладающей свойствами, отличными от её обычных объёмных свойств.

Смешанное трение. Существует в том случае, если на различных участках поверхности возникают различные виды трения. Это возможно, если h<R_z₁+R_z₂, где h – толщина слоя смазки , R_z₁, R_z₂ – высоты микронеровностей.

Жидкостное трение. Возникает между смазанными поверхностями, если h>R_z₁+R_z₂. Нагрузка передается между контактирующими телами только через слой смазки. В этом случае нет износа и ресурс практически неограничен.

Гидродинамический эффект

Основы гидродинамической теории смазки заложены русским ученым и инженером Николаем Павловичем Петровым в 1883 г. Основные математические решения получены позднее английским ученым Рейнольдсом.

При жидкостном трении взаимодействие между поверхностями трущихся тел уступает место взаимодействию между частицами смазки, то есть возникает внутреннее трение. Важнейшими характеристиками внутреннего трения являются липкость и вязкость.

Липкость – способность смазки образовывать граничные слои на поверхностях металлов.

Вязкость – свойство смазки сопротивляться сдвигающим силам. Она измеряется касательной силой, приходящейся на единицу площади одной из двух параллельных плоскостей, находящихся в смазке на единичном расстоянии друг от друга и двигающимися относительно друг друга с единичной скоростью.

Рассмотрим движение плоской пластины относительно неподвижной поверхности (рис.13.1). В случае ламинарного движения F=𝜏S, где S – площадь поверхности пластины; τ - касательное напряжение сдвига в слое смазки.

Ньютоном установлено, что

где μ - динамический коэффициент вязкости смазки, [Нс/м²] (является функцией температуры и давления), h – толщина слоя смазки.

Рис.13.1

Рассмотрим теперь движение наклонной пластины относительно неподвижной поверхности. При этом условимся, что смазка несжимаема и нет скольжения на границе жидкость – твердое тело.

Рассмотрим распределение скоростей в трех сечениях a, b, c (рис 13.2). Скорости жидкости в сечениях a, b и c у поверхности А одинаковы и равны V. В сечении c по мере движения от поверхности А к поверхности В связь между слоями смазки (за счет сил вязкости) ослабевает и эпюра скорости носит вогнутый характер. В сечении b толщина слоя смазки сократилась, и чтобы через него прошло то же количество смазки, необходимо, чтобы возросла её скорость, так как смазка несжимаема. Эпюра скорости носит здесь линейный характер. В сечении а толщина слоя смазки ещё более сократилась и по той же причине эпюра скорости должна носить выпуклый характер.

Рис.13.2

При затягивании смазки в клиновидный зазор в ней возникает гидродинамическое давление, распределение которого описывается уравнением Рейнольдса

где h₀ – толщина слоя смазки в месте, где dP/dx=0 .

Согласно этому уравнению эпюра давления имеет вид, показанный на рис.13.2. Это давление передается на ограничивающие смазочный слой твердые поверхности так, что одно из тел (тело А) как бы всплывает на смазочной пленке, чем полностью предотвращается непосредственное касание контактирующих тел.

Контактно – гидродинамическая теория смазки

Теорию контактно – гидродинамической смазки можно кратко определить как науку об изучении условий, в которых упругая деформация контактирующих тел играет существенную роль в гидродинамическом процессе смазки. В машиностроении много механизмов, где нагрузки передаются через сосредоточенные линейные или точечные контакты. Типичными примерами последних являются зубчатые передачи и подшипники качения.

Классическая гидродинамическая теория не позволяет объяснить, почему в самых жестких по уровню напряжений условиях должна существовать смазка, почему она способна противостоять таким давлениям. Однако если допустить зависимость вязкости от давления и упругую деформацию контактирующих твердых тел, то можно показать, что существует удовлетворительная смазка в таких условиях.

Рассмотрим схематично упругий линейный контакт (см. рис 13.3).

Рис.13.3

Здесь мы наблюдаем возникновение клиновидного зазора. Течение смазки в таком зазоре описывается уравнением Рейнольдса

В таком контакте возникают огромные давления и вязкость меняет свою величину по приближенному закону Баруса: μ=μ₀∙eⁿ, где μ₀ – динамический коэффициент при атмосферном давлении, n – пьезокоэффициент вязкости смазки.

При действии гидродинамического давления происходит деформация поверхностей и меняется форма зазора между ними. Как известно, зазор между двумя круговыми цилиндрами до деформации на узком участке с большой точностью можно представить в виде квадратной параболы (рис.13.4)

Рис.13.4

Деформацию поверхности (прогиб) можно описать выражением

где А – коэффициент пропорциональности, Е – модуль упругости.

Форма зазора после деформации описывается уравнением

где - приведенная кривизна контактирующих тел, x – координата точки, где определяется величина зазора.

Совместное решение уравнений (1) и (3) дает распределение толщины смазочного слоя и гидродинамического давления по площадке контакта, в виде представленном на рис 13.5.

Рис.13.5

Контактно-гидродинамическая теория смазки позволила объяснить наличие смазочной пленки достаточной толщины при значительных давлениях в условиях сосредоточенного линейного и точечного контактов. Она позволяет подбирать такие режимы трения, при которых возникает жидкостное трение.

Режимы работы подшипников скольжения

В момент пуска и при малой угловой скорости наблюдается режим граничной смазки, когда толщины масляной пленки не хватает для разделения поверхностей трения (рис. 14.1, а). Вращающийся вал, как насос, вовлекает масло в клиновой зазор между цапфой и вкладышем, который образуется за счет смещения центров О₁ и О₂ на величину радиального зазора δ = О₁О₂ (рис. 14.1, а). Из гидродинамической теории смазки (Петров Н.П., 1883г.) следует, что в сужающемся клиновом зазоре между сопряженными поверхностями при движении возникает избыточное гидродинамическое давление р (рис. 14.1, б), под действием которого вал всплывает. По мере увеличения скорости толщина слоя масла в зазоре увеличивается, но отдельные микронеровности трущихся поверхностей задевают друг друга. Такую работу подшипника характеризует режим полужидкостной смазки.

а) б) в)

Рис.14.1

При дальнейшем возрастании скорости ω и достижении ее критического ω_кр значения возникает устойчивый слой масла толщиной h_min> R_z₁ + R_z₂, (где R_z– максимальные шероховатости трущихся поверхностей), который полностью разделяет цапфу и вкладыш (режим жидкостного трения) и воспринимает нагрузку F_r. Вал смещается в сторону вращения (точка O₁′), образуя эксцентриситет e = О₁′О₂. При ω→∞, эксцентриситет e →0, но полного совпадения центров О₁ и О₂ быть не может, так как нарушится клиновая форма зазора, как одно из обязательных условий создания гидродинамического давления p.

Толщина h масляного слоя является функцией характеристики режима трения λ=μω/p, где ω = πn/30 – угловая скорость цапфы, с^-1; p = F_r /(dl) – условная нагрузка на подшипник, Па; μ – динамическая вязкость масла, Па∙с.

а) б) в)

Рис.14.2

На рис. 14.2, а показана зависимость коэффициента трения f от характеристики λ при различных режимах трения (кривая Герси-Штрибека).

На кривой различают зоны:

1. Граничное и полужидкостное трение (ω<ω_кр).

2. Режим жидкостного трения (ω≥ω_кр); f = 0,001…0,005.

3. Устойчивый режим жидкостного трения (ω>ω_кр); толщина h масляного слоя растет, но возрастает и коэффициент трения f за счет увеличения трения внутренних слоев вязкого масла (скорости v в слоях не равны – скольжение; рис. 14.2, б). В этом случае 𝜔 опережает рост толщины слоя h. Смазка в подшипник подводится по ходу вращения цапфы туда, где отсутствует давление р (зона 4 рис. 14.1, б). По длине l (рис. 14.1, в) масло распределяется с помощью смазочных канавок во вкладыше. По торцам подшипника имеется утечка масла, что снижает давление р на краях. Многие подшипники хорошо работают при смазке самотеком. Если самотека недостаточно, то масло подается под давлением насосом.

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

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.

Итак, условия образования режима жидкостного трения:

1. Наличие сужающегося клинового зазора (посадка с зазором).

2. Скорость ω вращения должна быть больше критической ω_кр.

3. Масло определенной вязкости μ должно непрерывно заполнять подшипник.

Подшипники скольжения, в которых несущий масляный слой создается вращением вала со скоростью ω> ω_кр, называют гидродинамическими. Их недостатками являются повышенный износ в режиме полужидкостного трения в периоды пуска и торможения (ω<ω_кр, p_гд <p) и наличие эксцентриситета е, вызывающего погрешность центрирования вала в опоре. В гидростатических подшипниках (рис. 14.2, в) режим жидкостного трения создается за счет подвода масла под цапфу вала от насоса с давлением p_гс > p в периоды до начала пуска и торможения. Вал разгоняется или останавливается на масляной подушке. Давление p_гс регулируется системой автоматики. Жидкостной режим не зависит от скорости ω.

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

Рассмотрим схему подшипника жидкостного трения. Вращающийся вал под действием внешней нагрузки F_r занимает в подшипнике эксцентричное положение, е - эксцентриситет. Масло увлекается в клиновидный зазор между валом и вкладышем и создает гидродинамическое давление, равнодействующая которого уравновешивает внешнюю нагрузку (рис. 14.3).

Рис.14.3

Решение уравнений гидродинамики позволило получить зависимость для радиальной нагрузки подшипника

где ω - угловая скорость цапфы;

𝜓=2𝛿/d – относительный зазор в подшипнике;

𝛿=(D-d)/2 – абсолютный зазор в подшипнике;

- коэффициент нагруженности подшипника.

Минимальный зазор в подшипнике равен

h_min=d -e=d(1-c), (5)

где χ=e/δ - относительный эксцентриситет.

Связь между C_F и χ имеет вид параболы (рис. 14.4).

Рис.14.4

Для заданных условий работы из формулы (4) находим C_F, а затем по графику (рис. 14.4) находим χ. Далее по формуле (5) находится h_min.

Условие безопасности работы

h_min> R_z₁+R_z₂, (6)

где R_z₁и R_z₂ – высоты микронеровностей цапфы и вкладыша.

Как правило, большинством из неизвестных параметров задаются, основываясь на рекомендациях, выработанных практикой, и затем проверяют запас надежности подшипника по режиму жидкостного трения.

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 трении 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.

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.14.5) т.е. h>R_z1+R_z2. При соблюдении этого условия не происходит непосредственного касания и изнашивания трущихся поверхностей. Несущая способность масляного слоя очень высока, и он воспринимает передаваемую нагрузку. Сопротивление вращению подшипника в этом случае определяется только внутренним трением в смазочном материале, а коэффициент трения f = 0,001... 0,005.

Рис. 14.5. Масляный слой при установившемся режиме работы

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

где N – сила нормального давления вала на втулку (реакция опоры) (рис.15), l - рабочая длина втулки подшипника, d – диаметр цапфы вала.

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.

Рис.15

Следует отметить, что в подшипнике с изменением частоты его вращения или нагрузки изменяются и режимы трения: полужидкостное трение становится жидкостным и наоборот.

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

Сухое трение применяется там, где трущиеся поверхности нельзя защитить от попадания грязи, пыли и абразива, (например, шарниры гусениц, оси подвесок гусеничных машин и проч.).

Проектировочный расчет подшипников скольжения жидкостной смазки

Заданными являются: нагрузка на опору R, а частота вращения вала n об/с, диаметр вала d. Отношением l/d обычно задаются (в пределах 0,8-1,0, нормальная длина).

Задача сводится к нахождению относительного зазора ψ, обеспечивающего наиболее надежную работу подшипника. С этой целью определяют характеристику режима:

где η – динамическая вязкость масла, Па∙с;

n – частота вращения вала, об/с;

Р – удельная нагрузка на материал вкладыша, Па (Р = R/l∙ d).

Величину оптимального зазора ψ находят по специальным графикам, или по формуле

где Δ – диаметральный зазор.

Валы устанавливают в подшипниках по посадкам:

– средний относительный зазор.

m – постоянная, зависящая от посадки

Посадка	с8	d8	e8	f7
m	23	17	12	7,5

Величина коэффициента трения при жидкостной смазке находится в пределах 0,001…0,005. При неблагоприятных условиях (высокая вязкость масла, большие окружные скорости, малые зазоры) коэффициент трения возрастает до 0,01…0,03. У подшипников, работающих в условиях граничной смазки коэффициент трения достигает значений 0,1…0,2.

Подшипники качения. Общие сведения. Классификация и область применения

Подшипники качения, как и подшипники скольжения, предназначены для поддержания вращающихся осей и валов.

Подшипники качения – это опоры вращающихся или качающихся деталей, использующие элементы качения (шарики или ролики) и работающие на основе трения качения.

Электродвигатели, подъемно-транспортные и сельскохозяйственные машины, летательные аппараты, локомотивы, вагоны, металлорежущие станки, зубчатые редукторы и многие другие механизмы и машины в настоящее время немыслимы без подшипников качения. В настоящее время подшипники качения являются основным видом опор в машиностроении. Это самые массовые стандартизованные изделия в мире. Их изготовляют на специализированных подшипниковых заводах с наружным диаметром 1,0... 2600 мм и массой 0,5 г… 3500 кг. Самый большой подшипник качения имеет наружный диаметр – 14 м, внутренний – 12 м и массу – 130 тонн. Отечественная промышленность производит свыше 15 тыс. типоразмеров подшипников с внутренними посадочными диаметрами от 0,5 мм до 2 м и более общим количеством до миллиарда штук ежегодно.

Подшипник качения имеет, как правило, более сложную конструкцию в сравнении с подшипником скольжения и, в подавляющем большинстве случаев, является готовым (то есть изготовленным на специализированном предприятии) изделием, устанавливаемым в механизм или машину без какой-либо дополнительной доработки.

Подшипники качения состоят из двух колец — внутреннего 1 и наружного 3, имеющих дорожки качения, тел качения 2 (шариков, роликов или иголок) и сепаратора 4, разделяющего тела качения (рис. 16, а). Однако при необходимости снижения радиальных габаритов подшипниковых узлов одно или оба кольца подшипников, а также сепаратор могут отсутствовать. В этом случае тела качения катятся непосредственно по канавкам (дорожкам качения) вала или корпуса. В зависимости от_: формы тел качения различают подшипники шариковые (рис. 16, д, б, ж, и) и роликовые (рис. 16, в, г, е, з, к). Разновидностью роликовых подшипников являются игольчатые подшипники (рис. 16, д).

Основными элементами подшипников качения являются тела качения — шарики или ролики, установленные между кольцами и удерживаемые сепаратором на определенном расстоянии друг от друга.

Роликовые тела качения бывают короткие l/d = 1…1,25, длинные l/d = 2…2,5, игольчатые l/d = 10…20.

Внутреннее кольцо устанавливают на валу (оси), а наружное - в корпусе. Таким образом, цапфа вала и корпус разделяются телами качения. Это позволяет заменить трение скольжения трением качения и существенно снизить коэффициент трения. Основные стандартные размеры подшипника: d и D - внутренний и наружный диаметры; В - ширина колец.

Размеры подшипника - внутренний d и наружный D диаметры, ширина B (высота H) и радиусы r фасок колец - установлены ГОСТ 3478-79. Подшипники качения в диапазоне внутренних диаметров 3…10 мм стандартизованы через 1 мм, до 20 мм – через 2…3 мм, до 110 мм – через 5 мм.

Подшипниковые узлы, кроме подшипников качения, имеют корпус с крышками, устройства для крепления колец, защитные и смазочные устройства.

Материалы подшипников качения.

Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения. Здесь используются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А. Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60...65, а у шариков немного больше – HRC 62... 66, поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс. Сепараторы высокоскоростных подшипников называют массивными и выполняют из текстолита, фторпласта, латуни, бронзы с предпочтительным центрированием их по наружному кольцу ПК.

В особых условиях хорошо зарекомендовали себя керамические подшипники из нитрида кремния Si₃N₄ (E = 3,1∙10⁵ МПа; ρ = 3,2 г/см³; Н = 80 HRC; t° до 1200°С; α_t в 4 раза меньше, чем у стали). Но материал очень хрупкий. Практика показала, что лучше иметь комбинированные ПК: стальные кольца и керамические тела качения.

Для обеспечения нормальной и долговечной работы подшипников качения к качеству их изготовления и термической обработке тел качения и колец предъявляют высокие требования.

Подшипники качения в отличие от подшипников скольжения стандартизованы. Подшипники качения различных конструкций (диапазон наружных диаметров 1,0-2600 мм, масса 0,5-3,5 т, например, микроподшипники с шариками диаметром 0,35 мм и подшипники с шариками диаметром 203 мм) изготовляют на специализированных подшипниковых заводах.

Классификация подшипников качения.

Выпускаемые в СНГ подшипники качения классифицируют по направлению воспринимаемой нагрузки, в соответствии с ГОСТ3395-75 — радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные.

Рис. 16. Подшипники качения: а, б, в, г, д, е — радиальные подшипники; ж, з — радиально-упорные подшипники;

и, к — упорные подшипники; 1 — внутреннее кольцо; 2 — тело качения; 3 — наружное кольцо; 4— сепаратор

Радиальные подшипники (см. рис. 16, а-е) воспринимают (в основном) радиальную нагрузку, т. е. нагрузку, направленную перпендикулярно к геометрической оси вала.

Упорные подшипники (см. рис. 16, и, к) воспринимают только осевую нагрузку.

Радиально-упорные (см. рис. 16, ж, з) и упорно-радиальные подшипники могут одновременно воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузку. При этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.

В зависимости от соотношения радиальных габаритных размеров (рис.16.1) наружного и внутреннего диаметров подшипники делят на серии (7 серии, при d – const, D – var): сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю, тяжелую, легкую широкую, среднюю широкую. Основное распространение имеют легкие и средние узкие серии.

rdm85r17t3

Рис. 16.1. Размерные серии подшипников качения: а- особо легкая; б –легкая;

в – легкая широкая; г- средняя; д – средняя широкая; е -тяжелая

по ширине (5 серии, при d и D – const, B(T) – var): особоузкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие.

В зависимости от серии при одном и том же внутреннем диаметре кольца подшипника наружный диаметр кольца и его ширина изменяются.

Точность подшипников качения определяется:

а) точностью основных размеров;

б) точность вращения.

Точность основных размеров определяется отклонениями размеров внутреннего и наружного диаметров и ширины кольца. Отклонения размеров диаметров определяет характер посадки.

Точность вращения характеризуется радиальным и боковым биением дорожки качения. В РФ подшипники качения выпускаются следующих классов в порядке возрастания точности:

По классам точности подшипники различают следующим образом (по ГОСТ 520-89):

"0" – нормального класса (радиальное биение внутреннего кольца 20 мкм);

"6" – повышенной точности (радиальное биение внутреннего кольца 10 мкм);

"5" – высокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 5 мкм);

"4" – особовысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 3 мкм);

"2" – сверхвысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 2,5 мкм);

8 и 7 – грубые ниже 0;

6Х – только для роликовых конических подшипников.

При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже". Для иллюстрации соотношения точности подшипников разных классов и их стоимости ниже приведены максимальные величины радиальных биений внутренних колец подшипников с посадочными диаметрами 50…80 мм и относительная стоимость подшипников.

Класс точности	0	6	5	4	2
Биение, мкм	20	10	5	4	2,5
Относительная стоимость	1	1,3	2	4	10

В связи с тем, что при повышении точности изготовления подшипников резко возрастает их стоимость, для большинства редукторов общего назначения применяют подшипники 0 класса точности.

Подшипники более высоких классов точности назначают для валов, требующих особой точности вращения (шпинделей металлорежущих станков, валов и осей приборов и т.п.), или при наличии жестких требований к уровню их шума.

По форме тел качения подшипники делят на шариковые (см. рис. 16, а, б, ж, и), с цилиндрическими роликами (см. рис. 16, в), с коническими роликами (см. рис. 16, з, к), игольчатые (см. рис. 16, д), с витыми роликами (см. рис. 16, е), с бочкообразными роликами (сферическими) (см. рис. 16, г). Тела качения игольчатых подшипников тонкие ролики — иглы диаметром 1,6—5 мм. Длина игл в 5—10 раз больше их диаметра. Сепараторы в игольчатых подшипниках отсутствуют.

По числу рядов тел качения различают однорядные (см. рис. 16, а, в, д—к) (имеющие основное применение), двухрядные (см. рис. 16, б, г), четырехрядные, многорядные подшипники качения.

По конструктивным и эксплуатационным признакам подшипники делят на самоустанавливающиеся (тип 1000 – шариковые; тип 3000 – роликовые) (см. рис. 16, б, г) ), допускающие перекос валов на опорах до 2-3°, и несамоустанавливающиеся (все шарико- и роликоподшипники, кроме сферических) (см. рис. 16, а, в, д—к).

По способу изготовления сепараторов различают подшипники со штампованными и литыми сепараторами.

По конструктивным особенностям (с контактным уплотнением, с защитной шайбой, с фланцем на наружном кольце и т.д.).

В зависимости от требований по уровню вибрации, шума и других дополнительных требований установлено три категории ПК: A (самая высокая), B и C. Также введены дополнительные ряды радиальных зазоров и ряды моментов трения.

Обозначение подшипников качения

Под типом подшипника понимают его конструктивную разновидность, определяемую по признакам классификации.

Каждый подшипник качения имеет условное клеймо, обозначающее тип, размер, класс точности, завод-изготовитель.

На неразъемные подшипники клеймо наносят на одно из колец, на разборные — на оба кольца, например, на радиальный подшипник с короткими цилиндрическими роликами (см. рис. 16, в), где наружное кольцо без бортов и свободно снимается, а внутреннее кольцо с бортами составляет комплект с сепаратором и роликами.

На один и тот же диаметр шейки вала предусматривается несколько серий подшипников, которые отличаются размерами колец и тел качения и соответственно величиной воспринимаемых нагрузок.

В пределах каждой серии подшипники равных типов взаимозаменяемы в мировом масштабе. В стандартах указываются: номер подшипника, размеры, вес, предельное число оборотов, статическая нагрузка и коэффициент работоспособности.

Подшипники имеют условные обозначения, составленные из цифр и букв (ГОСТ 3189-89). Условные обозначения разделяют на основное и дополнительное.

Основное условное обозначение подшипника характеризует его размер внутреннего диаметра, серию, тип и конструктивные разновидности. Очерёдность знаков в основном обозначении - справа налево.

Первая и вторая цифры справа условно обозначают его номинальный внутренний диаметр d (диаметр вала). Для определения истинного размера d (в миллиметрах) необходимо указанные две цифры умножить на пять. Например, подшипник ...04 имеет внутренний диаметр 04∙5 = 20 мм. Это правило распространяется на подшипники с цифрами ...04 и выше, до ...99, т. е. для подшипников с внутренним посадочным диаметром 20≤d<500 мм. Подшипники с цифрами... 00 имеют d- 10 мм; ...01 d= 12 мм; ...02 d= 15 мм; ...03 d= 17 мм.

Третья цифра справа обозначает серию подшипника, определяя его наружный диаметр D: сверхлегкая (цифры обозначения 8; 9), особолегкая (1; 7), легкая (2 или 5), средняя (3 или 6) и тяжелая (4), а по ширине B - особоузкая (8), узкая (0; 7), нормальная (1), широкая (2), особоширокая (3; 4; 5; 6). На практике наибольшее распространение имеют подшипники легкой и средней серий. На рис. 16.2 приведены сравнительные параметры подшипников некоторых типов и серий для номинального внутреннего диаметра d = 80 мм.

Рис.16.2. Сравнительные параметры подшипников различных типов и серий при внутреннем диаметре d=80 мм:

1–масса m; 2–динамическая грузоподъемность С_r;3–предельная частота вращения n

Четвертая цифра справа обозначает тип подшипника. Если эта цифра 0, то это означает, что подшипник радиальный шариковый однорядный; шариковый однорядный (если левее 0 нет цифр, то 0 не указывают); 0 – радиальный шариковый; 1 — радиальный шариковый двухрядный сферический; 2 — радиальный с короткими цилиндрическими роликами; 3 — радиальный роликовый двухрядный сферический; 4 — игольчатый или роликовый с длинными цилиндрическими роликами; 5 — радиальный с витыми роликами; 6 — радиально-упорный шариковый; 7 — роликовый конический (радиально-упорный); 8 — упорный шариковый; 9 — упорный роликовый.

Так, например, подшипник 7208 является роликовым коническим.

Пятая и шестая цифры справа характеризуют конструктивные особенности подшипника, так называемое «исполнение» подшипника, не влияющие на основные характеристики (ГОСТ 3395-89) (неразборный, с защитной шайбой, с закрепительной втулкой, величину угла контакта α, наличие стопорной канавки на наружном кольце, наличие уплотнений с заложенной смазкой, наличие канавки на наружном кольце шарикоподшипника, предназначенной для стопорного пружинного кольца, на наличие встроенных уплотнений и т.п.).

Например:

50312 — радиальный однорядный шарикоподшипник средней серии со стопорной канавкой на наружном кольце;

150312 — тот же подшипник с защитной шайбой;

36312 — радиально-упорный шариковый однорядный подшипник средней серии, неразборный.

60 205 – подшипник шариковый (0 – четвертая цифра) радиальный однорядный с одной защитной шайбой (6) – пятая цифра. Внутренний диаметр d = 05×5 = 25 мм. Цифры 6, 5, 4, 2, которые ставятся перед обозначением через тире (5-60205) обозначающий класс точности. Нормальный класс точности обозначается цифрой «0», которая не указывается.

Седьмая цифра справа характеризует серию подшипника по ширине.

ГОСТом установлены следующие классы точности подшипников качения: 0 — нормальный класс (как правило, 0 в обозначении не указывают); 6 — повышенный; 5 — высокий, 4 — особо высокий, 2 — сверхвысокий. Цифру, обозначающую класс точности, ставят слева от условного обозначения подшипника и отделяют от него знаком тире; например, 206 означает шариковый радиальный подшипник легкой серии с номинальным диаметром 30 мм, класса точности 0.

Кроме цифр основного обозначения слева и справа от него могут дополнительные буквенные или цифровые знаки, характеризующие специальные условия изготовления данного подшипника.

Дополнительное условное обозначение проставляют слева и справа от основного условного обозначения. Так, класс точности маркируют цифрой слева через тире от основного обозначения. В порядке повышения точности классы точности обозначают: 0, 6, 5, 4, 2. Класс точности, обозначаемой цифрой 0 и соответствующей нормальной точности, не проставляют, так как это позволяет сократить обозначения для часто употребляемых подшипников. В общим машиностроение применяют подшипники классов 0 и 6. В изделиях высокой точности или работающей высокой частотой вращения (шпиндельные узлы скоростных станков, высокооборотный электродвигатели и др.) применяют подшипники класса 5 и 4. подшипники класса точности 2 используют в гироскопических приборах. Помимо приведенных выше имеются и дополнительные (более высокие и более низкие) классы точности.

Так, например, подшипник 7208 — класса точности 0.

Диаметральный зазор подшипника обозначают номером ряда и указывают перед классом точности подшипника.

Дополнительное обозначение справа от основного характеризует повышенную грузоподъёмность, изменения металла колец и сепаратора, температуру отпуска деталей, марку смазки в подшипниках закрытого типа и другие специальные технические требования (ГОСТ 590-89) и помещают (слитно с основной частью) буквенно-цифровую маркировку. Например, у подшипников закрытого типа, заполненных смазочным материалом, отличным от ЦИАТИМ-201, справа помещают следующее дополнительное обозначение: С2 – если применяется ЦИАТИМ-221; С5 – ЦИАТИМ 202; С17 – Литол-24.

Более подробно расшифровка символов маркировки подшипников приводится, например, в каталоге подшипников НИИАВТОПРОМа.

Пример обозначения: 3-5-180109-С17 – подшипник шариковый радиальный однорядный с d = 45 мм, где 09 - внутренний диаметр; 1 - серия диаметра D; 0 - тип подшипника; 18 - конструктивная разновидность; 3 - номер ряда диаметрального (радиального) зазора; 5 - класс точности; С17 - пластичный смазочный материал ЛИТОЛ-24.

В зависимости от наличия дополнительных требований к уровню вибраций, отклонениям формы и расположения поверхностей качения, моменту трения и др. установлены три категории подшипников: А — повышенные регламентированные нормы; В — регламентированные нормы; С — без дополнительных требований.

Возможные знаки справа от основного обозначения:

все или часть деталей из коррозионно-стойкой стали — Ю;

детали подшипников из теплостойких сталей — Р;

сепаратор из черных металлов — Г;

сепаратор из пластических материалов — Е;

специальные требования к подшипнику по шуму — Ш;

подшипник закрытого типа при заполнении смазочным материалом ЦИАТИМ-221 – С1.

температура отпуска колец – Т (при t=200°С); Т1 (при t=255°С) и т.д.

Примеры обозначений подшипников:

305 – подшипник с внутренним посадочным диаметром d=25 мм, средней серии, радиальный шариковый однорядный, без конструктивных особенностей, нулевого класса точности, с диаметральным зазором по основному ряду, из обычных подшипниковых сталей, без специальных требований;

311 — подшипник шариковый радиальный однорядный, средней серии диаметров 3, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 55 мм, основной конструкции (см. рис. 14.5, а), класса точности 0;

67210 – подшипник с внутренним посадочным диаметром d=50 мм, легкой серии, радиально-упорный роликовый однорядный с наружным кольцом, имеющим упорный борт, нулевого класса точности, с диаметральным зазором по основному ряду, из обычных подшипниковых сталей, без специальных требований;

6-206 — подшипник шариковый радиальный однорядный, внутренний диаметр d = 30 мм (06 х 5): легкой серии: класс точности — 6:

2311 — подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами: внутренний диаметр d = 55 мм (11 х 5); средней узкой серии; класс точности — 0.

6-36209 — подшипник шариковый радиально-упорный однорядный, легкой серии диаметров 2, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 45 мм, с углом контакта а = 12°, класса точности 6;

4-12210 — подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами, легкой серии диаметров 2, серии ширин 0, с внутренним диаметром d = 50 мм, с одним бортом на наружном кольце (см. рис. 14.9, б), класса точности 4;

4-3003124Р — подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный особолегкой серии диаметров 1, серии ширин 3, с внутренним диаметром d=120 мм, основной конструкции (см. рис. 14.8), класса точности 4, детали подшипника изготовлены из теплостойких сталей;

3-0-180209С17 – подшипник с внутренним посадочным диаметром d=45 мм, легкой серии, радиальный шариковый однорядный, со встроенными двухсторонними уплотнениями, заполненный смазочным материалом Литол-24, из обычных подшипниковых сталей, без специальных требований, нулевого класса точности, с диаметральным зазором по 3-у дополнительному ряду.

6-7310А: радиально-упорный роликовый конический (7) повышенной грузоподъемности (А) средней узкой серии (3) диаметром d = 50мм (10) 6-го класса точности;

А75-180208С17Ш2: радиальный шариковый (0) однорядный с двусторонним уплотнением (18) и постоянной смазкой “Литол-24” (С17) со специальными требованиями по шуму (Ш2) легкой узкой серии (2) диаметром d = 40 мм (08), 5-го класса точности категории А с радиальным зазором по 7-му ряду.

Характеристики подшипников качения

Наибольшее распространение получили шариковые радиальные однорядные подшипники (см. рис. 16, а). Шариковый однорядный радиальный (тип 0000) является базовым для сравнения с ним других типов; это наиболее быстроходный и дешевый подшипник, но с меньшей грузоподъемностью. Эти подшипники допускают сравнительно большую угловую скорость, особенно с сепараторами из цветных металлов или из пластмасс, допускают небольшие перекосы вала (от 15' до 30') и могут воспринимать незначительные осевые нагрузки. Допустимая осевая нагрузка для радиальных несамоустанавливающихся подшипников не должна превышать 70% от неиспользованной радиальной грузоподъемности подшипника. По сравнению с подшипниками других типов имеют минимальные потери на трение; фиксируют положение вала относительно корпуса в двух осевых направлениях. Радиальные однорядные шарикоподшипники с двумя защитными шайбами заполняются на заводе-изготовителе пластичным смазочным материалом и в дополнительном смазывании не нуждаются.

Роликовые радиальные подшипники с короткими роликами (см. рис. 16, в) (типы 2000, 32000, 52000 – без бортов на том или ином кольце) по сравнению с аналогичными по габаритным размерам шарикоподшипниками обладают увеличенной грузоподъемностью, хорошо выдерживают ударные нагрузки. Однако они совершенно не воспринимают осевых нагрузок и не допускают перекоса вала (ролики начинают работать кромками, и подшипники быстро выходят из строя). Нагрузочная способность таких подшипников по сравнению с однорядными шариковыми больше примерно в 1,5 раза, а долговечность в 3,5 раза. Конструктивные разновидности этих подшипников зависят от наличия и расположения бортов на наружных и внутренних кольцах. Подшипники без бортов на наружном или внутренних кольцах дают возможность валу перемешаться относительно корпуса в осевом направлении (также подшипники широко используются как плавающие опоры).

Роликовые радиальные подшипники с витыми роликами (см. рис. 16, е) применяют при радиальных нагрузках ударного действия; удары смягчаются податливостью витых роликов. Эти подшипники менее требовательны к точности сборки и к защите от загрязнений, имеют незначительные радиальные габаритные размеры.

Игольчатые подшипники (см. рис. 16, д) (тип 4000) отличаются малыми радиальными габаритными размерами, находят применение в тихоходных (до 5 м/с) и тяжелонагруженных узлах, так как выдерживают большие радиальные нагрузки. В настоящее время их широко используют для замены подшипников скольжения. Эти подшипники воспринимают только радиальные нагрузки и не допускают перекоса валов. Для максимального уменьшения размеров применяют подшипники в виде комплекта игл, непосредственно опирающихся на вал, с одним наружным кольцом.

Самоустанавливающиеся радиальные двухрядные сферические шариковые (рис. 16, б) и роликовые (см. рис. 16, г) подшипники применяют в тех случаях, когда перекос колец подшипников может составлять до 2—3°. Эти подшипники допускают незначительную осевую нагрузку (порядка 20% от неиспользованной радиальной) и осевую фиксацию вала. Подшипники имеют высокие эксплуатационные показатели, но они дороже, чем однорядные.

Конические роликоподшипники (см. рис. 16, з) находят применение в узлах, где действуют одновременно радиальные и односторонние осевые нагрузки. Эти подшипники могут воспринимать также и ударные нагрузки. Радиальная грузоподъемность их в среднем почти в 2 раза выше, чем у радиальных однорядных шарикоподшипников. При чисто радиальной нагрузке в подшипнике возникает осевая составляющая, которую компенсируют осевой нагрузкой противоположного направления: поэтому для фиксации вала в обе стороны подшипники устанавливают попарно. Подшипники допускают регулирование осевой игры и радиального зазора; перекос вала относительно оси конуса недопустим. Их рекомендуется устанавливать при средних и низких угловых скоростях вала (до 15 м/с).

Аналогичное использование имеют радиально-упорные шарикоподшипники (см. рис. 16, ж), применяемые при средних и высоких угловых скоростях. Радиальная грузоподъемность у этих подшипников на 30—40% больше, чем у радиальных однорядных. Их выполняют разъемными со съемным наружным кольцом и неразъемными.

Шариковые и роликовые упорные подшипники (см. рис. 16, и. к) предназначены для восприятия односторонних осевых нагрузок. Применяются при сравнительно невысоких угловых скоростях, главным образом на вертикальных валах. Упорные подшипники радиальную нагрузку не воспринимают. При необходимости установки упорных подшипников в узлах, где действуют не только осевые, но и радиальные нагрузки, следует дополнительно устанавливать радиальные подшипники. Подшипники очень чувствительны к несоосности и перекосам осей; их не следует устанавливать в опорах горизонтальных валов, имеющих высокие частоты вращения, так как под действием центробежных сил шарики могут выйти из беговых дорожек, при этом возрастает сила трения, увеличивается нагрев.

В некоторых конструкциях, где приходится бороться за уменьшение радиальных габаритов, применяются т.н. "бескольцевые" подшипники, когда тела качения установлены непосредственно между валом и корпусом. Однако нетрудно догадаться, что такие конструкции требуют сложной, индивидуальной, а, следовательно, и дорогой сборки-разборки.

Достоинства и недостатки подшипников качения

Достоинства подшипников качения:

- низкое трение, низкий нагрев;

- значительно (5…10 раз) меньшие пусковые моменты;

- высокий КПД (до 0,995);

- экономия смазки;

- высокий уровень стандартизации;

- небольшие габариты в осевом направлении;

- невысокая стоимость вследствие массового производства;

- менее жесткие требования к материалу, термообработке и качеству поверхностей валов и посадочных отверстий корпусов, а также по уходу за подшипниковыми узлами в процессе эксплуатации машин;

- высокая степень взаимозаменяемости;

- экономия дорогих антифрикционных материалов и цветных металлов.

Недостатки подшипников качения:

- высокие контактные напряжения, и поэтому ограниченный срок службы;

- большие радиальные габариты и вес;

- высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;

- малая надежность в высокоскоростных приводах;

- большая чувствительность к ударным нагрузкам вследствие большой жесткости конструкции;

- повышенный шум при больших оборотах;

- ненадежность при работе в агрессивных средах (например, в воде);

- слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения;

- ограничение срока службы, особенно при больших скоростях и нагрузках. Это вызвано возникновением высоких контактных напряжений, вызывающих усталостное выкрашивание колец и тел качения;

- большое рассеивание сроков службы в каждой партии подшипников при одинаковых нагрузках и скоростях;

- нерентабельность мелкосерийного и штучного производства;

- высокая жесткость, то есть неспособность воспринимать ударные нагрузки;

- меньшая способность гасить колебания.

Стоимость подшипников зависит не только от их класса точности, но и от массовости их выпуска, размеров, сложности конструкции, типа сепаратора. Например, по сравнению со стоимостью радиальных однорядных шарикоподшипников:

- сферические шарикоподшипники с таким же внутренним посадочным диаметром имеют примерно ту же стоимость;

- сферические роликоподшипники – дороже более чем в 2 раза;

- упорные шарикоподшипники – на 12…15% дешевле;

- шариковые с латунным сепаратором в 2…2,5 раза дороже (из-за стоимости сепаратора и ограниченного выпуска);

- радиально-упорные роликовые – на 35…70% дороже;

- радиальные подшипники с цилиндрическими роликами и стальными сепараторами – в 1,2…1,6 раза дороже (в связи с малым выпуском).

Однако необходимо заметить, что габариты подшипников (следовательно, и стоимость) в значительной степени зависят от их динамической грузоподъемности (рис. 16.3).

К399

Рис. 16.3. Сравнительная оценка габаритов подшипников различных типов с одинаковой грузоподъемностью

Поэтому соотношения стоимости подшипников, отнесенные к их динамической грузоподъемности, будут совсем иные. В этом случае самыми дешевыми оказываются радиально-упорные роликовые подшипники, а наиболее дорогими – радиально-упорные шариковые.

Общие тенденции развития конструкций подшипниковых узлов следующие:

- Для слабонагруженных подшипниковых узлов применяют радиальные однорядные шариковые подшипники (как наиболее дешевые).

- Расширяется применение радиально-упорных подшипников в узлах с осевыми нагрузками.

- Расширяется применение роликовых подшипников, что связано, в свою очередь, с тенденцией повышения жесткости машин.

- Расширяется применение подшипников качения в специальных областях благодаря выпуску антимагнитных, коррозионностойких, жаростойких, малошумных и других специальных подшипников.

- Расширение области применения роликовых подшипников, что связано с общим повышением точности изготовления и жесткости элементов машин;

- Расширение применения радиально-упорных подшипников, что обусловлено повышением быстроходности валов машин и неудовлетворительной работой шариковых и роликовых подпятников при больших скоростях вращения;

- Расширение применения подшипников качения в специфических условиях эксплуатации благодаря выпуску антимагнитных, антикоррозийных, термостойких, малошумных и других видов подшипников;

- Облегчение эксплуатации и встраиваемости подшипников в узлах машин применением подшипников герметизированных, самосмазывающихся, с упорными бортами и др.

- Изготовление подшипниковой промышленностью целых подшипниковых узлов.

Сравнительная характеристика подшипников качения и скольжения

При проектировании узла вал—подшипник перед конструктором стоит задача выбора типа опоры скольжения или качения. При возможности обеспечения жидкостного режима смазывания в узле можно рекомендовать опоры с подшипниками скольжения, имеющими следующие преимущества по сравнению с подшипниками качения: простота конструкции и компоновки; незначительные габаритные размеры; способность выдерживать большие радиальные и ударные нагрузки; возможность ремонта и низкая стоимость подшипника скольжения, особенно при больших диаметрах; значительно меньшие потери на трение в пусковые моменты; большая надежность против заедания и пожарная безопасность; возможность безаварийной работы при кратковременных перебоях с подачей смазки. Увеличение угловой скорости вала, имеющего подшипники качения, резко снижает их долговечность. Вследствие малой площади поверхности рабочих элементов подшипников качения эти опоры называются более жесткими, что является одной из причин шума, а иногда и вибрации узла, особенно при больших угловых скоростях.

Кольца подшипников качения — цельные (неразъемные). Это делает их непригодными в некоторых случаях, например, для установки на коленчатые валы.

Заменить подшипники скольжения 1, 2 (рис. 17) на подшипники качения нельзя. Кольца подшипников качения — цельные (неразъемные). Это делает их непригодными для монтажа в некоторых случаях, например, на шатунных и коренных (промежуточных) шейках неразборных коленчатых валов и др

Рис. 17. Установка подшипников на коленчатом валу

Замена подшипника скольжения 3 на игольчатый подшипник принципиально возможна. Игольчатый подшипник имеет меньший наружный диаметр, чем шариковые и роликовые подшипники, и выдерживает большие ударные нагрузки. При установке пальца шатуна 4 с высокой поверхностной прочностью можно использовать игольчатый подшипник без внутренней обоймы. Это позволит уменьшить габаритные размеры подшипникового узла.

По сравнению с подшипниками качения подшипники скольжения требуют повышенного расхода смазочного материала, который должен поступать непрерывно, так как иначе происходит быстрый нагрев и заклинивание подшипникового узла.

Подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения требуют, как правило, меньшего расхода энергии, удобнее в эксплуатации, не требуют постоянного ухода (смазывание их производится периодически), имеют незначительный рабочий радиальный зазор, большая несущая способность на единицу ширины подшипника; значительно меньший расход цветных материалов; более высокая точность и меньшая стоимость вследствие стандартизации и централизованного массового производства; большая надежность против заедания и пожарная безопасность (устранение горения букс вагонов при переходе на роликоподшипники).

Вследствие незначительной ширины колец подшипников качения достигается компактность узла, что важно при стесненных габаритных размерах в осевом направлении. По этим и многим другим причинам подшипники качения имеют самое широкое применение в современном машиностроении, и в большинстве случаев они вытеснили подшипники скольжения.

Виды разрушения подшипников качения и критерии работоспособности

Главная особенность динамики подшипника – знакопеременные нагрузки.

Основные причины потери работоспособности подшипников качения следующие:

1) Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и дорожек качения колец в виде раковин или отслаивания (шелушения) вследствие циклического контактного нагружения. Циклическое перекатывание тел качения может привести к появлению усталостной микротрещины. Постоянно прокатывающиеся тела качения вдавливают в эту микротрещину смазку. Пульсирующее давление смазки расширяет и расшатывает микротрещину, приводя к усталостному выкрашиванию и, в конце концов, к поломке кольца. Чаще всего ломается внутреннее кольцо, т.к. оно меньше наружного и там, следовательно, выше удельные нагрузки. Усталостное выкрашивание является основным видом разрушения подшипников при хорошем смазывании и защите от попадания абразивных частиц. Обычно наблюдается после длительной работы и сопровождается повышенным шумом и вибрациями.

2) Смятие рабочих поверхностей дорожек и тел качения (образование лунок и вмятин) вследствие местных пластических деформаций под действием ударных или больших статических нагрузок.

3) Задиры рабочих поверхностей качения при недостаточном смазывании или слишком малых зазорах из-за неправильного монтажа.

4) Абразивное изнашивание вследствие плохой защиты подшипника от попадания абразивных частиц (строительные, дорожные, сельскохозяйственные машины, ткацкие станки). Совершенствованием конструкций уплотнений подшипниковых узлов можно уменьшить износ рабочих поверхностей подшипника.

5) Разрушение сепараторов от действия центробежных сил и воздействия на сепаратор разноразмерных тел качения. Этот вид разрушение является основной причиной потери работоспособности быстроходных подшипников.

6) Разрушение колец и тел качения из-за перекосов колец при монтаже или действия больших динамических нагрузок (скалывание бортов, раскалывание колец и др.).

Внешними признаками потери работоспособности подшипниками качения являются повышенный шум при работе механизма, перегрев подшипникового узла (увеличение потерь мощности в подшипниковом узле), излишние люфты, то есть потеря точности вращения валов. Внешними признаками усталостного выкрашивания являются появление зеркальных частичек в смазочной жидкости, повышенная шумность в процессе работы механизма, чрезмерная вибрация валов при вращении.

Критерии работоспособности. Основными критериями работоспособности подшипников качения являются долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.

Расчет на долговечность выполняют для подшипников, вращающихся с частотой вращения n > 10 мин^-1. Невращающиеся подшипники или медленно вращающиеся (с частотой вращения n < 10 мин^-1) рассчитывают на статическую грузоподъемность.

Контактные напряжения в деталях подшипников качения

Из формулы Герца - Беляева следует

Значит, точка a (рис. 17.1) внутреннего кольца будет нагружена больше, чем точка b наружного кольца, так как в точке а шарик соприкасается с выпуклой, а в точке b с вогнутой поверхностью.

Рис.17.1

Рассмотрим изменение циклов напряжений на внешнем и внутреннем кольцах без учета сил инерции (рис. 17.2). Вращается внутреннее кольцо. Наиболее нагруженные точки находятся в плоскости нагружения, то есть в точках а и b. Точка b получает нагружение только при прохождении над ней шарика. Точка а получает нагружение только при нахождении в нагруженной зоне. В этих условиях равное число циклов нагружения вызовет усталостное разрушение, прежде всего в точке а (где выше напряжения). Для того чтобы уровнять условия работы колец, необходимо уменьшить число циклов нагружения в точке а по сравнению с точкой b. Такое уменьшение достигается при вращении внутреннего кольца, так как на половине оборота точка а разгружается совершенно, а в большей части другой половины нагружена не полностью.

Рис.17.2

Распределение нагрузки между телами качения

Принимаем следующие допущения:

1) радиальный зазор отсутствует;

2) кольца не деформируются.

3) контактные деформации описываются уравнениями Герца-Беляева.

По условию равновесия подшипника (рис. 17.3)

где F_r– радиальное усилие;

γ=360°/z - угол между телами качения; z – число тел качения.

Рис.17.3

В уравнение (6.2) входят только те члены, для которых угол n𝛾 меньше 90⁰, так как верхняя половина подшипника не нагружена.

Под действием нагрузки F_r произойдет смещение внутреннего кольца подшипника на величину δ₀. При этом сдеформируются тела качения, причем величина деформации будет зависеть от положения шарика в нагруженной зоне (рис.17.4). Здесь δ₀ – смещение в вертикальной плоскости, тогда

……………

Рис.17.4

С другой стороны по Герцу-Беляеву δ=c∙F^2/3, где c – const, (рис.17.5) тогда

δ₀=c∙F₀^2/3

δ₁=c∙F₁^2/3

δ₂=c∙F₂^2/3 (6.4)

………….

δ_n=c∙F_n^2/3

Рис. 17.5

Решая совместно системы (6.3) и (6.4), получаем c∙F_n^2/3=δ₀cos(nγ), но δ₀=c∙F₀^2/3, тогда

c∙F_n^2/3= c∙F₀^2/3cos(nγ),

или

F_n= F₀cos^3/2(nγ). (6.5)

Подставляем выражение (6.5) в уравнение (6.2) и получаем

В практических расчетах принимают

- для шариковых;

- для роликовых подшипников.

- для радиальных сферических двухрядных шарико- и роликоподшипников;

- для роликоподшипников радиальных с короткими цилиндрическими роликами и конических;

- для беззазорных радиально-упорных шарикоподшипников при номинальном угле контакта α.

Равномерное нагружение возможно лишь при симметричной (безмоментной) чисто осевой нагрузке F_a в упорном подшипнике:

где коэффициент 0,8 учитывает возможные перекосы и неравномерность нагружения, z – число тел качения.

При комбинированном действии нагрузок F_r и F_a в условиях статического приложения для однорядных радиальных, радиально-упорных шариковых и конических подшипников осевая нагрузка F_a не влияет на нагрузку на одно тело качения до тех пор, пока F_a/F_r не превысит некоторой принятой величины е, составляющей порядка 1/3.

В итоге получаем распределение нагрузки по телам качения. Распределение нагрузки в значительной степени зависит от величины зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей (рис.17.6). Поэтому к точности изготовления подшипника качения предъявляют весьма высокие требования.

Рис.17.6

Из вышеприведенных соображений можно сделать выводы:

1. Нагрузку воспринимают только нижние тела качения, a верхние и боковые - не воспринимают.

2. Наибольшая нагрузка приходится на центральный шарик или ролик; решение задачи показывает, что он несет нагрузку в 4 - 6 раз большую средней, которая имела бы место, если бы все тела качения воспринимали нагрузку поровну.

Кинематика подшипников качения

Подшипники можно рассматривать как планетарный ряд с двумя вариантами привода:

1) вращается внутреннее кольцо,

2) вращается наружное кольцо.

Рассмотрим случай, когда вращается внутреннее кольцо (рис 17.7). Здесь скорость точки А

Точка В – мгновенный центр скоростей вращающегося шарика. Скорость точек шара меняется линейно, таким образом

V₀=V₁/2. (6.6)

Так как V₀ является и скоростью вращения сепаратора, тогда

где n_c – частота вращения сепаратора. Из уравнений (6.6) и (6.7) получаем

отсюда так как D_вн=D₀-d_w

Рис.17.7

Число оборотов сепаратора меньше половины числа оборотов внутреннего кольца. Последняя формула позволяет отметить, что в точном выражении скорость сепаратора зависит от размеров шарика. Чем больше d_w, при постоянном D₀, тем меньше n_c и наоборот.

При неточном изготовлении шариков крупные из них будут тормозить, а мелкие ускорять сепаратор. Между сепаратором и шариками могут возникнуть значительные давление и силы трения. С этим связан износ шариков и сепаратора, увеличение потерь на трение в подшипнике и случаи поломки сепаратора.

Контакт шарика с кольцом осуществляется по некоторой дуге a-b-с (рис 17.8). Окружные скорости точек a и b при вращении шарика вокруг своей оси различны. Если допустить, что в точке а ( а-с – мгновенная ось вращения) нет скольжения, то оно будет в точке b. Таким образом, в шариковых подшипниках наряду с трением качения наблюдается трение скольжения. Это создает дополнительный износ и потери в шариковых подшипниках. В роликовых подшипниках все точки контакта равноудалены от оси роликов. Здесь наблюдается чистое качение. Потери и износ в роликовых подшипниках меньше, чем в шариковых.

Рис.17.8

При вращении наружного кольца скорость центра тела качения (сепаратора), а, следовательно, и угловые скорости вращения тел качения больше, чем в случае вращения внутреннего кольца, а, следовательно, больше и износ всех элементов подшипника. Это обстоятельство в расчетной формуле для подшипников качения учитывается особым коэффициентом.

Методика подбора подшипников качения

Опытный проектировщик может назначать конкретный тип и размер подшипника, а затем делать проверочный расчёт. Однако здесь требуется большой конструкторский опыт, ибо в случае неудачного выбора может не выполниться условие прочности, тогда потребуется выбрать другой подшипник и повторить проверочный расчёт.

Во избежание многочисленных "проб и ошибок" можно предложить методику выбора подшипников, построенную по принципу проектировочного расчёта, когда известны нагрузки, задана требуемая долговечность, а в результате определяется конкретный типоразмер подшипника из каталога.

При проектировании подшипники качения подбирают по каталогу, учитывая следующие факторы:

- диаметр d цапфы вала;

- значение и направление нагрузки (радиальная, осевая, комбинированная);

- характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная);

- частоту вращения кольца подшипника;

- требуемую долговечность (срок службы, выраженный в часах или миллионах оборотов);

- окружающую среду (температуру, влажность, кислотность и т.п.);

- особые требования, обусловленные конструкцией узла машины или механизма (необходимость самоустанавливаемости подшипника в опоре с целью компенсации перекосов вала или корпуса, обеспечение перемещения вала в осевом направлении и т.п.).

Подбор подшипников практически сводится к следующей схеме:

1. Исходные данные для выбора подшипников следующие:

- расчетная схема вала с нагрузками, известными по величине и направлению;

- частота вращения вала;

- диаметры ступеней вала для установки подшипников;

- эксплуатационные режимы работы подшипниковых узлов.

2. По назначению узла выбирают тип подшипника. Так, например, если на подшипник действует только радиальная нагрузка, то можно выбирать любой радиальный подшипник. Если подшипник находится под действием комбинированной нагрузки (значительной осевой и радиальной), то применяют радиально-упорные подшипники типов 6 и 7. Если же осевая нагрузка больше радиальной, то устанавливают упорный подшипник в комбинации с радиальным или упорно-радиальный подшипник. При действии одной осевой нагрузки устанавливают упорные подшипники типов 8 и 9.

3. выбор типа подшипника по каталогу и выписывание следующих данных:

- С и С_о - для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников с углом контакта α=12°;

- С - для радиальных роликоподшипников;

- С, X, Y, е - для роликовых радиально-упорных и шариковых радиально-упорных с углом контакта α>18°;

4. определение реакций опор подшипников по расчетной схеме вала;

5. нахождение осевых составляющих реакций от радиальных нагрузок для радиально-упорных подшипников;

6. определение результирующих осевых нагрузок;

7. расчет отношения осевой нагрузки к радиальной F_a/(VF_r); нахождение коэффициента осевого нагружения е и коэффициентов Х и Y радиальной и осевой нагрузок. Для шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников с углом контакта α=12° предварительное нахождение отношения осевой нагрузки к статической грузоподъемности F_a/C_o;

8. определение эквивалентной нагрузки рассчитываемого подшипника;

9. Основным критерием для выбора подшипника служит его динамическая грузоподъемность. Если подшипник воспринимает нагрузку в неподвижном состоянии или его вращающееся кольцо имеет частоту вращения не более 1 об/мин, то подшипник выбирают по статической грузоподъемности без проверки его долговечности.

Грузоподъёмность это постоянная нагрузка, которую группа идентичных подшипников выдержит в течение одного миллиона оборотов. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка. Если вал вращается медленнее одного оборота в минуту, то речь идёт о статической грузоподъёмности C₀, а если вращение быстрее одного оборота в минуту, то говорят о динамической грузоподъёмности C. Величина грузоподъёмности рассчитывается при проектировании подшипника, определяется на экспериментальной партии подшипников и заносится в каталог.

10. расчет долговечности подшипника.

При несогласовании долговечности подшипника с требуемой следует перейти к более тяжелой серии или другому типу подшипника без изменения диаметра вала.

Для окончательно выбранного подшипника - выписать из каталога значения его размеров и определить расстояния между опорами.

Расчет по динамической грузоподъемности подшипников качения

Методы расчета динамической грузоподъемности, эквивалентной динамической нагрузки и долговечности подшипников качения устанавливаются ГОСТ 18855-82.

Подшипники качения не могут служить бесконечно долго, даже если они достаточно хорошо предохранены от износа и коррозии. Критерием работоспособности в этих случаях является усталостное выкрашивание поверхностных слоев. Кривая усталости для подшипников имеет вид гиперболы (рис 17.9) и описывается уравнением

где х=9 – для шариковых подшипников; х=10 – для роликовых подшипников.

Рис.17.9

На основе больших экспериментальных данных установлена зависимость между эквивалентной динамической нагрузкой Р_э для подшипника и его динамической грузоподъемностью С

где L – долговечность подшипника в миллионах оборотов; n=3 – для шарикоподшипников; n=10/3 – для роликоподшипников.

Формула (6.8) справедлива при частоте вращения кольца n>10 мин^-1, но не превышающей предельной частоты вращения данного подшипника, приводимой в каталоге. При n=1…10 мин^-1 расчет подшипника производится для n=10 мин^-1.

Эквивалентной динамической нагрузкой P_э для радиальных и радиально-упорных подшипников качения называется такая постоянная радиальная нагрузка, которая при действии на подшипник с вращающимся внутренним кольцом и неподвижным наружным обеспечивает ту же долговечность, которую данный подшипник имеет при действительных условиях нагружения и вращения.

Динамической грузоподъемностью С радиального и радиально-упорного подшипника качения называется такая постоянная радиальная нагрузка, которую группа идентичных подшипников при неподвижном наружном кольце сможет выдержать в течение расчетного срока службы, исчисляемого в 1 миллион оборотов внутреннего кольца. При проектировании машин подшипники качения не конструируют и не рассчитывают, а подбирают из числа стандартных по каталогу.

При расчете подшипников принято за расчетный или гарантированный ресурс принимать такое число часов работы, которое выдерживает 90% всех подшипников, то есть 10% подобранных по существующим нормам подшипников могут простоять в машине меньше требуемого срока. Однако средний ресурс в 3…5 раз превышает расчетный, а максимальный ещё в несколько раз превышает средний. Фактически выбраковывается значительно меньше подшипников, так как большинство подшипников в машинах недогружены.

Условие для выбора подшипников качения:

C_r≤[C_r], (7)

где C_r — требуемая динамическая грузоподъемность, Н; [C_r] — табличное (каталожное паспортное) значение динамической грузоподъемности подшипника выбранного типоразмера, Н.

Требуемое значение динамической грузоподъемности определяют по формулам:

где P_э — приведенная (эквивалентная) нагрузка (должна быть подставлена в тех же единицах, что и параметр Q; L — требуемая долговечность вращающегося подшипника, млн. об., (принимается 0,5-30 000 млн. об.); L_h — то же, ч; α — коэффициент, зависящий от характера кривой усталости (для шариковых подшипников α= 3,0; для роликовых α= 10/3); п — частота вращения кольца, об/мин; а₁ — коэффициент надежности, a₁≈1 (безотказная работа); а₂₃ — коэффициент качества, обычно a₂₃=0,7÷0,8 (шариковые), a₂₃=0,6÷0,7 (роликовые конические).

Подшипники качения часто подвергаются совместному действию радиальной и осевой нагрузок; нагрузка может быть постоянной или сопровождаться толчками и ударами; вращаться может внутреннее или наружное кольцо; температура может быть нормальной, повышенной или пониженной. Все эти факторы влияют на работоспособность подшипников и должны учитываться при выборе приведенной нагрузки.

Приведенную (эквивалентную) динамическую нагрузку P_э вычисляют по формуле

где X — коэффициент радиальной нагрузки; Y — коэффициент осевой нагрузки; V — коэффициент вращения (при вращении относительно вектора нагрузки внутреннего кольца V=1, наружного кольца V= 1,2); F_r, F_a — радиальная и осевая нагрузки, Н; К_б — коэффициент безопасности, учитывающий динамичность нагрузки (см.таблицу 5); К_T — температурный коэффициент, вводимый только при повышенной рабочей температуре t > 100 °С для подшипников, изготовленных из обычных подшипниковых сталей (при t до 100 °С, K_T= 1; при t до 120 °С, K_T= 1,05; при t до 150 °С, K_T= 1,1; при t до 200 °С, K_T= 1,25, см.таблицу 6).

Расчетная зависимость приведенной нагрузки от радиальной F_r и осевой F_a нагрузок принята в простой форме, аппроксимирующей действительную сложную зависимость. Из-за радиального зазора в подшипнике при отсутствии осевой нагрузки имеет место повышенная неравномерность нагружения тел качения. С увеличением осевой нагрузки при постоянной радиальной происходит выборка зазора, увеличивается рабочая дуга в подшипнике и нагрузка на тела качения распределяется более равномерно. До некоторого значения F_a/(V∙F_r)=e (е — вспомогательный коэффициент, указанный в каталоге) это компенсирует увеличение общей нагрузки на подшипник с ростом осевой нагрузки F_a.

Расчет Р_э по формуле (9) для цилиндрических подшипников F_a= 0, Х= 1; для упорных подшипников F_r = 0, Y= 1; для шариковых радиальных, радиально-упорных и конических роликовых подшипников Х=1, Y=0, если F_a/(VF_r)<e, где е — вспомогательный коэффициент, указанный в каталоге в зависимости от отношения осевой нагрузки F_а к статической грузоподъемности подшипника С₀, то расчет ведется только по радиальной нагрузке, т.e. принимают Х = 1 и Y = 0. Если F_a/(VF_r)>e — значения коэффициентов Х и Y определяются по таблице 2.

Таблица 2. Значение коэффициентов радиальных и осевых нагрузок Х и Y
α°		Подшипники однорядные		Подшипники двухрядные				е
		F_a/(VF_r)>e		F_a/(VF_r)<e		F_a/(VF_r)>e
		X	Y	X	Y	X	Y
	0,014	0,56	2,30	1,0	0	0,56	2,30	0,19
	0,028		1,99				1,99	0,22
	0,056		1,71				1,71	0,26
	0,084		1,55				1,55	0,28
0	0,110		1,45				1,45	0,30
	0,170		1,31				1,31	0,34
	0,280		1,15				1,15	0,38
	0,420		1,04				1,04	0,42
	0,56		1,00				1,00	0,44
	0,014		1,81		2,08		2,94	0,30
	0,028		1,62		1,84		2,63	0,34
	0,056		1,46		1,69		2,37	0,37
	0,084		1,34		1,52		2,18	0,41
12	0,11	0,45	1,22	1,0	1,39	0,74	1,98	0,45
	0,17		1,13		1,30		1,84	0,48
	0,28		1,04		1,20		1,69	0,52
	0,42		1,01		1,16		1,64	0,54
	0,56		1,00		1,16		1,62	0,54
26	—	0,41	0,87	1	0,92	0,67	1,41	0,68
36	—	0,37	0,66	1	0,66	0,60	1,07	0,95

Примечание. Коэффициенты X, Y, e для промежуточных отношений F_a/C_Or определяют интерполяцией.

При установке вала на двух радиальных или радиально-упорных подшипниках нерегулируемых типов внешнюю осевую нагрузку воспринимает один из них, причем в том направлении, в котором он ограничивает осевое перемещение вала. При определении осевых нагрузок на радиально-упорные подшипники регулируемых типов следует учитывать осевую силу S, возникающую под действием радиальной нагрузки из-за наклона контактных линий, которая представляет собой минимальную осевую силу, действующую на радиально-упорный регулируемый подшипник при заданной радиальной нагрузке. Для нормальной работы подшипника должно выполняться условие

F_a≥S,

где S=eF_r – для шарикоподшипников; S=0,83eF_r – для роликоподшипников.

Таким образом, расчетная осевая нагрузка на подшипник складывается из внешней нагрузки на вал и осевой составляющей от другого радиально-упорного подшипника на вал.

Рассмотрим схематично вал, нагруженный радиальной силой F_r и осевой нагрузкой F_А (рис. 18). Условие равновесия вала

F_A+F_a₁-F_a₂=0, (9.1)

где F_a₁ и F_a₂ – осевые реакции на подшипниках

Дополнительные условия F_a₁≥S₁ и F_a₂≥S₂.

Для нахождения решения в одной из опор осевая реакция принимается равной минимальной, то есть F_a=S.

Задаемся F_a₁=S₁, тогда из (9.1) F_A+S₁-F_a₂=0 или F_A+S₁=F_a₂. Осевая сила найдена правильно, если F_a₂≥S₂. Для случая, когда F_a₂<S₂, следует принять F_a₂=S₂, тогда F_A+F_a₁-S₂=0 и F_a₁=S₂+F_A.

Причем условие F_a₁≥S₁ будет обязательно выполнено.

Рис.18

Динамическую грузоподъемность можно повысить:

1) применением бомбинированных роликов в цилиндрических и конических роликоподшипниках;

2) применением подшипников более высоких классов точности;

3) применением особо чистых подшипниковых сталей;

4) применением оптимальных условий смазки.

Расчет по статической грузоподъемности подшипников качения

Методы расчета статической грузоподъемности и эквивалентной статической нагрузки подшипников качения устанавливаются ГОСТ 18854-82.

Подшипники грузовых крюков, домкратов, нажимных устройств прокатных станов и других машин периодически подвержены нагрузкам при очень медленном вращении. «Невращающиеся» подшипники рассчитывают только по статической грузоподъемности.

У подшипников, работающих при резко переменной нагрузке, при вращательном движении (n > 10 об/мин) следует проверять статическую грузоподъемность. Значительные перегрузки могут вызвать неоднородную остаточную деформацию, которая приводит к нарушению плавности хода подшипника.

У подшипников, которые работают при малых числах оборотов и рассчитаны на небольшой срок службы, необходимо также проверять статическую грузоподъемность. Но в этих условиях рассчитанная по формуле долговечности допустимая нагрузка может превышать статическую грузоподъемность.

Для подшипников, работающих в режиме качательного движения, могут быть допущены большие нагрузки, чем статическая грузоподъемность подшипника. В этом случае остаточные деформации колец и тел качения могут превосходить значения, допустимые для подшипника, эксплуатирующегося при вращательном движении.

Под статической грузоподъемностью понимают такую нагрузку на «невращающийся» подшипник (п < 1 об/мин), под действием которой в нем не возникает остаточных деформаций, ощутимо влияющих на дальнейшую работу подшипника.

Условие для выбора подшипников:

P_or≤C_or, (10)

где Р_О_r — эквивалентная (приведенная) статическая нагрузка; С_О_r — базовая (допускаемая) статическая радиальная грузоподъемность.

Под допускаемой статической грузоподъемностью понимается такая статическая нагрузка, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001D диаметра тела качения. Значения C₀_r указаны в каталогах для каждого типоразмера подшипника.

Значение приведенной статической нагрузки для радиальных; и радиально-упорных шарико- и роликоподшипников определяют:

P_or=X₀F_r+Y₀F_a (11)

где Х_о, Y_o — коэффициенты соответственно радиальной и осевой нагрузок (табл. 2); F_r — радиальная нагрузка; F_a — осевая нагрузка.

Расчет подшипников качения на долговечность

Часто подшипники предварительно выбирают по конструктивным соображениям. Тогда расчетом проверяют их долговечность (ресурс). Под номинальной долговечностью (расчетным сроком службы) понимают срок службы подшипников, в течение которого не менее 90% из данной группы при одинаковых условиях должны проработать без появления признаков усталости металла.

Долговечность подшипника L зависит от величины и направления действия нагрузки, частоты вращения, смазки и т. д., а также и от его динамической грузоподъемности С. Из формулы (8) долговечность подшипника

где C_r принимают по каталогу, Р_э определяют по формуле 9.

Расчетный ресурс подшипников в машинах определяется технико-экономическими показателями. Его выбирают тем большим, чем важнее бесперебойная работа машины, чем труднее разборка машины для замены подшипников и т.д. Средние значения расчетного ресурса, характерные для машин, работающих с перерывами, составляют 2500… 10000 ч. Для непрерывно работающих машин и для машин тяжелого машиностроения расчетный ресурс подшипников выбирают выше.

Подшипники явились первой группой деталей, для которой был введен расчет на долговечность.

Оценка предельной быстроходности подшипников качения

Для стандартных подшипников обычно указывают значения предельных частот вращения. Под предельной частотой вращения понимают такую частоту вращения, при превышении которой не обеспечивается номинальная долговечность (расчетный срок службы) подшипника. Максимально допустимая частота вращения для каждого типоразмера подшипника зависит в первую очередь от нагрузки, способа смазки, условий охлаждения, конструкции и материала сепаратора.

Предельная частота вращения, (об/мин), может быть ориентировочно определена по формуле

где d_m∙n - скоростной параметр, значения которого приведены в табл. 3; d_m - диаметр окружности, проходящей через центры тел качения; k - коэффициент, учитывающий снижение долговечности при предельной частоте вращения; k= 0,3–1,0.

Таблица 3. Значения скоростного параметра d_m∙n для различных типов подшипников
Тип подшипника	Скоростной параметр d_m∙n, 10⁵мм∙об/мин, для смазочного материала
Тип подшипника	пластичного	жидкого
Шариковый (радиальный и радиально-упорный однорядный, радиальный сферический двухрядный)	4 - 4,5	5,5 - 6,0
Роликовый: радиальный с короткими цилиндрическими роликами	3,5 - 4	4 4,5
конический однорядный	2,5	3,0
конический двухрядный	2,0	3,0

При использовании подшипников с большой нагрузкой верхний предел частоты вращения должен быть снижен. Предельную частоту вращения необходимо снизить и у сферических роликоподшипников, воспринимающих комбинированную нагрузку, когда осевая нагрузка высока F_a/F_r≥0,6. В этом случае n должно быть умножено на коэффициент 0,8.

При использовании подшипников с массивным точеным сепаратором из цветного металла или полимерных материалов в сочетании с улучшенными условиями смазки и охлаждения предельные частоты вращения могут быть увеличены.

Для шарикоподшипников радиальных и радиально-упорных однорядных предельная частота вращения может быть увеличена в 2,5 - 3 раза, для цилиндрического роликоподшипника - в 2 - 2,2 раза.

Посадки подшипников

В системе соединений колец подшипников с валом и корпусом кольца принимают за основные детали, допускаемые отклонения которых назначаются независимо от потребного характера посадок. Различные посадки обеспечиваются выбором соответствующих отклонений типов валов и отверстий корпусов. Таким образом, посадки внутренних колец подшипников осуществляют по системе отверстия, а наружных по системе вала.

Общие условия выбора посадок таковы:

1. Посадка не должна допускать обкатывания колец или образования зазоров на посадочных поверхностях;

2. Натяг должен быть минимальным, чтобы не сильно изменялись зазоры между кольцами и телами качения.

Поэтому при вращающемся внутреннем кольце и неподвижном наружном последнее устанавливают в корпус с минимальным нулевым зазором (посадка H₇), а внутреннее кольцо на вал сажают с небольшим натягом (посадка k₆). Это обеспечивает отсутствие проворачивания внутреннего кольца относительно вала и равномерный износ дорожки наружного кольца.

Влияние режимов работы на выбор подшипниковой посадки таково:

1) чем больше нагрузка и чем сильнее толчки, тем более плотными должны быть посадки;

2) чем выше частоты вращения, тем посадки должны быть более свободными, т. к. при высоких частотах вращения, как правило, нагрузки меньше, температурные деформации больше, а зазоры в подшипниках должны выдерживаться точнее.

При назначении посадок следует учитывать:

1. тип подшипника;

2. частоту вращения;

3. характер (постоянная или переменная по величине и направлению, спокойная или ударная) и величину нагрузки на подшипник;

4. жёсткость вала и корпуса;

5. характер температурных деформаций подшипникового узла (изменение плотности посадки при достижении рабочей температуры);

6. способ креплания подшипника (с затяжкой или без неё);

7. удобство монтажа и разборки подшипникового узла.

Посадки вращающихся колец с натягом предотвращают проворачивание колец на посадочных поверхностях, смятие и фрикционную коррозию этих поверхностей.

Посадки невращающихся колец подшипников с минимальным зазором обеспечивают равномерность износа беговых дорожек на этих кольцах за счёт их чрезвычайно медленного проворачивания в сторону вращения подвижного кольца.

Посадочные поверхности под установку подшипников должны иметь качественную обработку поверхности во избежание смятия и среза местных выступов (шероховатостей) при запрессовке и эксплуатации подшипников. При установке подшипников весьма желательно применение тепловой сборки (нагрев подшипника в масляной ванне с одновременным охлаждением вала твердой углекислотой или жидким азотом), а демонтаж подшипников необходимо выполнять с применением специализированного инструмента (съемников). Применяемая обычно в ремонтном производстве силовая сборка резко снижает срок жизни подшипника из-за взаимного перекоса колец после сборки. Обычно для тяжёлых условий работы назначаются более плотные посадки.

Перед установкой подшипников посадочные поверхности необходимо смазать жидкой или консистентной смазкой.

Вид смазывающего материала и способ его подачи к поверхностям трения зависит от условий работы подшипника (нагрузка, защищённость от действия неблагоприятных факторов внешней среды, возможность и периодичность обслуживания и т.п.) и скорости относительного движения подвижного и неподвижного колец подшипника, которую однозначно характеризует произведение внутреннего диаметра подшипника d_п на частоту вращения подвижного кольца n. В первом приближении характер смазки можно выбрать в соответствии с табл. 3.1.

В дальнейшем условия смазки подшипников согласуются с выбранной схемой смазывания агрегата, в котором эти подшипники установлены.

Таблица 3.1. Назначение смазки и, выбор уплотнительных элементов
для разных условий работы подшипников

d_п∙n, 10⁶ мм∙об/мин	Смазка	Уплотнение
≤ 0,55	Консистентная	Сальник, лабиринт
≤ 0,60	Жидкая погружением	Резиновая манжета, маслосгонная канавка
≤ 0,75	Жидкая фитильная и капельная – 5…10 капель в час.	Резиновая манжета, маслосгонная канавка
≤ 1,70	Жидкая масляным туманом	Металлические кольца, полиамидная манжета, центробежное уплотнение
> 2,0	Жидкая струйная под углом 15-20° к оси подшипника, охлаждение потоком масла

Расчет потерь на трение в подшипниках качения

При вращении деталей подшипников качения в местах контактов всегда возникают трение качения и трение скольжения. Каждая составляющая потерь на трение сложным образом зависит от условий эксплуатации (частоты вращения, нагрузки, температурного режима и смазки) и конструктивного исполнения, определяющего контактные взаимодействия. Поэтому точный расчет составляющих можно выполнить при условии накопления достаточного экспериментального материала.

Потери на трение в подшипниках складываются из следующих составляющих:

а) трение между телами качения и кольцами. Этот вид трения состоит из трения качения и дополнительного трения скольжения. Качение в наиболее чистом виде характерно для цилиндрических роликоподшипников.

В этом случае все точки линии контакта по длине ролика имеют одинаковую окружную скорость. В шарикоподшипниках и сферических роликоподшипниках контактов в поперечном сечении происходит по дуге. Окружные скорости точек линии контакта различны, что приводит к проскальзыванию и потерям на трение скольжения.

б) трение скольжения тел качения (роликов) в конических роликоподшипниках. В этом случае трение скольжения имеет место между торцевой поверхностью ролика и буртом внутреннего кольца.

в) трение, связанное с погрешностями формы тел качения и колец, переносом роликов и т.д.

г) трение тел качения о сепаратор и сепаратора о кольца

д) сопротивление масла

е) трение в уплотнениях (встроенные уплотнения).

ж) трение тел качения о сепаратор и сепаратора о кольца;

На практике потери на трение в подшипниках качения характеризуются моментом трения M_тр, эквивалентным моменту вращения при данных эксплуатационных условиях (трение качения, скольжения, а также трение в смазочном слое). Момент трения в подшипниках зависит от многих факторов и, прежде всего, от нагрузки, частоты вращения, смазки, конструктивных особенностей, класса точности подшипника и др. При рекомендуемых условиях эксплуатации, когда результирующая нагрузка не превышает 10-20% динамической грузоподъемности С, момент трения может быть ориентировочно определен по формуле

где μ_пр - приведенный коэффициент трения; Q - результирующая нагрузка на подшипник; d - диаметр отверстия в подшипнике. С учетом типа подшипника и условий эксплуатации приведенный коэффициент трения может принимать значения μ_пр≅0,001-0,020.

На основе экспериментальных данных для приближенных расчетов можно принять следующие средние значения приведенного коэффициента трения для подшипников, эксплуатирующихся при нормальных режимах работы и пластичном смазочном материале:

Шарикоподшипники:

радиальные однорядные………..0,002;

сферические двухрядные……….0,0015;

радиально-упорные……………..0,003;

упорные………………………….0,003.

Роликоподшипники:

с короткими цилиндрическими роликами………………0,002;

с длинными цилиндрическими роликами……………….0,004;

двухрядные сферические с бочкообразными роликами..0,004;

игольчатые…………………………………………………0,008;

конические…………………………………………………0,008.

Следует отметить, что трение, вызываемое наличием контактов скольжения уплотнений, может превысить трение в самом подшипнике без уплотнений при одинаковых условиях эксплуатации.

Мощность (Вт), расходуемая на трение в подшипнике, определяется из уравнения

где M_тр - момент трения, Нсм; n - частота вращения, об/мин.

Гидродинамический режим смазки подшипника качения

Работоспособность подшипника зависит не только от нагрузки и частоты вращения, но и от относительной толщины смазочной пленки.

Рекомендуется производить проверку параметра режима смазки Λ для подшипников по формуле

где k₀ - конструктивный коэффициент, зависящий от типа подшипника (см. табл. 4); и - средние арифметические значения параметров шероховатости трущихся поверхностей, мкм, зависящие от типа и класса точности подшипника; определяется по рис. 19; n - частота вращения внутреннего кольца подшипника, об/мин; определяется по рис. 20; - параметр масла; определяется в зависимости от температуры подшипника (рис. 21); Q₀ - эквивалентная статическая нагрузка, Н.

Рекомендуется выбирать Λ≥3. Этот параметр пригоден в первую очередь для оценки влияния минеральных и синтетических масел на работоспособность подшипников качения. При использовании пластичных смазочных материалов параметр Λ частично пригоден для оценки вязкости того масла, на базе которого изготавливается соответствующий пластичный смазочный материал.

Таблица 4. Значение конструктивного коэффициента k₀
Тип подшипника	Коэффициент k₀
Шарикоподшипник радиальный однорядный, сферический двухрядный	70
Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный (всех серий), α=12÷36°	75
Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами, роликоподшипник конический	100


Рис.19. График для определения по величине мм		Рис. 20. График для определения по величине

а		б
Рис.21. Зависимость параметр масла g от его рабочей температуры t: а – для основных масел: (1 - МС-20; 2-75% МС-20+25% трансформированного; 3 - 50% МС-20+50% трансформированного; 4 - 25% МС-20+75% трансформированного; 5 - веретенное-2; 6 - МК-8 трансформированное); б - для авиационных масел (1 - МН-7,5; 2 – ВНИИ НП-7; 3 - Б-3В; 4 - Л3-240; 5 и 6 - КУА 36/1 и ВНИИ НП 50-1-49)

Электромагнитные подшипники

Как известно, в машинах и исполнительных механизмах для опор роторов, как правило, используются либо подшипники качения, либо гидродинамические подшипники жидкостного трения. Каждое из этих решений имеет свои преимущества, недостатки и область рационального применения. Однако ни одно из них не обеспечивает желаемых высоких характеристик, надёжности, безопасности, ресурса, КПД, малых потерь на трение и др. Все виды подшипников имеют ограничения по скорости вращения, нагрузкам, тепловым напряжениям, виброхарактеристикам и т.п.

Альтернативным решением для создания эффективной конструкции или разгрузки подшипников качения и скольжения является «магнитный подвес», в котором ротор поддерживается в рабочем зазоре пондермоторными силами электромагнитной системы.

Приведем преимущества подобного конструктивного решения:

- отсутствие момента сухого трения;

- исключение маслосистемы;

- возможность достижения высоких скоростей вращения;

- управляемость характеристик жесткости и демпфирования;

- снижение уровня вибраций;

- возможность подавления резонансных явлений;

- высокая долговечность;

- снижение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонт;

- возможность работы в вакууме и агрессивных средах.

Конструктивно радиальный электромагнитный подшипник (рис.22) состоит из статора, представляющего собой композицию электромагнитов, расположенных в корпусе подшипникового узла; пассивного магнита, закрепленного на роторе; датчика положения ротора и страховочного подшипника. Ротор подвешивается в магнитном поле с помощью следящей системы, которая по сигналам датчика регулирует напряжение на катушках электромагнитов и удерживает ротор в центральном положении.

Рис. 22. Конструкция радиального

электромагнитного подшипника

Рис. 23. Функциональная схема системы

управления электромагнитным

подшипником

Наличие мощных силовых полупроводниковых приборов в современных условиях делает возможным создание надежных регулируемых источников питания для электромагнитных подшипников с высокой грузоподъемностью. Развитие средств цифровой микропроцессорной техники позволяет реализовать быстродействующие и точные системы стабилизации положения ротора.

Рамные разработки отечественных образцов электромагнитных подшипников (ВНИИЭМ, г. Москва) или снабжены системами управления, выполненными на аналоговых элементах с применением целого ряда датчиков обратной связи (тока, ускорения и положения). Такие системы громоздки, неудобны в наладке, обладают минимумом диагностических возможностей и требуют специальной подготовки обслуживающего персонала. Современный подход к технической реализации электромагнитного подвеса роторов заключается в создании системы прямого цифрового управления электромагнитами подшипника. Функциональная схема одного канала управления электромагнитным подшипником представлена на рис. 23.

Под объектом управления понимается процесс перемещения ротора в магнитном поле электромагнитов, управляемых напряжением силового транзисторного преобразователя. Датчик положения ротора имеет цифровой выходной сигнал, который подается на инверсные входы двух последовательно включенных цифровых регуляторов, (рис. 24).

Регуляторы выполняются программно на однокристальной ЭВМ или программируемом контроллере. Для управления силовыми ключами транзисторного моста служит цифровой широтно-импульсный модулятор (ШИМ) (рис. 25).

Рис. 24. Схема компоновки магнитного подвеса ротора:

а – схема компоновки электромагнитов; б – схема расположения датчиков

Рис. 25. Схема управления магнитным подвесом генератора

Такой подход к построению системы управления электромагнитными подшипниками, разработанный учеными и сотрудниками Самарского технического университета, во-первых, отличается простотой технической реализации прямого цифрового управления. Во-вторых, структура системы, известная в технике следящих электроприводов как структурно-минимальный электропривод, позволяет получить высокое быстродействие при обработке внешних возмущений, абсолютную статическую четкость и активное демпфирование вибраций. В-третьих, цифровая реализация регуляторов дает возможность все настроечные операции производить с внешнего пульта управления и (при соответствующей доработке) автоматизировать процесс настройки. Предложенные системы прямого цифрового управления электромагнитными подшипниками могут быть выполнены миниатюрно на однокристальных контроллерах и специализированных больших интегральных микросхемах, к тому же они относительно дешевы.

Разработанная методика синтеза предлагаемых цифровых систем управления в совокупности со специализированным программным обеспечением позволяет реализовать точный параметрический синтез регуляторов при существенных колебательных свойствах объекта управления.

Замена или разгрузка подшипников скольжения на электромагнитные резко увеличивает срок службы и надежность машин за счет практического устранения износа вращающихся деталей, упрощает их эксплуатацию и обслуживание.

Ротор электрической машины подвешивается в магнитном поле при давлении пондермоторных сил

где - вектор магнитного поля; - нормаль к поверхности ротора; μ - магнитная проницаемость воздуха.

Магнитное поле создается катушкой, размещенной на статоре (см. рис. 36), поэтому направление поля близко к нормам, а давление пондермоторных сил приводит к притяжению ротора к якорю. Поскольку подвеска ротора в стационарном поле магнитов в течение продолжительного времени невозможна, требуется наличие следящей системы, с помощью которой компенсируются отклонения ротора от теоретической оси вращения за счет обмена импульсом между ротором и полем. Время компенсации перемещения, согласно закону сохранения количества движения, равно

∆t=

где γ- плотность материала ротора; - радиус ротора; ∆h - допустимое перемещение ротора; S - площадь полюсных наконечников; l - длина подшипника.

Проведенный анализ показал, что подвес роторов небольших размеров потребует использования малоинерционных устройств управления магнитным полем. В связи с этим электромагнитный подшипник целесообразно реализовать с использованием секций, размещенных вдоль ротора (см. рис. 24, а) и с применением в системе управления бесконтактных емкостных датчиков (см. рис. 25). При отклонении ротора будет изменяться зазор между ротором и датчиком, что сформирует измерительный сигнал. Результаты измерения (см. рис.25) поступают в вычислительное устройство, вырабатывающее команды управления. Силовые управляющие катушки по управляющему сигналу возвратят ротор на прежнее место. Расчеты стального ротора с размером вала в зоне магнитного поля около 80 мм показали, что при отклонении ротора на 100 мкм время реализации составляет около 1 мс. Требуемая напряженность магнитного поля - около 100 кА/м. Указанные величины вполне реализуемы.

Расчеты показали также, что механические воздействия на автомобильный транспорт (удары с верхней границей частоты 120 Гц) не способны дестабилизировать следующую систему: минимальное время воздействия - около 16 мкс - много больше времени реакции следящей системы. Таким образом, применение электромагнитных подшипников позволит не только увеличить срок службы машин, но и значительно снизить их чувствительность к ударам и вибрациям, что также повысит качество динамических параметров роторных систем.

Направляющие прямолинейного движения. Общие сведения.

Прямолинейно-направляющий механизм - механизм, у которого часть траектории или вся траектория одной из точек какого-либо звена, совершающего сложное движение, есть прямолинейный отрезок или дуга кривой, мало отклоняющаяся от прямой. Прямолинейность движения достигается путём подбора соотношений между длинами звеньев механизма. Наиболее известны направляющие прямолинейного движения Чебышева и Уатта. Оба механизма — шарнирные четырёхзвенники, т.е. составлены из 4 звеньев, образующих между собой вращательные пары.

Помимо повышенной точности и жесткости к направляющим устройствам предъявляются следующие требования: 1) обеспечение высокой скорости и ускорения; 2) низкие силы трения; 3) повышение максимальных допустимых нагрузок; 4) повышение срока службы; 5) интеграция измерительных устройств.

Классифицировать направляющие устройства можно по нескольким признакам.

В зависимости от максимально допустимой статической нагрузки направляющие качения можно разделить на три группы:

- миниатюрные направляющие, с максимальной нагрузкой до 29000Н;

- шариковые, с максимальной нагрузкой до 289000Н;

- роликовые, с максимальной нагрузкой до 19419000Н.

Классификация в зависимости от максимально допустимой статической нагрузки не является общей для всех типов направляющих, ее величина может меняться в зависимости от конструкции и разработки определенной фирмы. Данный классификационный признак также отражает возможности и несущие способности отдельных групп опор качения.

По форме элементов качения направляющие делятся на четыре группы:- шариковые;- роликовые;- игольчатые;- комбинированные.

Игольчатые и комбинированные поры качения в основном используются в миниатюрных направляющих.

По количеству рядов опор качения направляющие устройства делятся на однорядные и двухрядные.

По способу закрепления элементов качения направляющие устройства делятся две группы:- направляющие с циркуляцией элементов качения;- направляющие с закрепленными сепараторами; в свою очередь направляющие с циркуляцией элементов качения делятся на две группы: - с циркуляцией одновременно двух рядов элементов качения;- с возможностью циркуляции отдельных потоков элементов качения.

По методу регулирования натяга направляющие устройства можно разделить на четыре основные группы, в зависимости от устройств, обеспечивающих предварительный натяг:- с помощью винта;- с помощью клиньев; - за счет прокладок;- за счет элемента конструкции.

В зависимости от конструкции сепаратора и количества элементов качения направляющие устройства делятся на две группы: - сепараторы для кареток с рециркуляцией элементов качения;- сепараторы для кареток с закрепленными сепараторами.

В свою очередь сепараторы для кареток с циркуляцией можно разделить на две группы: для закрепления элементов одной замкнутой цепи и для одновременного крепления двух рядов циркуляции.

Важным классификационным признаком является величина предварительного натяга. Практически все ведущие фирмы в производстве направляющих устройств разделяют величину предварительного натяга в зависимости от характера условий работы и величины статической нагрузки (С). На основе этого направляющие устройства могут быть разделены на четыре основные группы:

- без предварительного натяга;- с величиной предварительного натяга 0,02 С;

- с величиной предварительного натяга 0,08 С;

- с величиной предварительного натяга 0,12 С.

Разработанная классификация отражает основные признаки направляющих устройств качения, которые были определены на основе материала ведущих фирм по производству направляющих устройств.

Общепромышленные рельсовые направляющие применяются в станкостроении, при производстве или модернизации металло- и деревообрабатывающего оборудования, в транспортных системах, при конструировании промышленных роботов, в лабораторном и научно-исследовательском оборудовании, в приборостроении. Миниатюрные направляющие используются в лабораторном оборудовании и медицинской технике, при производстве микросхем и полупроводниковой техники, а также в легких и сверхлегких системах точного линейного перемещения различного назначения.

Направляющие скольжения

Направляющие скольжения имеют смешанный характер трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

Основными преимуществами направляющих скольжения со смешанным характером трения являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность и жесткость, демпфирование, невысокая стоимость. Однако в современных условиях тип направляющих со смешанным трением имеет существенные недостатки, основными из которых являются большое трение, ограничивающее скорость перемещения узлов, большой износ направляющих, а также скачкообразность движения при трогании с места и на малых скоростях, не позволяющая осуществлять точное позиционирование узлов.

Применение накладок из полимерных материалов и специальных "антискачковых" смазок позволяет в значительной мере, но не полностью, устранить указанные недостатки обычных направляющих скольжения.

Гидродинамические и гидростатические направляющие имеют не большое трение, высокую демпфирующую способность, обеспечивают высокую плавность хода и малые усилия перемещения, практически неизнашиваемы. Однако их жесткость не столь высока, как у направляющих смешанного трения, при высоких скоростях перемещения они генерируют избыточное тепло, вызывающее нагрев смазки и всего кинематического узла, требуют сложной навесной гидроаппаратуры и, в целом, значительно дороже других типов направляющих, что ограничивает область их применения (главным образом, это особо тяжелые и уникальные станки).

Аэростатические направляющие имеют особо малое трение, обеспечивают высокую точность перемещений, обладают высокой долговечностью, однако так же имеют ограниченную нагрузочную способность и подвержены случайным отказам, что сужает область их применения (координатно-измерительные машины, станки для обработки печатных плат, алмазно-токарные станки и некоторые другие типы станков с малыми нагрузками на направляющие).

Направляющие качения

Обладают малым трением (коэффициент трения составляет 0,003…0,005), обеспечивают высокую плавность перемещений, допускают высокие скорости и ускорения перемещений. В соответствующем исполнении они обеспечивают высокую нагрузочную способность, жесткость и долговечность системы, точность установочных перемещений. Их основными недостатками являются сравнительно низкое демпфирование(гашение колебаний или предотвращение механических колебаний), повышенная чувствительность к загрязнению, а также высокая стоимость, которая во многих случаях является существенным фактором, ограничивающим их использование.

Направляющие качения начали применяться вместо направляющих скольжения в середине прошлого века на координатно-расточных, шлифовальных, заточных и некоторых других прецизионных станках, где требовались точные малые установочные перемещения узлов. Такие перемещения на направляющих скольжения очень трудно выполнялись или вообще были невыполнимы.

Основной конструктивной формой направляющих качения на первых станках являлась комбинация (пара) V-образной и плоской направляющих. По ним перемещались ролики, размещенные в линейном сепараторе. При этом ролики опирались непосредственно на обработанные поверхности чугунных корпусных деталей.

При скоростях перемещений узлов в пределах 2…3 м/мин и сравнительно небольших нагрузках такие направляющие удовлетворяли требованиям, предъявляемым к таким станкам в те годы. Наряду с роликовыми на координатно-расточных станках начали применяться и шариковые направляющие качения.

Шарики в линейном сепараторе перемещались по специальным закаленным планкам, смонтированным на станине и на столе станка.

Направляющие качения являются основным типом направляющих в наиболее прогрессивных современных высокоскоростных станках, их конструкция непрерывно совершенствуется.

Комбинированные направляющие

Позволяют использовать преимущества направляющих и скольжения, и качения, в то же время они обладают и их недостатками. Часто такие направляющие на основных нагруженных гранях имеют трение скольжения и трение качения на боковых гранях для устранения переориентации узлов при реверсах.

Однако такая конструкция направляющих ограничивает скорость и ускорение перемещения узлов в высокоскоростных станках.

Комбинированный тип имеет сравнительно меньшую область применения, чем первые два типа направляющих.

Справочные данные

Таблица 5. Значения коэффициентов безопасности в зависимости от характера нагрузки

Характер нагрузки на подшипник	K_б	Примеры использования
Спокойная нагрузка без толчков	1,0	Ролики ленточных конвейеров; маломощные кинематические редукторы и приводы
Легкие толчки. Кратковременные перегрузки до 125% номинальной расчетной нагрузки	1,0...1,2	Прецизионные зубчатые передачи; металлорежущие станки (кроме строгальных и долбежных); блоки; электродвигатели малой и средней мощности; легкие вентиляторы и воздуходувки
Умеренные толчки. Вибрационные нагрузки. Кратковременная перегрузка до 150% номинальной расчетной нагрузки	1,3...1,5	Буксы рельсового подвижного состава; зубчатые передачи 7 и 8 степени точности; редукторы всех конструкций
То же в условиях повышенной надежности	1,5...1,8	Центрифуги; мощные электрические машины; энергетическое оборудование
Нагрузки со значительными толчками и вибрацией. Кратковременные перегрузки до 200% номинальной расчетной нагрузки	1,8...2,5	Зубчатые передачи 9 степени точности; дробилки и копры; кривошипно-шатунные механизмы; валки прокатных станов; мощные вентиляторы и эксгаустеры
Нагрузки с сильными ударами и кратковременные перегрузки до 300% номинальной расчетной нагрузки	2,5...3,0	Тяжелые ковочные машины; лесопильные рамы; рабочие рольганги у крупных станов, блюмингов и слябингов

Таблица 6. Значение температурного коэффициента в зависимости от рабочей температуры подшипника

Рабочая температура подшипника, ⁰C	≤100	125	150	175	200	225	250
Температурный коэффициент K_т	1,0	1,05	1,10	1,15	1,25	1,35	1,40

Таблица 7.

Условия нагружения	Осевые нагрузки на подшипник

Рис.26. Варианты установки радиально-упорных подшипников (к табл 7)

Таблица 8. Шарикоподшипники радиальные однорядные по ГОСТ 8338-75

Условное обозначение подшипника	Размеры, мм			Грузоподъемность, Н		Масса, кг
Условное обозначение подшипника	d	D	B	Динамическая C	Статическая C₀	Масса, кг
особолегкая серия 100
104	20	42	12	9360	4500	0,07
105	25	47	12	11200	5600	0,08
106	30	55	13	13300	6800	0,12
107	35	62	14	15900	8500	0,16
108	40	68	15	16800	9300	0,19
109	45	75	16	21200	12200	0,24
110	50	80	16	21600	13200	0,25
111	55	90	18	28100	17000	0,39
112	60	95	18	29600	18300	0,39
113	65	100	18	30700	19600	0,45
114	70	110	20	37700	24500	0,60
115	75	115	20	39700	26000	0,66
116	80	125	22	47700	31500	0,85
117	85	130	22	49400	33500	0,91
118	90	140	24	57200	39000	1,20
119	95	145	24	60500	41500	1,21
120	100	150	24	60500	41500	1,29
Легкая серия 200
204	20	47	14	12700	6200	0,10
205	25	52	15	14000	6950	0,12
206	30	62	16	19500	10000	0,20
207	35	72	17	25500	13700	0,29
208	40	80	18	32000	17800	0,36
209	45	85	19	36400	18600	0,41
210	50	90	20	35100	19800	0,47
211	55	100	21	43600	25000	0,60
212	60	110	22	52000	31000	0,80
213	65	120	23	56000	34000	0,98
214	70	125	24	61800	37500	1,08
215	75	130	25	66300	41000	1,18
216	80	140	26	70200	45000	1,40
217	85	150	28	83200	53000	1,80
218	90	160	30	95600	62000	2,20
219	95	170	32	108000	69500	2,70
220	100	180	34	124000	79000	3,20
Средняя серия 300
304	20	52	15	15900	7800	0,14
305	25	62	17	22500	11400	0,23
306	30	72	19	28100	14600	0,34
307	35	80	21	33200	18000	0,44
308	40	90	23	41000	22400	0,63
309	45	100	25	52700	30000	0,83
310	50	110	27	61800	36000	1,08
311	55	120	29	71500	41500	1,35
312	60	130	31	81900	48000	1,70
313	65	140	33	92300	56000	2,11
314	70	150	35	104000	63000	2,60
315	75	160	37	112000	72500	3,10
316	80	170	39	124000	80000	3,60
317	85	180	41	133000	90000	4,30
318	90	190	43	143000	99000	5,10
319	95	200	45	153000	110000	5,70
320	100	215	47	174000	132000	7,00
Тяжелая серия 400
405	25	80	21	36400	20400	0,50
406	30	90	23	47000	26700	0,72
407	35	100	25	55300	31000	0,93
408	40	110	27	63700	36500	1,20
409	45	120	29	76100	46500	1,52
410	50	130	31	87100	52000	1,91
411	55	140	33	100000	63000	2,30
412	60	150	35	108000	70000	2,80
413	65	160	37	119000	78100	3,40
414	70	180	42	143000	105000	5,30
416	76	200	48	163000	125000	7,00
417	80	210	52	174000	135000	8,00

Таблица 9. Шарикоподшипники радиальные сферические двухрядные по ГОСТ 5720-75

Услов- ное обозна- чение подшип- ника	Размеры, мм			Грузоподъемность,Н				Факторы эквивалент- ной нагрузки				Масса, кг
	d	D	B		Динами- ческая С		Статичес- кая С₀	e	Y при F_a/VF_r		Y₀	Масса, кг
									≤e	>e
Легкая серия 1200
1204	20	47	14	9950		3180		0,27	2,31	3,57	2,42	0,12
1205	25	52	15	12100		4000		0,27	2,32	3,60	2,44	0,14
1206	30	62	16	15600		5800		0,24	2,58	3,99	2,70	0,22
1207	35	72	17	15900		6600		0,23	2,74	4,24	2,87	0,32
1208	40	80	18	19000		8550		0,22	2,87	4,44	3,01	0,42
1209	45	85	19	21600		9600		0,21	2,97	4,60	3,11	0,47
1210	50	90	20	22900		10899		0,21	3,13	4,85	3,28	0,53
1211	55	100	21	26500		13300		0,20	3,20	5,00	3,39	0,71
1212	60	110	22	30200		15500		0,19	3,40	5,27	3,57	0,88
1213	65	120	23	31200		17200		0,17	3,70	5,73	3,88	1,15
1214	70	125	24	34500		18700		0,18	3,50	5,43	3,68	1,26
1215	75	130	25	39000		21500		0,18	3,60	5,57	3,77	1,36
1216	80	140	26	39700		23500		0,16	3,90	6,10	4,13	1,67
1217	85	150	28	48800		28500		0,17	3,69	5,71	3,87	2,10
1218	90	160	30	57200		32000		0,17	3,76	5,82	3,94	2,50
1220	100	180	34	68900		40500		0,17	3,63	5,63	3,81	3,70
Средняя серия 1300
1304	20	52	15	12500		3660		0,29	2,17	3,35	2,27	0,16
1305	25	62	17	17800		6000		0,28	2,26	3,49	2,36	0,26
1306	30	72	19	21200		7700		0,26	2,46	3,80	2,58	0,39
1307	35	80	21	25100		9800		0,25	2,57	3,98	2,69	0,50
1308	40	90	23	29600		12200		0,23	2,61	4,05	2,74	0,70
1309	45	100	25	37700		15900		0,25	2,54	3,93	2,66	0,96
1310	50	110	27	43600		17500		0,34	2,68	4,14	2,80	1,21
1311	55	120	29	50700		22500		0,23	2,70	4,17	2,82	1,58
1312	60	130	31	57200		26500		0,23	2,80	4,33	2,93	1,96
1313	65	140	33	61800		29500		0,23	2,79	4,31	2,92	2,50
1314	70	150	35	74100		35500		0,22	2,81	4,35	2,95	3,00
1315	75	160	37	79300		38500		0,22	2,84	4,39	2,97	3,60
1316	80	170	39	77400		42000		0,22	2,92	4,52	3,06	4,30

Таблица 10. Роликоподшипники радиальные однорядные

с коротким цилиндрическим роликом по ГОСТ 8328-75

Условное обозначение подшипника	Размеры, мм			Грузоподъемность, Н		Масса, кг
Условное обозначение подшипника	d	D	B	Динамическая C	Статическая C₀	Масса, кг
Легкая узкая серия 2200
2204	20	47	14	14700	7350	0,13
2205	25	52	15	16800	8800	0,15
2206	30	62	16	22400	12000	0,24
2207	35	72	17	31900	17600	0,35
2208	40	80	18	41800	24000	0,40
2209	45	85	19	44000	25500	0,49
2210	50	90	20	45700	27500	0,57
2211	55	100	21	56100	34000	0,76
2212	60	110	22	64400	43000	0,95
2213	65	120	23	76500	51000	1,20
2214	70	125	24	79200	51000	1,30
2215	75	130	25	91300	63000	1,40
2216	80	140	26	106000	68000	1,80
2217	85	150	28	119000	78000	2,27
2218	90	160	30	142000	105000	2,80
2220	100	180	34	183000	125000	4,00
Средняя узкая серия 2300
2305	25	62	17	28600	15000	0,30
2306	30	72	19	36900	20000	0,40
2307	35	80	21	44600	27000	0,55
2308	40	90	23	56100	32500	0,77
2309	45	100	25	72100	41500	1,00
2310	50	110	27	88000	52000	1,35
2311	55	120	29	102000	67000	1,70
2312	60	130	31	123000	76500	2,10
2313	65	140	33	138000	85000	2,60
2314	70	150	35	151000	102000	3,20
2315	75	160	37	183000	125000	3,80
2316	80	170	39	190000	125000	4,40

Таблица 11. Роликоподшипники радиальные сферические двухрядные по ГОСТ 5721-75

Услов- ное обозна- чение подшип- ника	Размеры, мм			Грузоподъемность, Н				Факторы эквивалент- ной нагрузки				Масса, кг
	d	D	B		Динами- ческая С		Статичес- кая С₀	e	Y при F_a/VF_r		Y₀	Масса, кг
	d	D						e	≤e	>e	Y₀
Легкая широкая серия 3500
3508	40	80	23	57000		33000		0,231	2,10	3,13	2,06	0,58
3509	45	85	23	64000		35000		0,293	2,26	3,36	2,21	0,6
3514	70	125	31	132000		93800		0,27	2,51	3,74	2,46	1,8
3516	80	140	33	160000		118000		0,25	2,68	4,00	2,63	2,2
3517	85	150	36	183000		130000		0,26	2,65	3,94	2,59	2,8
3518	90	160	40	216000		159000		0,27	2,54	3,77	2,48	3,5
3520	100	180	46	275000		212000		0,27	2,47	3,68	2,41	5,2
3522	110	200	53	355000		276000		0,28	2,39	3,55	2,31	7,5
3524	120	215	58	415000		325000		0,29	2,36	3,51	2,31	9,3
3526	130	230	64	500000		415000		0,29	2,31	3,44	2,26	11,2
3528	140	250	68	585000		465000		0,29	2,35	3,50	2,30	14,5
3530	150	270	73	640000		530000		0,29	2,35	3,50	2,30	18
Средняя широкая серия 3600
3608	40	90	33	95000		64900		0,42	1,61	2,40	1,58	1,0
3609	45	100	36	114000		74800		0,41	1,67	2,50	1,62	1,4
3610	50	110	40	150000		101000		0,42	1,62	2,42	1,59	1,9
3611	55	120	43	170000		118000		0,41	1,66	2,47	1,62	2,3
3612	60	130	46	196000		128000		0,40	1,68	2,50	1,64	3,1
3613	65	140	48	220000		142000		0,37	1,80	2,69	1,77	3,7
3614	70	150	51	270000		181000		0,37	1,81	2,70	1,78	4,3
3615	75	160	55	300000		207000		0,38	1,78	2,65	1,74	5,3
3616	80	170	58	325000		227000		0,36	1,88	2,81	1,74	6,6
3617	85	180	60	365000		270000		0,37	1,84	2,74	1,80	7,6
3618	90	190	64	400000		300000		0,37	1,83	2,72	1,79	9,3
3620	100	215	73	520000		410000		0,37	1,81	2,70	1,77	13
3622	110	240	80	610000		470000		0,37	1,83	2,72	1,79	18

Таблица 12. Шарикоподшипники радиально-упорные однорядные по ГОСТ 831-75

Условное обозначение подшипника	Размеры, мм			Грузоподъемность, Н		Масса, кг
Условное обозначение подшипника	d	D	B	Динамическая C	Статическая C₀	Масса, кг
Особолегкая серия 36100, α = 12⁰
36104	20	42	12	10600	5320	0,068
36106	30	55	13	15300	8570	0,18
Легкая серия 36200, α = 12⁰
36204	20	47	14	15700	8310	0,10
36205	25	52	15	16700	9100	0,12
36206	30	62	16	22000	12000	0,19
36207	35	72	17	30800	17800	0,27
36208	40	80	18	38900	23200	0,37
36209	45	85	19	41200	25100	0,42
36210	50	90	20	43200	27000	0,47
36211	55	100	21	58400	34200	0,58
36212	60	110	22	61500	39300	0,77
36214	70	125	24	80200	54800	1,04
36216	80	140	26	93600	65000	1,68
Особолегкая серия 46100, α = 26⁰
46106	30	55	13	14500	7880	0,18
46108	40	68	15	18900	11100	0,22
46109	45	75	16	22500	13400	0,28
46111	55	90	18	32600	21100	0,38
46112	60	95	18	37400	24500	0,48
46114	70	140	20	45100	31700	0,72
46115	75	115	20	47300	33400	0,78
46116	80	125	22	56000	40100	0,90
46117	85	130	22	57400	42100	1,04
46118	90	140	24	63500	47200	1,43
46120	100	150	24	71500	55100	1,56
Легкая серия 46200, α = 26⁰
46204	20	47	14	14800	7640	0,10
46205	25	52	15	15700	8340	0,12
46206	30	62	16	21900	12000	0,19
46207	35	72	17	29000	16400	0,27
46208	40	80	18	36800	21300	0,37
46209	45	85	19	38700	23100	0,42
46210	50	90	20	40600	24900	0,47
46211	55	100	21	50300	31500	0,58
46212	60	110	22	60800	38800	0,77
46213	65	120	23	69400	45900	0,98
46215	75	130	25	78400	53800	1,39
46216	80	140	26	87900	60000	1,68
46217	85	150	28	94400	65100	1,88
46218	90	160	30	111000	76200	2,20
46220	100	180	34	148000	107000	3,20
Средняя серия 46300, α = 26⁰
46304	20	52	15	17800	9000	0,17
46305	25	62	17	26900	14600	0,23
46306	30	72	19	32600	18300	0,35
46307	35	80	21	42600	24700	0,44
46308	40	90	23	50800	30100	0,63
46309	45	100	25	61400	37000	0,83
46310	50	110	27	71800	44000	1,08
46312	60	130	31	100000	65300	1,71
46313	65	140	33	113000	75000	2,09
46314	70	150	35	127000	85300	3,30
46316	80	170	39	136000	99000	-
46318	90	190	43	165000	122000	5,00
46320	100	215	47	213000	177000	8,14
Средняя серия 66300, α = 36⁰
66309	45	100	25	60800	36400	0,83
66312	60	130	31	93700	58800	1,71
66314	70	150	35	119000	76800	3,30
Тяжелая серия 66400, α = 36⁰
66406	30	90	23	43800	27600	0,77
66408	40	110	27	72200	42300	1,37
66409	45	120	29	81600	47300	1,75
66410	50	130	31	98900	60100	2,17
66412	60	150	35	125000	79500	3,52
66414	70	180	42	152000	109000	5,7
66416	90	225	54	208000	162000	12,0

Таблица 13. Роликоподшипники радиально-упорные конические однорядные

по ГОСТ 333-79 (с углом конуса α = 10...16⁰),

по ГОСТ 7260-79 ( с углом конуса α = 25...29⁰)

Условные обозначе- ния подшип-ников	Размеры, мм				Грузоподъемность,Н		Факторы эквивалент- ной нагрузки			Масса, кг
Условные обозначе- ния подшип-ников	d	D	T	B	Динами- ческая С	Стати- ческая С₀	e	Y	Y₀	Масса, кг
Легкая серия 7200, α = 12...16⁰
7204	20	47	15,25	14	21000	13000	0,36	1,67	0,92	0,120
7205	25	52	16,25	15	24000	17500	0,36	1,67	0,92	0,150
7206	30	62	17,25	16	31000	22000	0,36	1,68	0,91	0,233
7207	35	72	18,25	17	38500	26000	0,37	1,62	0,89	0,327
7208	40	80	19,75	20	46500	32500	0,38	1,56	0,86	0,445
7209	45	85	20,75	19	50000	33000	0,41	1,45	0,80	0,485
7210	50	90	21,75	21	56000	40000	0,37	1,60	0,88	0,539
7211	55	100	22,75	21	65000	46000	0,41	1,46	0,80	0,709
7212	60	110	23,75	23	78000	58000	0,35	1,71	0,94	0,895
7214	70	125	26,25	26	96000	82000	0,37	1,62	0,89	1,33
7215	75	130	27,25	26	107000	84000	0,39	1,55	0,85	1,42
7216	80	140	28,25	26	112000	95200	0,42	1,43	0,78	1,67
7217	85	150	30,25	28	130000	109000	0,43	1,38	0,76	2,10
7218	90	160	32,50	31	158000	125000	0,38	1,56	0,86	2,52
Легкая широкая серия 7500, α = 13...15⁰
7506	30	62	21,25	20,5	36000	27000	0,37	1,65	0,90	0,290
7507	35	72	24,25	23,0	53000	40000	0,35	1,73	0,95	0,449
7508	40	80	24,75	23,5	56000	44000	0,38	1,58	0,87	0,576
7509	45	85	24,75	23,5	60000	46000	0,42	1,44	0,80	0,618
7510	50	90	24,75	23,5	62000	54000	0,42	1,43	0,78	0,640
7511	55	100	26,75	25,0	80000	61000	0,36	1,67	0,92	0,825
7512	60	110	29,75	28,0	94000	75000	0,39	1,53	0,84	1,19
7513	65	120	23,75	31,0	119000	98000	0,37	1,62	0,89	1,57
7514	70	125	33,25	31,0	125000	101000	0,39	1,55	0,85	1,60
7515	75	130	33,25	31,0	130000	108000	0,41	1,48	0,81	1,76
7516	80	140	35,25	33,0	143000	126000	0,40	1,49	0,82	2,15
7517	85	150	38,50	36,0	162000	141000	0,39	1,55	0,85	2,80
7518	90	160	42,50	40,0	190000	171000	0,39	1,55	0,85	3,44
Средняя серия 7300, α = 11...13⁰
7304	20	52	16,25	16	26000	17000	0,30	2,03	1,11	0,17
7305	25	62	18,25	17	33000	23000	0,36	1,66	0,92	0,253
7306	30	72	20,75	19	43000	29500	0,34	1,78	0,98	0,458
7307	35	80	22,75	21	54000	38000	0,32	1,88	1,03	0,496
7308	40	90	25,25	23	66000	47500	0,28	2,16	1,19	0,703
7309	45	100	27,25	26	83000	60000	0,29	2,09	1,15	1,01
7310	50	110	29,25	29	100000	75500	0,31	1,94	1,06	1,33
7311	55	120	31,5	29	107000	81500	0,33	1,80	0,99	1,64
7312	60	130	33,5	31	128000	96500	0,30	1,97	1,08	2,00
7313	65	140	36,0	33	146000	112000	0,30	1,97	1,08	2,54
7314	70	150	38,0	37	170000	137000	0,31	1,94	1,06	3,09
7315	75	160	40,0	37	180000	148000	0,33	1,83	1,01	3,63
7317	85	180	44,5	41	230000	195000	0,31	1,91	1,05	5,21
7318	90	190	46,5	43	250000	201000	0,32	1,88	1,03	5,56
7320	100	215	51,5	47	290000	270000	0,318	1,88	1,03	7,90
Средняя широкая серия 7600, α = 11...13⁰
7604	20	52	22,25	21,0	31500	22000	0,30	2,01	1,11	0,236
7605	25	62	25,25	24,0	47500	36600	0,27	2,19	1,20	0,366
7606	30	72	28,75	29,0	63000	51000	0,32	1,88	1,03	0,574
7607	35	80	32,75	31,0	76000	61500	0,30	2,03	1,11	0,798
7608	40	90	35,25	33,0	90000	67500	0,30	2,03	1,11	1,040
7609	45	100	38,25	36,0	114000	90500	0,29	2,06	1,13	1,34
7610	50	110	42,25	40,0	122000	108000	0,30	2,03	1,11	1,81
7611	55	120	45,5	44,5	160000	140000	0,32	1,85	1,02	2,43
7612	60	130	48,5	47,5	186000	157000	0,30	1,97	1,08	3,00
7613	65	140	51,0	48,0	210000	168000	0,33	1,83	1,01	3,63
7614	70	150	54,0	51,0	240000	186000	0,35	1,71	0,94	4,44
7615	75	160	58,0	55,0	280000	235000	0,30	1,99	1,2	5,38
7616	80	170	61,5	59,5	310000	290000	0,32	1,89	1,04	6,40
7618	90	190	67,5	66,5	370000	365000	0,30	1,99	1,20	8,78
7620	100	215	77,5	73,0	460000	460000	0,31	1,91	1,05	13,2
Средняя серия 27300, α = 25...29⁰
27306	30	72	20,5	19	35000	20600	0,72	0,833	0,46	0,392
27307	35	80	22,5	21	45000	29000	0,79	0,76	0,42	0,52
27308	40	90	25,0	23	56000	37000	0,79	0,76	0,42	0,766
27310	50	110	29,0	27	80000	53000	0,80	0,75	0,41	1,24
27311	55	120	31,0	29	92000	58000	0,81	0,74	0,50	1,58
27312	60	130	33,0	31	105000	61000	0,70	0,86	0,47	1,91
27313	65	140	35,5	33	120000	70000	0,75	0,80	0,44	2,4
27315	75	160	39,5	37	150000	93500	0,83	0,73	0,40	3,5
27317	85	180	44,0	41	180000	146000	0,76	0,79	0,43	4,7

Таблица 14. Шарикоподшипники упорные одинарные по ГОСТ 6874-75

Условное обозначение подшипника	Размеры, мм			Грузоподъемность, Н		Масса, кг
Условное обозначение подшипника	d	D	H	Динамическая C	Статическая C₀	Масса, кг
Особолегкая серия 8100
8104	20	35	10	12700	21200	0,04
8105	25	42	11	15900	25700	0,06
8106	30	47	11	16800	29000	0,07
8107	35	52	12	17400	36500	0,084
8108	40	60	13	23400	50000	0,12
8109	45	65	14	24200	55000	0,15
8110	50	70	14	25500	60000	0,16
8111	55	78	16	30700	81500	0,24
8112	60	85	17	35800	90000	0,29
8113	65	90	18	37100	102000	0,34
8114	70	95	18	38000	111000	0,36
8115	75	100	19	38000	116000	0,42
8116	80	105	19	39700	120000	0,43
8117	85	110	19	40000	129000	0,46
8118	90	120	22	50700	157000	0,68
8120	100	135	25	74100	214000	1,00
Легкая серия 8200
8204	20	40	14	19000	30000	0,08
8205	25	47	15	24700	40000	0,12
8206	30	52	16	25500	46000	0,14
8207	35	62	18	35100	56500	0,22
8208	40	68	19	39700	78500	0,27
8209	45	73	20	41000	89000	0,32
8210	50	78	22	43000	103000	0,39
8211	55	90	25	63700	127000	0,61
8212	60	95	26	65000	150000	0,69
8213	65	100	27	66300	150000	0,75
8214	70	105	27	70000	158000	0,80
8215	75	110	27	71500	166000	0,86
8216	80	115	28	80000	188000	0,95
8217	85	125	31	85000	235000	1,30
8218	90	135	35	108000	285000	1,86
8220	100	150	38	133000	330000	2,40
Средняя серия 8300
8305	25	52	18	33800	50000	0,18
8306	30	60	21	40300	66500	0,27
8307	35	68	24	49400	83500	0,39
8308	40	78	26	65000	107000	0,55
8309	45	85	28	71500	130000	0,69
8310	50	95	31	87100	161000	1,00
8311	55	105	35	112000	213000	1,34
8312	60	110	35	112000	213000	1,43
8313	65	115	36	114000	249000	1,57
8314	70	125	40	133000	290000	2,10
8315	75	135	44	153000	340000	2,70
8316	80	140	44	159000	340000	2,80
8318	90	155	50	199000	445000	3,90
8320	100	170	55	238000	480000	5,10
Тяжелая серия 8400
8413	65	140	55	216000	400000	4,2
8420	100	210	85	400000	970000	14,9
8426	130	270	110	520000	1600000	31,8

Таблица 15. Рекомендуемые значения расчетной

долговечности для различных типов машин

Примеры машин и оборудования

Долго-вечность, ч

Приборы и аппараты, используемые периодически:

демонстрационная аппаратура, механизмы для закрывания дверей, бытовые приборы

500

Неответственные механизмы, используемые в течение коротких промежутков времени: механизмы с ручным приводом, сельскохозяйственные машины, подъемные краны в сборочных цехах, легкие конвейеры

4000

и более

Ответственные механизмы, работающие с перерывами: вспомогательные механизмы на силовых станциях, конвейеры для поточного производства, лифты, нечасто используемые металлообрабатывающие станки

8000

и более

Машины для односменной работы с неполной нагрузкой: стационарные электродвигатели, редукторы общего назначения, часто используемые металлорежущие станки

12000

и более

Машины, работающие с полной нагрузкой в одну смену: машины общего машиностроения, подъемные краны для режимов Т и ВТ, вентиляторы, распределительные валы

Около

20000

Машины для круглосуточного использования: компрессоры, насосы, шахтные подъемники, стационарные электромашины, судовые приводы

40000

и более

Непрерывно работающие машины с высокой нагрузкой:

оборудование бумажных фабрик, энергетические установки, шахтные насосы, оборудование торговых морских судов

100000

и более

Вопросы для самопроверки

- Каков круг задач, решаемых конструктором при создании узлов трения?

- Из каких соображений выбирается тип подшипника?

- Назовите три общих правила выбора материалов подшипников скольжения.

- Укажите основные способы снижения нагруженности подшипников.

- Перечислите основные требования к расчету подшипников скольжения.

- Какие различают типы подшипников скольжения по конструкции?

- Каковы достоинства и недостатки подшипников скольжения и в каких областях машиностроения их применяют?

- В чем состоят преимущества и недостатки подшипников скольжения и качения по сравнению друг с другом?

- Каковы основные типы подшипников скольжения, материалы их вкладышей?

- Какова роль смазки в подшипниках скольжения?

- В чем состоит принцип работы гидродинамического подшипника скольжения?

- У каких подшипников (качения или скольжения) и когда сопротивление вращению меньше? Дайте подробное обоснование.

- Какие различают типы подшипников скольжения по конструкции?

- Каковы достоинства и недостатки подшипников скольжения, и в каких областях машиностроения их применяют?

- Как устроены подшипники скольжения, каково назначение вкладышей? Когда применяют самоустанавливающиеся вкладыши?

- Какие различают режимы смазки в подшипниках скольжения? Какая смазка обеспечивает безизносную работу подшипника?

- Как обеспечивают режим жидкостной смазки в гидродинамических и гидростатических подшипниках скольжения?

- Какие материалы применяют для изготовления вкладышей? Какие требования предъявляют к этим материалам?

- Какие смазочные материалы, и в каких случаях применяют в подшипниках скольжения? Как их подводят к узлам трения?

- Каковы виды разрушения подшипников скольжения?

- Устройство подшипников качения.

- Характеристика типов подшипников.

- Серии подшипников, их влияние на габаритные размеры, грузоподъемность и быстроходность.

- Классы точности и ряды радиальных зазоров.

- В чем разница понятий «ширина» и «монтажная высота»?

- Уметь расшифровывать любой пример условного обозначения, предложенный преподавателем.

- Что такое динамическая и статическая грузоподъемности подшипника? Как они определяются?

- Как рассчитать предельную частоту вращения подшипника?

- Какую нагрузку (по направлению и соотношению величин) могут воспринимать подшипники 305, 2305, 42305, 46305, 8305?

- Какой подшипник воспринимает большую осевую силу: 310 или 70-310?

- Из каких материалов изготавливают детали подшипников?

- Каковы критерии работоспособности подшипников скольжения?

- Как классифицируют подшипники по виду трения и воспринимаемой нагрузке?

- Что такое жидкостное и полужидкостное трение в подшипниках скольжения?

- Какие основные условия необходимы для образования жидкостного трения?

- Какие параметры конструкции, кроме диаметра вала, определяют при расчете подшипников скольжения?

- Какие материалы применяют для подшипников скольжения?

- С учетом достоинств и недостатков подшипников скольжения назовите машины, в которых их можно применять.

- Для чего во втулке 1 неразъемного подшипника (см. рис.) делают канавки К и отверстие 0?

- Для чего в корпусе подшипника предусмотрен (см. рис.) зазор δ_k? Назначение выступа B?

- Какой подшипник показан на рисунке?

- Какую нагрузку может воспринимать опора, показанная на рисунке?

- На рисунке найдите подшипники качения ведущего вала зубчатого редуктора. Дайте характеристику подшипников по форме тел качения.

- Как обеспечивают режим жидкостной смазки в гидродинамических и гидростатических подшипниках скольжения?

- Какие материалы применяют для изготовления вкладышей? Какие требования предъявляют к этим материалам?

- Какие смазочные материалы и в каких случаях применяют в подшипниках скольжения? Как их подводят к узлам трения?

- Каковы виды разрушения подшипников скольжения?

- Каковы критерии работоспособности подшипников скольжения? Какие параметры определяют при условном расчете?

- Запишите основные формулы для проведения условного расчета подшипников скольжения.

- Определите среднее давление в подшипнике, если диаметр цапфы d = 60 мм, ее длина l = 60 мм. На подшипник действует сила F_r = 5,75 кН.

- Что является обязательным элементом в конструкции подшипников скольжения?

- Какие поломки наблюдаются у подшипников скольжения?

- Запишите условие износостойкости подпятников.

- Какие режимы трения возможны в подшипниках скольжения со смазкой?

- Опишите устройство и классификацию подшипников качения. Из каких материалов изготовляют их составные части?

- Каковы достоинства и недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения?

- Укажите основные причины выхода из строя подшипников качения. Каковы внешние признаки выбраковки их?

- Дайте определение базовой статической и динамической грузоподъемности.

- Какую нагрузку называют эквивалентной динамической?

- Назовите принципы подбора подшипников качения.

- Как рассчитывают подшипники качения на долговечность?

- Объясните маркировку подшипников качения. Определите тип и размеры подшипников, имеющих условные обозначения: 208, 2208 и 36208.

- Каковы основные требования к выбору подшипников качения?

- Каковы основные типы подшипников качения?

- Что такое статическая и динамическая грузоподъемности подшипников?

- Как производится подбор подшипников по динамической грузоподъемности?

- Почему упорные подшипники значительно тихоходнее радиальных того же размера?

- Как определяются осевые нагрузки при фиксации двух опор вала в радиально-упорных подшипниках?

- Укажите основные виды расчетов подшипников качения.

- Каковы основные принципы конструирования подшипниковых узлов?

- Из каких деталей состоят подшипники качения? Каково назначение сепаратора в подшипнике?

- Чем принципиально отличаются подшипники качения от подшипников скольжения?

- Каковы достоинства и недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения?

- Как классифицируют подшипники качения по направлению воспринимаемой нагрузки, по форме тел качения, по основным конструктивным признакам?

- Какие различают основные типы шарико- и роликоподшипников? Где их применяют?

- Каковы особенности конструкции и работы сферических и игольчатых подшипников? Где их применяют?

- Определите тип и размер внутреннего диаметра подшипников, имеющих условные обозначения: 408, 2306, 36207, 1209.

- Сравните подшипники, имеющие условные обозначения: 7206 и 6-7306.

- Определить внутренний диаметр и серию подшипника 50312.

- Запишите характеристику подшипников качения, имеющих обозначение (клеймо) 2404.

- Перечислите типы подшипников качения, относящихся к радиальным, радиально-упорным, упорным.

- Допускает ли осевую нагрузку подшипник 2412?

- Классификация подшипников качения.

- Условное обозначение подшипников по ГОСТ.

- Расшифруйте обозначения и нарисуйте сечения подшипников:

1) 24-101Т2, 6-180208С17, А5-206Ю;

2) 2308, 20-102605, 4-3182124К;

3) Х-7606А, 38208, 66-36206Е;

4) 5-1210Х2, 2007112Д, 5-178820.

- Какие подшипники из предложенных пар и почему имеют большие грузоподъемность и габариты : 208 или 408; 208 или 2208; 205 или 296; 36308 или 36318; 7208 или 7508; 7508 или 7608; 7210 или 7210А?

- Схемы установки подшипников на валах.

- Особенности радиально-упорных подшипников и требования, предъявляемые к ним при сборке.

- Что следует предпринять, если из 200 подшипников, установленных в редукторах, 16 при базовом ресурсе преждевременно получили повреждения?

- Какие типы подшипников качения следует назначить, если отношения F_a / F_r равны: 0,2; 0; 0,6; 2; 8; 20?

- Характер разрушения и методы подбора подшипников качения при n = 1300; 2,5; 20; 0,9 и 0,4 мин^-1.

- Подбор подшипников по статической грузоподъемности.

- Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности.

- Особенности подбора подшипников при n > 1 мин^-1.

- Какой из подшипников в предложенных схемах воспринимает внешнюю осевую силу F_A? Что изменится при реверсировании передачи?

- Формулы базового и скорректированного ресурсов подшипников.

- Во сколько раз изменится L₁₀_ah, если при прочих равных условиях и нагрузке роликовые подшипники заменить шариковыми?

- Насколько изменится ресурс шарикоподшипника, если нагрузку на него увеличить вдвое, а частоту вращения уменьшить в 2 раза?

- Как изменится ресурс подшипника, если требование по надежности увеличить с 0,9 до 0,96?

- Какие напряжения испытывают детали подшипников (кроме сепаратора), и в каком месте они наибольшие?

- Подшипник 416 (С_r = 128 кН) после выхода из строя был заменен на 32416 (С_r = 248 кН). Какого изменения L_h можно ожидать, если F_r= 3000 Н?

- Подшипники скольжения: устройство, области применения, расчет.

- Условия образования жидкостного трения.

- Считаете ли вы правильным при проектировании новых машин применение только подшипников качения? Почему?

- Какого типа подшипники следует выбрать для редуктора с шевронными зубчатыми колесами? Почему?

- Из каких материалов изготовляют тела качения, кольца и сепараторы?

- Укажите характер и причины повреждения подшипников качения. Каковы внешние признаки выбраковки подшипников?

- Что понимают под базовой динамической радиальной грузоподъемностью подшипника качения?

- Что понимают под эквивалентной радиальной динамической нагрузкой подшипника качения? Как вычисляют ее для основных типов подшипников?

- Что считается критерием работоспособности подшипников качения?

- В каком случае выбор подшипника производят по статической грузоподъемности?

- В чём заключается принцип конструкции подшипников качения?

- Какие тела качения применяются в подшипниках?

- Для чего в подшипниках качения устанавливают сепаратор?

- Каковы достоинства и недостатки подшипников качения?

- По каким признакам классифицируются подшипники качения?

- Для чего в подшипниках качения применяется смазка?

- Какие типы подшипников назначаются в зависимости от действующих в опорах нагрузок?

- Каковы причины поломок и критерии расчёта подшипников качения?

- Что такое долговечность подшипника?

- Что такое грузоподъёмность подшипника?

- Что такое эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник и как она определяется?

- Как фиксируются внутреннее и наружное кольца подшипника качения?

- Назовите основные причины, влияющие на долговечность подшипников качения.

- Перечислите основные виды разрушения деталей подшипников.

- Как и зачем регулируется жёсткость подшипника качения?

- С какой целью применяются уплотнения в подшипниковых узлах?

- Какие типы уплотнений применяют для подшипниковых узлов?

- Какие посадки на вал и в корпус назначаются для подшипников качения?

- Как выполняется монтаж и демонтаж подшипников качения?

- Какие виды смазок применяются для подшипников качения?

- Почему подшипники качения получили преимущественное распространение? Их преимущества и недостатки?

- Основные типы подшипников качения?

- Зачем нужен сепаратор в подшипнике?

- Как распределяется радиальная нагрузка по телам качения подшипника?

- Где больше контактные напряжения: на внутреннем или наружном кольцах радиального подшипника — и почему?

- Почему выгоднее вращение внутреннего кольца?

- Чему равна окружная скорость сепаратора в зависимости от окружной скорости вала?

- К каким вредным последствиям приводит разноразмерность диаметров тел качения?

- С чем связаны ограничения частоты вращения подшипников в ГОСТе? Для каких типов подшипников допускаемые частоты вращения меньше?

- Какие виды разрушения наблюдаются у подшипников качения и по каким критериям работоспособности их рассчитывают?

- Что такое динамическая С и статическая С₀ грузоподъемности подшипника?

- Что такое эквивалентная динамическая нагрузка Р подшипника?

- Какой зависимостью связаны С и Р с ресурсом L подшипника?

- Как учитывают надежность, качество материала и условия эксплуатации при определении ресурса L подшипника?

- Условие подбора подшипника по динамической грузоподъемности?

- Как учитывают переменность режима нагрузки?

- При каких условиях эксплуатации подшипники подбирают по статической грузоподъемности?

- Условие подбора подшипников по статической грузоподъемности.

- Каковы особенности расчета осевой нагрузки пары радиально-упорных подшипников?

- Перечислите недостатки применения жидкого смазочного материала по сравнению с пластичным для подшипников качения.

- В чем состоит принципиальное различие назначения смазывания в подшипниках качения и скольжения?

- Подшипники редуктора смазывают пластичной смазкой. Какие особенности конструкции позволяют сделать это?

- Как вычисляют расчетную осевую силу на каждый из подшипников двуопорного вала?

- Как при подборе подшипников качения учитывают переменный типовой режим нагружения?

- Как подбирают подшипники качения по таблицам каталога?

- Что понимают под базовой статической радиальной грузоподъемностью подшипника качения?

- Какие различают опоры по способности фиксировать осевое положение вала? Какие нагрузки могут воспринимать эти опоры? Какие типы подшипников применяют в них?

- Какие применяют способы крепления колец подшипников на валах и в корпусах?

- Для чего применяют смазывание подшипников качения, какими способами его осуществляют?

- С какой целью и какие виды уплотняющих устройств применяют в подшипниковых узлах?

- Как производят монтаж и демонтаж подшипников качения?

- Назовите области применения электромагнитного подвеса в роторных системах.

- Подшипник качения состоит из…...

1) Внутреннего и наружного колец, тел качения, сепаратора

2) Вкладыша, корпуса, тел качения

3) Корпуса, сепаратора, тел качения

4) Внутреннего и наружного колец, тел качения

- Сепаратор в подшипнике…...

1) Разделяет и направляет тела качения

2) Увеличивает нагрузочную способность

3) Уменьшает трение

4) Направляет тела качения

- По форме тел качения подшипники разделяют на …...

1) Шариковые, роликовые

2) Радиальные, упорные

3) Роликовые, упорные

4) Шариковые, радиальные

- Только осевую нагрузку воспринимает ….. подшипник

1) Шариковый радиальный однорядный

2) Роликовый радиально-упорный

3) Шариковый упорный

4) Роликовый двухрядный радиальный сферический

- Диаметр внутреннего кольца подшипника 210 равен…..

1) 10мм

2) 50мм

3) 100мм

4) 200мм

- Подшипники качения рассчитывают по статической грузоподъемности при …..

1) n<1 мин^-1

2) n≥10 мин^-1

3) n≤10 мин^-1

4) n≥100 мин^-1

- Подшипники качения рассчитывают по динамической грузоподъемности при …..

1) n<1 мин^-1

2) n≥10 мин^-1

3) n≤10 мин^-1

4) n≥100 мин^-1

- Шариковый радиальный однорядный подшипник изображен на рисунке…..

ScanImage001

А) Б) В) Г) Д)

1) А

2) Б

3) В

4) Г

5) Д

- Роликовый радиально-упорный подшипник изображен на рисунке…..

ScanImage001

А) Б) В) Г) Д)

1) А

2) Б

3) В

4) Г

5) Д

- Радиально-упорные подшипники могут воспринимать….. нагрузки

1) Радиальные

2) Осевые

3) Радиальные и осевые

- Большей нагрузочной способностью при одном и том же диаметре внутреннего кольца обладают подшипники ….. серии

1) Особолегкой

2) Легкой

3) Средней

4) Тяжелой

- Наиболее высоким из перечисленных классов точности подшипников качения является…..

1) 0

2) 6

3) 5

4) 4

5) 2

- Что показано на рисунке?

kpr04q01

1. Подшипники качения

2. Подшипники вращения

3. Шарики и ролики

4. Что-то странное

- Что показано на рисунке?

1. Роликоподшипники радиальные игольчатые

2. Роликоподшипники радиальные

3. Ролики

4. Ролики длинные

- Что показано на рисунке?

kpr04q03

1. Подшипники радиальные

2. Подшипники радиально-упорные

3. Подшиники упорные

4. На рисунке подшипников нет

- Что показано на рисунке?

kpr04q04

1. Шарикоподшипник радиальный однорядный

2. Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный

3. Шарикоподшипник упорно-радиальный однорядный

4. Шарикоподшипник многорядный

- Что показано на рисунке?

kpr04q05

1. Шарикоподшипник радиальный двухрядный сферический

2. Шарикоподшипник упорно-радиальный

3. Шарикоподшипник радиальный однорядный

4. Роликоподшипник радиальный двухрядный

- Что показано на рисунке?

kpr04q06

1. Шарикоподшипник радиальный однорядный

2. Шарикоподшипник радиальный двухрядный сферический

3. Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный со скосом на одном из колец

4. Шарикоподшипник радиально-упорный сдвоенный

- Что показано на рисунке?

kpr04q07

1. Шарикоподшипник радиальный однорядный

2. Шарикоподшипник радиальный однорядный четырехточечный

3. Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный со скосом на одном из колец

4. Шарикоподшипник радиально-упорный сдвоенный

- Что показано на рисунке?

kpr04q08

1. Шарикоподшипник радиальный однорядный

2. Шарикоподшипник радиальный однорядный четырехточечный

3. Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный со скосом на одном из колец

4. Шарикоподшипник радиально-упорный сдвоенный

- Что показано на рисунке?

kpr04q09

1. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный

2. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без внутреннего кольца

3. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без наружного кольца

4. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами двухрядный

- Что показано на рисунке?

1. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный

2. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без внутреннего кольца

3. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без наружного кольца

4. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами двухрядный

- Что показано на рисунке?

1. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный

2. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без внутреннего кольца

3. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без наружного кольца

4. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами двухрядный

- Что показано на рисунке?

1. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный

2. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без внутреннего кольца

3. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами однорядный без наружного кольца

4. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами двухрядный

- Что показано на рисунке?

kpr04q13

1. Роликоподшипник радиальный сферический двухрядный

2. Шарикоподшипник радиально-упорный сдвоенный

3. Шарикоподшипник радиальный двухрядный сферический

4. Роликоподшипник радиальный с короткими цилиндрическими роликами двухрядный

- Что показано на рисунке?

kpr04q14

1. Шарикоподшипник упорный одинарный

2. Шарикоподшипник упорный двойной

3. Роликоподшипник упорный сферический

4. Подшипник шарнирный

- Что показано на рисунке?

kpr04q15

1. Шарикоподшипник упорный одинарный

2. Шарикоподшипник упорный двойной

3. Роликоподшипник упорный сферический

4. Подшипник шарнирный

- Что показано на рисунке?

1. Шарикоподшипник упорный одинарный

2. Шарикоподшипник упорный двойной

3. Роликоподшипник упорный сферический

4. Подшипник шарнирный

- Что показано на рисунке?

kpr04q17

1. Шарикоподшипник упорный одинарный

2. Шарикоподшипник упорный двойной

3. Роликоподшипник упорный сферический

4. Подшипник шарнирный

- Что показано на рисунке?

kpr04q18

1. Роликоподшипник радиально-упорный конический однорядный

2. Роликоподшипник радиально-упорный конический двухрядный

3. Роликоподшипник радиально-упорный конический четырехрядный

4. Роликоподшипник упорный сферический

- Что показано на рисунке?

kpr04q19

1. Роликоподшипник радиально-упорный конический однорядный

2. Роликоподшипник радиально-упорный конический двухрядный

3. Роликоподшипник радиально-упорный конический четырехрядный

4. Роликоподшипник упорный сферический

- Что показано на рисунке?

kpr04q20

1. Роликоподшипник радиально-упорный конический однорядный

2. Роликоподшипник радиально-упорный конический двухрядный

3. Роликоподшипник радиально-упорный конический четырехрядный

4. Роликоподшипник упорный сферический

- Как называется показанная на рисунке схема установки подшипников?

kpr04q21

1. В распор

2. В растяжку

3. С плавающей опорой

4. С фиксирующей опорой

- Как называется показанная на рисунке схема установки подшипников?

kpr04q22

1. В распор

2. В растяжку

3. С плавающей опорой

4. С фиксирующей опорой

- Как называется показанная на рисунке схема установки подшипника?

kpr04q23

1. На закрепительной втулке

2. На гладком валу

3. С помощью гайки

4. С помощью шайбы

- Как называется показанная на рисунке схема установки подшипников?

kpr04q24

1. В распор

2. В растяжку

3. С плавающей опорой

4. С фиксирующей опорой

- Как называется показанная на рисунке схема установки подшипников?

kpr04q25

1. В распор

2. В растяжку

3. С плавающей опорой

4. С фиксирующей опорой

- Какой тип подшипника показан на рисунке?

1. Неразъемный

2. Разъемный

3. Самоустанавливающийся неразъемный

4. Самоустанавливающийся разъемный

- Какой материал применен для вкладышей, показанных на рисунке?

1. Сталь

2. Чугун

3. Бронза

4. Латунь

5. Капрон

- Как должна изменяться ширина зазора с увеличением диаметра вала цапфы?

1. Увеличивается

2. Уменьшается

3. Необходимо произвести соответствующий расчет

- К недостаткам подшипников скольжения относятся…..

1) большие габариты в осевом направлении

2) малые габариты в радиальном направлении

3) возможность работы при высоких скоростях и нагрузках

4) малая чувствительность к ударным нагрузкам

- В зависимости от направления нагрузки подшипники скольжения подразделяют на..…

1) радиальные, радиально-упорные, упорные

1) разъемные, неразъемные

3) выполненные в отдельном корпусе, встроенные в механизм

- Достоинствами подшипников скольжения являются..…

1) малые габариты в радиальном направлении

2) возможность работы при высоких скоростях

3) возможность выполнения их разъемными

4) большие габариты в осевом направлении

- Изнашивание трущихся поверхностей отсутствует при….. режиме трения

1) жидкостном

2) полужидкостном

3) сухом

- Наиболее сложным по конструкции является….. подшипник

1) гидростатический

2) гидродинамический

3) сухого трения

- Режим жидкостного трения в подшипниках скольжения возникает при …

( h - толщина слоя смазки, – высота микронеровностей втулки и цапфы)

- Проверочный расчет подшипников скольжения, работающих при полужидкостном и сухом трении, заключается в определении …

1) условного давления p≥[p]

2) произведения давления на скорость pv≤[pv]

3) диаметра цапфы вала

4) длины втулки

- Условное давление в подшипнике скольжения определяют по формуле…..

- Радиальный подшипник скольжения изображен на рисунке …..

Подшипники 01

А) Б) С)

1) А

2) В

3) С

- Упорный подшипник скольжения изображен на рисунке …..

Подшипники 01

А) Б) С)

1) А

2) В

3) С

- Радиально-упорный подшипник изображен на рисунке …..

Подшипники 01

А) Б) С)

1) А

2) В

3) С

- Чем отличается подпятник от подшипника скольжения?

1. Поддерживает вращающиеся оси (валы) и воспринимает только радиальную нагрузку

2. То же, воспринимает только осевую нагрузку

3. То же, воспринимает радиальную и осевую нагрузку

- Исходя из какого условия рассчитывают подшипники скольжения, работающие в условиях граничного трения?

1. p_cv≤[p_cv]

3. K_h(R_z₁+R_z₂)

- На рисунке показано два варианта монтажа подшипников качения. В каком случае удобнее монтировать правый подшипник качения?

1. Рисунок а)

2. Рисунок б)

- Какая система смазывания подшипников качения у прямозубого редуктора, показанного на рисунке?

1. Пластичная

2. Жидкая в масляной ванне

3. Масляным туманом

4. Жидкая под давлением

- Какая из указанных на рисунке конструкций подшипникового узла будет надежнее в работе?

1. Рисунок а)

2. Рисунок б)

- Определите тип уплотнения в подшипниковом узле, показанном на рисунке?

1. Контактное

2. Мазеудерживающее кольцо

3. Щелевое

4. Лабиринтное

5. Комбинированное

- Какую нагрузку воспринимает подшипник 1 в подшипниковом узле, показанном на рисунке?

1. Радиальную F_r

2. Осевую F_a

3. F_r + F_a

4. Нагрузки не воспринимает

- Как классифицировать подшипник, показанный на рисунке, по способности воспринимать нагрузку?

1. Радиальный

2. Радиальноупорный

3. Упорный

- Определить по диаметру вала номера подшипников 1 и 2 (см. рисунок).

1) 312

2) 4332

3) 7322

4) 6311

5) 8452

- Какой внутренний диаметр (мм) имеет подшипник 302?

1) 0,2

2) 10

3) 15

4) 302

- Как классифицируют подшипники качения по характеру нагрузки, для восприятия которой они предназначены?

1. Особо легкая, легкая, средняя, широкая, тяжелая серия

2. Радиальные, радиальноупорные, упорные, упорно-радиальные

3. Шариковые, роликовые, конические, игольчатые и т.д.

4. Самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся

5. Однорядные, двухрядные, четырехрядные

- Вал подшипникового узла имеет окружную скорость 5 м/с. При работе возникает перекос колец подшипников 2°35'. Какой из предложенных типов можно использовать для данного узла (основная нагрузка радиальная)?

1. Радиальные, шариковый однорядный

2. Радиальный шариковый двухрядный сферический

3. Роликовый конический

4. Роликовый с витыми роликами

5. Упорный шариковый

- Какой тип подшипника качения можно выбрать для пяты, если d= 75 мм (основная нагрузка — осевая)?

1) 215

2) 8375

3) 7315

4) 9315

- На рисунке показана грузовая скоба. Какую формулу следует использовать для выбора подшипника?

- Подберите радиальный шариковый однорядный подшипник, если расчетная динамическая грузоподъемность равна 124 кН, d= 80 мм.

1) 313

2) 315

3) 316

4) 16

- При расчете динамической грузоподъемности, какую величину коэффициента качества следует принять для шариковых подшипников.

1. ≈0,5

2. 0,6÷0,7

3. 0,7÷0,8

4. 1,0

- Проверьте возможность применения подшипника 314 (по ресурсу) вала зубчатой передачи. Работа при постоянном режиме: приведенная нагрузка Р_э = 8,60 кН, n=1800 об/мин, L_h= 15 000 ч.

1. Можно применять

2. Нельзя применять

Задачи для самостоятельного решения

1. Определить ресурс [Lh] подшипника 36207, если n=200 об/мин, режим нагружения – средний нормальный.

2. Подобрать радиально-упорный шариковый подшипник для опоры вала: d=40 мм, n=50 об/мин, Недостающими данными задаться.

3. Подобрать радиально-упорный шариковый подшипник на вал: d=40 мм, n=0,2 об/мин, Недостающими данными задаться.

4. Подобрать шариковый радиально-упорный подшипник на вал: d=40 мм, n=2 об/мин, Недостающими данными задаться.

5. Подобрать радиально-упорный роликовый подшипник для опоры вала: d=40 мм, n=100 об/мин, Недостающими данными задаться.

6. Подобрать радиально-упорный роликовый подшипник на вал: d=40 мм, n=0,2 об/мин, Недостающими данными задаться.

7. Подобрать радиально-упорный роликовый подшипник для опоры вала: d=40 мм, n=5 об/мин, режим нагружения – легкий. Недостающими данными задаться.

8. Подобрать роликовый упорный подшипник на вал: d=70 мм, n=500 об/мин, режим нагружения – тяжелый. Недостающими данными задаться.

9. Подобрать игольчатый роликовый подшипник на вал d=60 мм, n=4000 об/мин, режим нагружения-средний нормальный. Определить его ресурс . Недостающими данными задаться.

10. Подобрать подшипник радиальный с витыми цилиндрическими роликами на вал d=100 мм, n=50 об/мин, режим нагружения – особо легкий. Недостающими данными задаться.

11. Подобрать роликовый радиальный подшипник на вал d=40 мм, n=0,2 об/мин, Недостающими данными задаться.

12. Подобрать сферический шариковый радиальный подшипник на вал d=40 мм, n=0,2 об/мин, . Недостающими данными задаться.

13. Подобрать сферический роликовый подшипник на вал d=50 мм, n=100 об/мин, режим нагружения – легкий. Недостающими данными задаться.

14. Определить ресурс подшипника 8220, если n=300 об/мин, режим нагружения – тяжелый. Недостающими данными задаться.

15. В опоре вала подшипник 2305 заменили на 2205. Изменится ли эквивалентная нагрузка, если ресурс останется прежним?

16. Подобрать роликовый радиальный подшипник на вал d=50 мм, n=200 об/мин, режим нагружения – особо легкий. Недостающими данными задаться.

17. Подобрать роликовый радиальный подшипник на вал d=70 мм, n=5 об/мин, Недостающими данными задаться.

18. Какую нагрузку () выдержит подшипник 2208, если n=1000 об/мин, Недостающими данными задаться.

19. Подшипник 2216 заменили на 2316. Как изменится ресурс при прочих равных условиях?

20. Подобрать шариковый радиальный подшипник на вал d=40 мм, n=0,1 об/мин,

21. Какую нагрузку (Р) выдержит подшипник 204, если n=5 об/мин,

22. Какую нагрузку () выдержит подшипник 208, если n=100 об/мин, Недостающими данными задаться.

23. Если подшипник 210 заменить на 310, как изменится воспринимаемая радиальная нагрузка при прочих равных условиях?

24. Подобрать подшипник шариковый радиальный на вал d=40 мм, n=250 об/мин, режим нагружения легкий.

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Теоретическая механика Сопротивление материалов

Строительная механика Детали машин Теория машин и механизмов

00:00:00

Главная

Раздел 12. Подшипники.

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

Конструкции подшипников скольжения

Смазывание подшипников скольжения

Материалы подшипников скольжения

Достоинства и недостатки подшипников скольжения

Область применения подшипников скольжения

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения

Критерии работоспособности и расчета подшипников скольжения

Условный расчет подшипников скольжения и подпятников

Тепловой расчет подшипников скольжения

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

Гидродинамический эффект

Контактно – гидродинамическая теория смазки

Режимы работы подшипников скольжения

Проектировочный расчет подшипников скольжения жидкостной смазки

Рекомендации по конструированию подшипников скольжения

Подшипники качения. Общие сведения. Классификация и область применения

Обозначение подшипников качения

Характеристики подшипников качения

Достоинства и недостатки подшипников качения

Сравнительная характеристика подшипников качения и скольжения

Виды разрушения подшипников качения и критерии работоспособности

Контактные напряжения в деталях подшипников качения

Распределение нагрузки между телами качения

Кинематика подшипников качения

Методика подбора подшипников качения

Расчет по динамической грузоподъемности подшипников качения

Расчет по статической грузоподъем­ности подшипников качения

Расчет подшипников качения на долговечность

Оценка предельной быстроходности подшипников качения

Посадки подшипников

Расчет потерь на трение в подшипниках качения

Гидродинамический режим смазки подшипника качения

Электромагнитные подшипники

Направляющие прямолинейного движения. Общие сведения.

Направляющие скольжения

Направляющие качения

Комбинированные направляющие

Справочные данные

Вопросы для самопроверки

Задачи для самостоятельного решения

Расчет по статической грузоподъемности подшипников качения