Предисловие (стр. 20 )

Составляющие цикла изменения на­пряжений кручения

, (4.16)

где WP — момент сопротивления вала кручению, мм3.

Для сплошного сечения

. (4.17)

Для сечения, ослабленного шпоноч­ным пазом,

. (4.18)

Таблица 4.7. Механические характеристики некоторых сталей

Для шлицевого участка

(4.19)

Коэффициенты концентрации на­пряжений при изгибе

(4.20)

при кручении

(4.21)

где Кσ, К — эффективные коэффициенты кон­центрации напряжений соответственно при из­гибе и кручении (табл. 4.8, 4.9, 4.10, 4.11); Kdσ; Kd — масштабные коэффициенты (табл. 4.12); KFσ ; KF — коэффициенты качества повер­хности (табл. 4.13); Ку — коэффициент влияния поверхностного упрочнения (табл. 4.14).

Если в сечении действуют несколько концентраторов напряжений (напри­мер, посадка с натягом и переход галте­лью) в расчет вводят большее из значе­ний Кσ и K.

Упругие перемещения валов и осей влияют на работоспособность зубчатых передач, подшипников и различных со­единений, вызывая концентрацию на­пряжений, интенсивное изнашивание и разрушение деталей.

Таблица 4.8. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений для валов с галтельными переходам

Таблица 4.9

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений для валов с выточкой

Таблица 4.10

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений для валов со шлицами, шпоночной канавкой и метрической резьбы

Таблица 4.11 Отношения коэффициентов концентрации и для валов с насаженными деталями

Таблица 4.11 Продолжение

П р и м е ч а н и е: I - посадка с гарантированным натягом; II –переходные посадки; III – посадки типа Н/h.

Поэтому при необходимости выполняют расчет на жесткость по условиям:

(4.22)

(4.23)

где f — максимальный прогиб (стрела прогиба), мм; [f]— допустимый прогиб, мм; θ — угол пово­рота сечения, рад; [θ] — допустимый угол пово­рота, рад.

Прогиб валов и углы поворота опре­деляют известными методами, изло­женными в курсе сопротивления мате­риалов. С целью упрощения расчета можно использовать готовые формулы (табл. 4.15).

Значения [f] и [θ] определяют, исхо­дя из опыта эксплуатации. Для участ­ков валов с зубчатыми цилиндрически­ми колесами [f] = (0,01....0,03)m , с кони­ческими и гипоидными [f] = (0,005…0,007)m.

Таблица 4.15

Формулы для расчета углов поворота сечений и прогибов двухопорных балок

(здесь m — модуль зацепления, мм). В местах посадки зубчатых колес и в опорах скольжения [θ] = 0,001 (в ра­дианах), в радиальных шарикоподшип­никах — 0,005, в радиально-упорных роликовых — 0,0016, в шариковых сфе­рических [θ] = 0,05

5. ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые опреде­ляют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор яв­ляются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется подпятником, а подшипник носит название упорного.

Подшипники вращающихся осей некоторых транспортных средств (например, железнодорожных вагонов) с преобладающей вертикальной нагрузкой называют буксами. По принципу работы различают подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности, и подшип­ники качения, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.

От качества подшипников в значительной степени зависит работо­способность, долговечность и КПД машин.

5.1. Подшипники скольжения

Подшипники, работающие по принципу трения скольжения, называ­ются подшипниками скольжения.

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расто­ченное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.

Достоинства подшипников скольжения: малые габариты в ра­диальном направлении, хорошая восприимчивость ударных и вибрацион­ных нагрузок, возможность применения при очень высоких частотах вращения вала и в прецизионных машинах, большая долговечность в ус­ловиях жидкостного трения, возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки подшипников скольжения: большие габариты в
осевом направлении, значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания, необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикцион­ных материалов для вкладышей.

Вышеперечисленные достоинства и недостатки определяют приме­нение подшипников скольжения, например в молотах, поршневых маши­нах, турбинах, центрифугах, координатно-расточных станках, для валов очень больших диаметров, а также для валов тихоходных машин. КПД подшипников скольжения = 0,95...0,99. Существует очень много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъемные и разъемные. Неразъемный под­шипник (рис.5.1) состоит из корпуса и втулки, которая может быть неподвижно за­креплена в корпусе подшип­ника или свободно заложена в него(«плавающая втулка»).

Неразъемные подшипники ( Рис.5.1) используют главным образом, в

Рис.5.1

в тихоходных машинах, приборах и т. д. Их основное преимущество — простота конструкции и низкая стоимость. Если корпус подшипника выполнен в виде фланца с опорной плоскостью, нормальной к оси вала, то такой подшипник называют фланцевым.

Рис.5.2.

Разъемный подшипник (рис.5.2) состоит из основания и крышки корпуса,

разъемного вкладыша, смазочного устройства и болто­вого или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вклады­шей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъемные подшипники значительно облегчают сборку и являются неза­менимыми для конструкций с коленчатыми валами.

Разъемные подшип­ники широко применяются в общем и особенно тяжелом машиностроении.

На рис.5.3 изображен самоустанавливающийся подшип­ник скольжения, у которого сопряженные поверхности вкладыша и корпуса выполнены по сфере

радиуса R. Сферическая поверхность позволя­ет вкладышу самоустанавливаться, компенсируя неточности монтажа и деформации вала, обеспечивая тем самым равномерное распреде­ление нагрузки по длине вклады­ша. Такие подшипники применя­ются при большой длине цапф.

Рис.5.5

На рис.5.4 показан сег­ментный подшипник с качающимися вкладышами.

Такие подшипники хорошо центрируют вал и обеспечивают стабильную работу подшипниковых узлов, поэтому их применяют для быстроходных валов, особенно при опасности возникновения вибраций.

На рис.5.5 показан упорный подшипник скольжения (подпят­ник), предназначенный в основном для восприятия осевых нагрузок.

Корпуса подшипников обычно изготовляются из чугуна. Вкладыши изготовляют из подшипниковых материалов, которые должны иметь малый коэффициент трения скольжения по стальной поверхности вала, обеспечивать малый износ трущихся поверхностей и выдерживать достаточные удельные давления. Подшипниковые материалы бывают металлические (баббиты, бронзы, антифрикционные чугуны, по­ристые спекаемые материалы), неметаллические (текстолит, древесно-слоистые пластики и др.), комбинированные (пористые металлы, пропитанные пластмассой; пластмассы с наполнителем из ме­талла или графита; слоистые материалы типа металл—пластмасса).

Втулки подшипников скольжения (металлические, биметаллические и из спекаемых материалов) стандартизованы.

Стандартизованы также корпуса неразъемных подшипников сколь­жения и корпуса и вкладыши разъемных подшипников скольжения с дву­мя крепежными отверстиями.

5.2. Смазывание и расчет подшипников скольжения

В процессе работы подшипников скольжения может происходить абразивный износ вкладышей и цапф, заедание вследствие нагрева подшипника и усталостное изнашивание при пульси­рующих нагрузках.

Основным критерием работоспособности подшипников скольжения является износостойкость трущейся пары.

Смазывание подшипников скольжения. Для уменьшения потерь энергии на преодоление трения, обеспечения износостойкости, отвода теплоты из зоны контакта, удаления продуктов изнашивания и предохра­нения от коррозии применяют смазывание трущихся поверхностей.

Смазочные материалы бывают твердые (графит, слюда), пластичные (литол, солидол, консталин), жидкие (органические и минеральные масла) и газообразные (воздух, газы). Наиболее рас­пространены жидкие и пластичные смазочные материалы. Нередко к сма­зочному материалу для придания ему новых свойств добавляют другие вещества, называемые присадками, например, противозадирные, противоизносные, антикоррозионные и другие присадки.

Различают смазочные масла индустриальные, моторные, компрес­сорные, трансмиссионные, турбинные, приборные, часовые и др.

Для смазывания подшипников скольжения быстроходных валов применяют менее вязкие сорта масел, для подшипников тихоходных ва­лов и при ударных нагрузках применяют более вязкие сорта масел или пластичные смазочные материалы.

Для распределения смазочного материала по длине вкладыша и сбо­ра продуктов износа предусматриваются смазочные карманы и канавки (см. рис. 5.2 и 5.3).

Подача смазочного материала в зону смазывания осуществляется са­мотеком или под давлением с помощью разнообразных смазочных уст­ройств. На рис. 5.3 показано непрерывное смазывание подшипника с помощью кольца, частично погруженного в масло и увлекаемого во вращение валом.

На рис. 5.6 представлены: а— наливная масленка с пово­ротной крышкой; б — пресс – масленка, через которую жидкий или пластичный смазочный материал периодически подается с помощью сма­зочного шприца; в —колпачковая масленка для периодической подачи пластичной смазки за счет подвинчивания колпачка; г — масленка непрерывной подачи пластичной

смазки с помощью поршня, находящегося под действием пружины.

В герметически закрытых механизмах может применяться смазывание разбрызгиванием движущимися деталями или смазы­вание погружением, при котором поверхность трения полностью или частично помещена в ванну с жидким смазочным материалом.

Рис.5.6

В герметически закрытых механизмах может применяться смазывание разбрызгиванием движущимися деталями или смазы­вание погружением, при котором поверхность трения полностью или частично помещена в ванну с жидким смазочным материалом. Кроме указанных выше для подшипников применяются следующие методы смазывания: капельное, масляным туманом, набивкой, фитиль­ное, контактное и циркуляционное. При последнем жидкий смазочный материал многократно циркулирует от смазочного насоса к поверхностям трения, по пути фильтруясь и охлаждаясь.

Расчет подшипников скольжения. При работе машины трение ме­жду цапфой вала и вкладышем подшипника при жидком смазочном материале может происходить в условиях жидкостной, полужидкостной и граничной смазки.

Жидкостной называется смазка, при которой поверхность тре­ния деталей, находящихся в относительном движении, полностью разделены жидким смазочным материалом. При жидкостной смазке толщина
слоя масла больше суммарной высоты неровностей профиля рабочих поверхностей цапфы и вкладыша, поэтому всю нагрузку несет масляный
|слой и значительно снижается трение и изнашивание рабочих поверхностей. Так как жидкость несжимаема, то при жидкостной смазке это объ­емное свойство масла проявляется в полной мере и нагрузочная способ­ность слоя смазочного материала оказывается очень высокой. Сопротивление движению при жидкостной смазке определяется только внутренним трением в смазочном материале, зависящем от его вязкости.

Если жидкостная смазка осуществляется частично, то она называется полужидкостной.

Благодаря маслянистости, смазочный материал способен образовы­вать на сопряженных поверхностях тонкие пленки, называемые гра­ничными слоями. Свойства масла в граничном слое резко отлича­ются от его объемных свойств. Граничный слой обладает высокой проч­ностью и может выдерживать давление до 3000 МПа и более.

Граничной называется смазка, при которой трение и износ меж­ду поверхностями, находящимися в относительном движении, определя­ются свойствами этих поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

Следует помнить, что при повышении температуры вязкость масла уменьшается, увеличивается возможность разрушения граничных пленок и появления чистого контакта цапфы и вкладыша, что может привести к схватыванию материала и заеданию подшипника.

Очевидно, что для работы подшипников скольжения наиболее бла­гоприятным является режим жидкостной смазки. Однако большинство

подшипников скольжения работает в условиях полужидкостной или граничной смазки. В подшипниках скольжения, постоянно рабо­тающих при жидкостной смазке, в периоды пусков или остановок могут осуществляться другие виды смазки.

Расчет подшипников скольжения, рабо­тающих в условиях полужидкостной и гранич­ной смазки условно ведут по допускаемому среднему давлению [p] на трущихся поверхно­стях (этот расчет гарантирует невыдавливаемость

смазочного материала) и по допускае­мому произведению

Рис.5.7 [pv] среднего давления на скорость скольжения v, т. е. окружную скорость цапфы (этот расчет га­рантирует нормальный тепловой режим и отсутствие заедания). Среднее давление в подшипнике предполагается равномерно распределенным по диаметральному сечению цапфы (рис. 5.7) и равным

(5.1)

где R — радиальная нагрузка на подшипник, d — диаметр цапфы, l — длина цапфы. Формулы для проверочного расчета имеют такой вид:

; (5.2)

(5.3)

Для приближенных расчетов подшипников скольжения мож­но принимать следующие ориентировочные значения [р], МПа и [pv], МН/(м-с)

для стали по чугуну [ p ] 3; [ pν ] 3;

то же по бронзе [ p ] 5; [ pν ] 8;

то же по баббиту [ p ] 8; [ pν ] 20.

При неудовлетворительных результатах проверочного расчета меня­ются размеры цапфы или материал вкладыша.

При проектном расчете задаются относительной длиной подшипника ; при несамоустанавливающемся вкладыше = 0.4 – 1.2; при самоустанавливающемся вкладыше = 1,5...2,5 (меньшие значения для быстроходных валов и при значительных нагрузках). Так как диаметр цапфы определяется из расчета вала на прочность или жест­кость, то расчет подшипника скольжения сводится к определению его длины.

Подпятники скольжения рассчитываются по аналогичной методике, но ввиду худших условий отвода теплоты допускаемые значения [р] и [pv] уменьшаются на 20...30%.

Понятие о гидростатической и гидроди­намической смазке. Гидростатической называется жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуще­ствляется в результате поступления жидкости в зазор между ними под внешним давлением (на­пример, от насоса).

Гидродинамической называется жидкостная смазка, при которой полное разделе­ние поверхностей трения осуществляется в резуль­тате давления, самовозникающего в слое жидкости при относительном движении поверхностей.

На рис. 5.8, а изображен невращающийся вал, опирающийся на подшипник скольжения, заполненный смазочным маслом. Обратим вни­мание на то, что зазор

между валом и подшип­ником имеет клиновидную

форму. После пуска машины благодаря маслянистости и вязкости масло будет увлекаться вращающимся валом и нагнетаться в клиновидный зазор, в результате чего в масляном слое воз­никнет избыточное давление, возрастающее с увеличением угловой ско­рости вала. Рис. 5.8