Опоры валов и осей – подшипники

 

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.

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:

è подшипники скольжения (трение скольжения);

è подшипники качения (трение качения).

ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ

 

Основным элементом таких подшипников является вкладыш из антифрикционного материала или, по крайней мере, c антифрикционным покрытием. Вкладыш устанавливают (вкладывают) между валом и корпусом подшипника [43].

Трение скольжения безусловно больше трения качения, тем не менее, достоинства подшипников скольжения заключаются в многообразных областях использования:

+ в разъёмных конструкциях (см. рисунок);

+ при больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n > 10 000 об/мин);

+ при необходимости точного центрирования осей;

+ в машинах очень больших и очень малых габаритов;

+ в воде и других агрессивных средах.

Недостатки таких подшипников – трение и потребность в дорогих антифрикционных материалах.

На железнодорожном транспорте подшипники скольжения, в частности, находили массовое применение в буксах колёсных пар старого подвижного состава и до сих пор применяются для опор шатунов дизелей. В ряде случаев, для ремонтопригодности подшипник выполняется с двумя вкладышами, как, например, у коленчатого вала тепловозного дизеля Д49.

Кроме того, подшипники скольжения применяют во вспомогательных, тихоходных, малоответственных механизмах.

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением [41]:

r температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша);

r абразивный износ;

r 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. Имеется успешный опыт эксплуатации в тепловозных дизелях М753 и М756 тонкостенных биметаллических вкладышей толщиной не более 4 мм, выполненных из стальной полосы и алюминиево-оловянного сплава АО 20-1.

 

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.

Для правильной работы подшипников без износа поверхности цапфы и втулки должны быть разделены слоем смазки достаточной толщины. В зависимости от режима работы подшипника в нём может быть:

è жидкостное трение, когда рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина которого больше суммы высот шероховатости поверхностей; при этом масло воспринимает внешнюю нагрузку, изолируя вал от вкладыша, предотвращая их износ. Сопротивление движению очень мало;

è полужидкостное трение, когда неровности вала и вкладыша могут касаться друг друга и в этих местах происходит их схватывание и отрыв частиц вкладыша. Такое трение приводит к абразивному износу даже без попадания пыли извне.

Обеспечение режима жидкостного трения является основным критерием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.

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

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

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.

 

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения [2,28].

Это могут быть или шарики, или ролики (короткие толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкообразные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутреннего колец, между которыми и помещены тела качения.

Тела качения во избежание ненужного контакта друг с другом и равномерного распределения по окружности заключены в специальную кольцеобразную обойму – сепаратор (лат. Separatum – разделять).

В мировой практике для вагонов используются роликовые подшипники различных типов. По данным Всероссийского института вагоностроения (ВНИИВ) подшипники с цилиндрическими роликами при прочих равных условиях в диапазоне ходовых скоростей грузовых поездов (14 ¸ 28 м/с) имеют вчетверо меньший коэффициент трения, который к тому же не увеличивается и при росте скорости до 50 м/с.

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 подшипников качения:

+ низкое трение, низкий нагрев;

+ экономия смазки;

+ высокий уровень стандартизации;

+ экономия дорогих антифрикционных материалов.

 

Недостатки подшипников качения:

` высокие габариты (особенно радиальные) и вес;

` высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;

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

 

Так, при переводе подвижного состава с букс скольжения на подшипники качения возникла неожиданная проблема. Уровень вибрации вагонов даже на очень хороших участках пути возрос в 10 ¸ 15 раз! Это происходит из-за того, что буксы скольжения рассеивают энергию вибрации посредством сил трения, а подшипники качения "по определению" лишены такой способности. Для этого в колёсных тележках потребовалось применение специальных деталей, совершающих работу сил трения - фрикционных клиньев, либо многослойных пластинчатых рессор, пакетов цилиндрических пружин, гидравлических виброгасителей.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:

è форма тел качения;

è габариты (осевые и радиальные);

è точность выполнения размеров;

è направление воспринимаемых сил.

 

По форме тел качения подшипники делятся на:

è
Шариковые (быстроходны, способны к самоустановке за счёт возможности некоторого отклонения оси вращения);

 

è Роликовые – конические, цилиндрические, игольчатые (более грузоподъёмны, но из-за точно фиксированного положения оси вращения не способны самоустанавливаться, кроме бочкообразных роликов).

По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий:

По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии:

По классам точности подшипники различают следующим образом:

è "0" – нормального класса;

è "6" – повышенной точности;

è "5" – высокой точности;

è "4" – особовысокой точности;

è "2" – сверхвысокой точности.

При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".

 

По воспринимаемым силам все подшипники делятся на четыре группы. Вычислив радиальную F_r и осевую F_a реакции опор вала, конструктор может выбрать:

è Радиальные подшипники (если F_r << F_a), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если F_a = 0) и радиальные шариковые подшипники.

è Радиально-упорные подшипники (если F_r > F_a), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса.

è Упорно-радиальные подшипники (если F_r < F_a), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса.

è Упорные подшипники, "подпятники" (если F_r << F_a), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.

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.