Подшипники качения и скольжения

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

Внешними признаками нарушения работоспособности подшипников являются: потеря точности вращения, повышенный шум, повышенное сопротивление вращению.

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.

Особенности проектирования подшипниковых узлов

При проектировании подшипниковых узлов учитывают следующие факторы:

- назначение узла;

- условия эксплуатации (величины и направления действующих нагрузок, состояние внешней среды, температурные условия и т. п.);

- условия общей компоновки;

- технологические возможности обработки деталей узла.

Эти факторы влияют на выбор типоразмера подшипника, конструкции вала и корпусов подшипников, на способ установки и крепления подшипников, выбор системы уплотнения, смазочного материала, на степень точности изготовления деталей. Рациональное решение всего комплекса вопросов, возникающих при проектировании, должно обеспечить нормальную работу подшипникового узла.

Подшипниковые узлы должны отвечать следующим техническим требованиям:

- все детали подшипникового узла должны обладать достаточной прочностью и жесткостью;

- конструкция подшипникового узла должна обеспечить нормальную работу подшипника;

- подвод смазочного материала, а также уплотнение в подшипниковых узлах должны соответствовать эксплуатационным требованиям;

- узел должен быть удобен в монтаже и демонтаже;

- обеспечивать надежность и долговечность с одновременным снижением стоимости проектируемого узла.

Жесткость посадочных мест обеспечивается достаточной толщиной гнезд корпусов, предназначенных для установки наружных колец, а также постановкой ребер жесткости.

Причиной заклинивания подшипников в узле могут быть температурные удлинения вала, возникновение значительной осевой нагрузки при неточно выдержанных линейных размерах вала из-за непродуманной взаимной установки подшипников. Прогибы валов, несоосность посадочных мест могут также служить причиной заклинивания. В момент движения это чревато неприятными последствиями. Предотвращение этого достигается различными мероприятиями.

При выборе типа подшипника целесообразно прежде всего рассматривать возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников, как наиболее простых в эксплуатации и дешевых.

Применение других типов всегда должно быть обосновано. Так, например, в редукторах с закаленными цилиндрическими зубчатыми колесами обычно применяют конические подшипники даже при незначительных осевых нагрузках в зацеплении, поскольку их грузоподъемность значительно выше, а следовательно, габариты устанавливаемого подшипника меньше. В червячных передачах для вала червячного колеса также следует применять конические подшипники, что обусловлено требованиями к жесткости опор. Если по условиям эксплуатации можно применять как радиально-упорные конические роликоподшипники, так и радиально-упорные шарикоподшипники, то надо применять первые, так как стоимость их ниже.

Крепление подшипников на валу и в корпусе

Для восприятия осевых нагрузок кольца подшипника закрепляют на валу и в корпусе (рис. 22).

Рис. 22. Закрепление внутренних колец подшипников на валу

Для закрепления внутренних колец на валу (рис. 22) применяются различные средства, наиболее используемые из них:

- уступы вала или посадка с натягом (а);

- стопорные кольца с натягом и штифтом (б);

- пружинные стопорные кольца (в);

- гайки и стопорные шайбы (г);

- упорные гайки с торцовыми шайбами (д);

- плоской торцовой шайбой с витом (е).

Для фиксации наружных колец (рис. 20) применяют:

- "заплечики" - уступы в корпусе и стакане (а);

- крышки (б);

- сочетание крышки и уступа в корпусе или стакане (в,г);

- упорные бурты на наружных кольцах (д);

- врезные крышки при разъёмных корпусах (е);

- пружинные кольца, устанавливаемые в корпус (ж);

- гайки с наружной резьбой (з).

Рис. 23. Закрепление наружных колец подшипников в корпусе

Радиально-упорные подшипники требуют осевого регулирования, которое делается смещением наружного кольца (рис. 24):

- прокладками из металла (а);

- крепёжным винтом (б) при малых осевых силах;

- резьбовой крышкой или кольцом (в).

Рис. 24. Осевое регулирование подшипников

Внутренние кольца обоих подшипников могут упираться в буртики вала (рис. 25, а) или же в мазеудерживающее кольцо 1 (рис. 25, б).



Рис. 25. Конструкции подшипниковых узлов

В некоторых случаях (например, при установке вала шестерни конического редуктора) внутренние кольца упираются в распорную втулку 2, как показано на рис. 26, а.

Рис. 26. Конструкции подшипниковых узлов

Наружные кольца подшипников фиксируют пружинным стопорным кольцом 3, выступом крышки подшипника 4 (рис. 26, б) и буртиком стакана 1 (рис. 26, а).

Подшипники применяют, как фиксирующие или плавающие опоры. В плавающих (рис. 27, а,б) внешнее кольцо может перемещаться в осевом направлении за счёт установки подшипника в специальном стакане с зазором. Плавающей обычно делают ту опору, где меньше радиальная нагрузка. При большом расстоянии между опорами (вал червяка) фиксирующая опора для жёсткости имеет два подшипника. Для свободных температурных перемещений подходят радиальные роликоподшипники с цилиндрическими роликами и радиальные шарикоподшипники с незакреплёнными наружными кольцами.

Рис. 27. Схемы установки подшипников

В фиксирующих опорах (рис. 27, в,г) внутренние и наружные кольца неподвижны в осевом направлении.

Короткие валы при слабом нагреве можно устанавливать на фиксирующие опоры враспор, когда один подшипник фиксирует осевое смещение вала в одну сторону, а другой - в другую. Схема с подшипниками враспор удобна в монтаже, но требует жёстких допусков на линейные размеры и опасна возможным защемлением тел качения при нагреве. При установке враспор для радиальных подшипников оставляют осевой зазор е (т. е. для осуществления плавающей опоры) один подшипник (например, правый, рис. 28, а), а для радиально-упорных предусматривают осевую регулировку.



Рис. 28. Конструкции подшипниковых узлов

Жёсткость подшипников и их предварительный натяг

Рис. 29. Способы предварительного натяга подшипников

Деформации подшипников качения примерно равны деформациям валов. Поддержание высокой жёсткости подшипниковых узлов обеспечивает точность вращения системы. Максимальную жёсткость имеют точные роликоподшипники.

Жёсткость увеличивается предварительным натягом (рис. 29), суть которого в выборке зазоров и начальном сжатии тел качения. Это достигается взаимным осевым смещением колец посредством:

- затяжки резьбы (а);

- пружинами (б);

- установкой втулок (в);

- шлифовкой торцов колец (г).

Излишний преднатяг приводит к усилению износа сепаратора из-за набегания на него части тел качения и отставания другой части в связи с разными их диаметрами.

Уплотнения в подшипниковых узлах

Надежность подшипников качения во многом зависит от типа уплотняющих устройств. Уплотнения в подшипниковых узлах должны не допускать утечки смазочного материала из корпуса, где установлены подшипники, а также защищать подшипники от попадания в них пыли, грязи и абразивных частиц, вызывающих их преждевременное изнашивание. Это специальные детали, выполненные из мягких упругих материалов (мягкие металлы, резина, пластмасса, войлок и т.п.).

Уплотнения, применяемые в машиностроении, подразделяют на: контактные, щелевые, лабиринтные и защитные мазеудерживающие кольца и маслоотражательные шайбы.

Рис. 30. Уплотнения подшипниковых узлов: а, б -- фетровые и войлочные уплотнения; в, г -- лабиринтные и щелевые уплотнения; д, е -- манжетное армированное уплотнение

Работа контактных уплотнений зависит от выбора материалов, устанавливаемых в крышках корпуса подшипника и контактирующих с валом, на котором находится подшипник.

Наибольшее распространение получили контактные уплотнения из войлочных, фетровых и кожаных колец (рис. 30, а, б). Основное достоинство уплотнений этого типа -- простота и дешевизна изготовления.

Этот тип уплотнений рекомендуется применять при незначительных окружных скоростях (до 4, 5 м/с) и температуре окружающей среды до 90°С. Вал (или промежуточная втулка) должен быть обработан с достаточной точностью.

Для того чтобы уплотняющий материал лучше прилегал к вращающемуся валу, в конструкцию включают браслетную пружину. Такие уплотнения называют манжетными (рис. 30, д). Пружина должна прижимать уплотняющий материал к валу с незначительной силой (для уменьшения изнашивания и нагрева вала).

Манжету устанавливают открытой стороной внутрь корпуса, что обеспечивает подход масла. Но если смазочный материал подается шприцом, то манжету устанавливают открытой стороной наружу, т.к. увеличенное давление отогнет кромку манжеты и избыток вытечет наружу. Если уровень масла высок или при работе в загрязненной среде, то ставят две манжеты.

Манжетные уплотнения работают при окружных скоростях до 10 м/с, с температурой узла до 100 °С.

Торцевые уплотнения имеют сложную конструкцию, большие размеры, высокую стоимость, но и он является очень хорошим уплотнителем по торцевой поверхности. Торцовый уплотнитель состоит из двух колец и пружины, одно кольцо имеет дополнительный статический уплотнитель.

Щелевые и лабиринтные уплотнения устраняют недостатки, имеющие место в уплотнениях контактного типа.

Щелевые уплотнения (рис. 30, г) имеют две-три кольцевые канавки в крышке корпуса подшипника (зазор с = 0,1 - 0,4 мм). Канавки и зазор оказывают значительное гидравлическое сопротивление вытекающему из корпуса смазочному материалу. Зазор щелевых уплотнений заполняют пластинчатым смазочным материалом, который защищает подшипник от попадания в него пыли и влаги. Но данные уплотнителя применяются в сочетании с другими, т.к. не обеспечивают полной герметичности.

Аналогично устроено лабиринтное уплотнение. В уплотнении этого типа радиальные и осевые щели делают сложной формы, напоминающей лабиринт (рис. 30, в). Оно препятствуют протеканию жидкостей и даже газа через каскад щелей и камер, так, типовая букса грузового вагона имеет четырёхкамерное лабиринтное уплотнение с зазором 0,8 мм;

Лабиринтные и щелевые уплотнения работают при окружных скоростях до 30 м/с.

Недостатком этих уплотнений является ненадежная защита смазочного материала от пыли и невозможность их применения при высокой температуре.

Центробежные, действующие за счёт центробежной силы, неэффективны при остановке машины.

Известны конструкции подшипников со встроенными уплотнениями, (рис. 31), в которых имеются защитные шайбы, а смазочный материал вносится при монтаже подшипников.

Упругие стальные шайбы применяются при скорости скольжения до 6 м/с и смазывании подшипников любым смазочным материалом.

Центробежные комбинированные уплотнения. Конструкция центробежных уплотнений проста. Они применяются если скорость вала > 0,5 м/с. Они эффективны, если вал расположен выше уровня масла.

Для увеличения уплотняющего эффекта используют комбинированные уплотнители.



Рис. 31. Встроенные уплотнения

Посадки подшипников на вал и в корпус

При проектировании подшипниковых узлов принципиальное значение имеет сопряжение (посадка) внутренних колец с валом и наружных с корпусом. Поскольку подшипники являются стандартными узлами, то валы и корпуса следует приспосабливать к ним. Внутренние кольца сажают на вал по системе отверстия, а наружные в корпус по системе вала (рис. 32) . При том, что поле допусков внутреннего кольца направлено не в тело, а к центру, посадки на вал получаются более плотными, чем обычно в системе отверстия.

При выборе посадки необходимо обеспечить неподвижное соединение того кольца подшипника, которое сопрягается с вращающейся частью машины, передающей внешнее усилие на подшипник. В противном случае оно будет обкатываться и проскальзывать по посадочному месту, что приведет к его износу и выходу из строя подшипника. В то же время посадка должна быть с минимальным натягом, чтобы зазоры между кольцами и телами качения не претерпевали значительных изменений. Второе кольцо подшипника, сопрягающееся с неподвижной частью машины, устанавливают с небольшим зазором или с очень небольшим натягом для облегчения осевых перемещений кольца при монтаже, температурных деформациях вала и при регулировке зазоров в подшипниках. Кроме того, такой вид сопряжения позволяет кольцу под действием толчков и вибраций периодически поворачиваться вокруг оси подшипника, вследствие чего в работе участвует не ограниченный участок кольца, а вся дорожка качения.

В зависимости от режима работы машины, чем больше нагрузка и сильнее толчки, тем более плотными должны быть посадки. Чем быстроходнее машина (меньше нагрузки, выше температуры), тем посадки должны быть свободнее.

Посадки роликоподшипников требуются более плотные в связи с большими нагрузками. Посадки радиально-упорных подшипников плотнее, чем у радиальных, у которых посадочные натяги искажают зазоры. Посадки крупных подшипников из-за больших сил назначают плотнее, чем у средних и мелких.

Рис. 32. Поля допусков вала и корпуса при посадке подшипника

Рекомендации по выбору посадок по мере роста нагрузок в опорах можно сформулировать следующим образом:

- допуски валов при вращающемся вале - js6; k6; m6; n6;

- допуски валов при вращающемся корпусе - g6; h6;

- допуски корпуса при вращающемся вале - H7; H6; Js7; Js6; K7;

- допуски корпуса при вращающемся корпусе - K7; M7; N7; P7.

Монтаж и демонтаж подшипников

Это чрезвычайно деликатные технологические операции. Нередко наблюдаются случаи, когда повреждения подшипников вызваны небрежным, безграмотным монтажом и демонтажом.

Подшипники со значительным натягом на валу следует монтировать нагретыми в масле или охлаждать вал сухим льдом. В остальных случаях подшипники можно напрессовывать на вал с помощью пресса.

Монтаж подшипника (рис. 33, а) ударами молотка через оправку из мягкого металла допустим только при малых натягах для мелких и средних подшипников. Демонтаж (рис. 33, б) допускается только с помощью специальных съёмников.

Общий принцип: усилие прикладывается только к тому кольцу, которое установлено с натягом и не должно передаваться на тела качения.

Рис. 33. Монтаж и демонтаж подшипников

Смазка подшипников качения

Смазывание подшипников качения предохраняет их от коррозии, уменьшает шум при работе и потери на трение скольжения между кольцами и телами качения, между сепаратором и телами качения, улучшает отвод тепла.

Для смазывания подшипников качения применяют жидкие и пластичные смазывающие материалы.

Жидкие смазочные материалы (масла) применяют при больших частотах вращения подшипника в условиях высоких и низких температур. Обеспечивают минимальные потери на трение. Обычный способ в случае нижнего расположения червяка - организация масляных ванн (например, картер двигателя и т.п.), в которых масло налито до уровня нижнего тела качения.

При картерном смазывании передач подшипники смазывают брызгами масла. Разбрызгивание масла внутри корпуса механизмов происходит с помощью специальных лопастей-крыльчаток либо зубчатых колёс и применяется для создания масляного тумана, который способствует выравниванию температуры и теплоотводу от механизма. Если скорость >1 м/с брызгами покрыты все детали передач и внутренние поверхности стенок корпуса. Стекающее масло попадает в подшипник. Иногда в масло опускают быстроходную шестерню или червяк вместе с подшипником. Для того чтобы подшипник не засорился используют маслозащитные шайбы. Если подшипник конической шестерни находится далеко от масляной ванны, то на фланце корпуса в разъеме делают канавки, а на крыше корпуса скосы. Со стенок крышки корпуса в канавки стекают брызги масла и через отверстия попадают в подшипник.

Если маслу тяжело пробраться в подшипник, то в редуктор встраивается насос, который подает масло в распределительное устройство и потом уже по трубкам масло попадает в подшипник.

К подшипникам качения масло подводится так, что оно стекает в картер через подшипник. Масло может подводиться либо снаружи корпуса либо изнутри. Если применение насоса нежелательно, то применяют пластичные смазочные материалы, для подачи которого применяются пресс-масленки. Смазочный материал подается специальным шприцом.

Однако проектировщику не следует надеяться на то, что разбрызгиванием будут достаточно смазаны подшипники, находящиеся выше уровня масляной ванны.

Достоинства применения жидких смазочных материалов: возможность централизованного смазывания с автоматизацией процесса подачи смазочного материала. Применение жидкого смазочного материала допускает полную его смену без разборки узла, хорошо отводит тепло. Периодичность замены масла -- 3--6 месяцев, пополнение -- 1--2 раза в месяц.

Пластичный смазочный материал представляет собой тонкую механическую смесь минерального масла и мыла. Его набивают в корпус подшипника при сборке узла и пополняют один раз в два--четыре месяца. Полную замену смазочного материала производят не реже одного раза в год.

Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n 1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин. В дальнейшем обычно через каждые три месяца через пресс-маслёнки добавляют свежую смазку, а через год её меняют с предварительной разборкой и промывкой узла. Также они имеют чувствительность к изменению температуры, повышенное внутреннее трение; возможность применения только при сравнительно низких угловых скоростях вращающихся колец.

При консистентной смазке необходимо применение щелевых, лабиринтных и центробежных уплотнений.

Пластичные смазочные материалы по сравнению с жидкими имеют следующие преимущества: не вытекают из узлов при нормальных условиях работы; лучше защищают подшипники от коррозии; могут работать в узле без пополнения в течение продолжительного времени (до одного года) и без особого надзора; требуют менее сложных конструкций уплотнительных устройств.

В зависимости от условий работы применяют различные способы подачи смазочного материала к зоне трения деталей (рис. 34).

Рис. 34. Конструкции смазочных устройств

а - трубки и ниппеля; б - маслёнки; в - пресс-маслёнки

Чтобы проверять уровень масла в корпусе устанавливают пробки с конической резьбой и маслоуказатели (крановые, круглые и др.). Круглые маслоуказатели используются если корпус расположен высоко над полом (рис. 35).

Смазочное устройство имеет свойство старения в связи с загрязнением масла. Признаками являются: увеличенное содержание воды, механических примесей, увеличенное кислотное число. Приходится менять масло. Для этого в корпусе делают сливные отверстия, которые закрываются пробкой. Если пробка имеет коническую резьбу (применяемую чаще), то она создает герметичное соединение. Если же цилиндрическую, то требуется устанавливать уплотняющие прокладки, кольца из резины. Давление в корпусе может повышаться из-за повышения температуры. Тогда масло может просочиться через уплотнения. Чтобы этого не произошло устанавливают отдушины.

Рис. 35. Конструкции маслоуказателей

а - жезловые; б - стеклянные; в - крановый

Основные принципы конструирования узлов трения, содержащих подшипники качения

Если конструктор на основании расчета выбрал необходимый типоразмер подшипника качения для узла трения с учетом требований долговечности, теплоотвода и способа смазки, то перед ним возникает новая задача - правильно сконструировать подшипниковый узел. Для широкого диапазона габаритных размеров, нагрузок и скоростей механизмов транспортных машин можно выделить следующий комплекс общих требований, которым должен удовлетворять любой подшипниковый узел для обеспечения надежной работы установленных в нем опор качения:

1. Конструктивное и технологическое обеспечение соосности посадочных мест подшипников каждого из валов, достигаемое, как правило, расточкой, а если возможно, шлифовкой на проход двух или нескольких гнезд под подшипники для каждого вала.

2. Возможное снижение числа стыков в элементах узла (например, использование стаканов и переходных втулок, в которых вмонтированы подшипники, лишь в тех случаях, когда конструктивное решение без них было бы невозможным. Таким образом улучшаются соосность и отвод тепла от подшипника).

3. Обеспечение удобства монтажа-демонтажа подшипников и узла в целом.

4. Выбор посадок внутренних колец на вал и наружных колец в корпус с обеспечением жесткой связи за счет посадочного натяга для того кольца, которое вращается вместе с валом или корпусом. При этом посадки с большими натягами допустимы лишь при очень больших и особенно при ударных нагрузках.

В малогабаритных приборах оптимальными являются натяги 0 - 3 мкм. Для невращающихся колец натяг заменяется небольшим зазором. В приборах зазоры равны 2 - 5 мкм, иногда они несколько больше.

5. При сравнительно длинных валах () монтаж одной из опор с фиксацией в осевом направлении, а остальные - "плавающие", т.е. без осевой фиксации. "Плавающий" подшипник, жестко фиксированный своим вращающимся кольцом, должен иметь посадку для второго кольца, позволяющую ему с малым сопротивлением перемещаться при тепловых деформациях вала или корпуса. Фиксируется, как правило, более нагруженный подшипник, на который передаются возможные двусторонние осевые усилия, что должно быть учтено при его выборе. Легко нагруженная опора, естественно, легче "плавает" в осевом направлении.

6. В узлах с радиально-упорными подшипниками (несдвоенного типа и немногоконтактными) обычно фиксируются односторонне оба подшипника, причем предпочтителен заранее рассчитанный натяг, осуществляемый пружинами или жесткими крышками с прокладками. При отсутствии особых требований к точности и жесткости узла допустима регулировка осевой игры парного комплекта подшипников в узких пределах.

7. Если перекос вала вследствие смещения осей гнезд под подшипники превосходит 15? - 20?, лучше использовать самоустанавливающиеся (сферические) подшипники. В этом случае схема установки с фиксированной опорой обязательна.

8. Отклонения от перпендикулярности заплечников вала и корпуса относительно оси вращения должны быть минимальны. В зависимости от точности узла они находятся в пределах 2 - 20 мкм, причем для крупных подшипников допустимы несколько большие отклонения.

9. Исключение (по возможности) регулировки осевого смещения подшипников резьбовыми деталями, так как даже при мелкой резьбе определенный перекос упорного торца неизбежен.

10. Использование упорных подшипников на горизонтальных валах, несмотря на их повышенную осевую жесткость, нежелательно, а при повышенных частотах вращения вообще недопустимо из-за возникновения возможности смещения комплекта шариков с сепаратором относительно колец при разгрузке подшипника, а также вследствие гироскопических эффектов и нагружения краев колец центробежными силами шариков. В этом случае используются упорно-радиальные или радиально-упорные подшипники.

11. Осевое крепление концевых подшипников на валах обязательно при значительных и особенно при ударных нагрузках. Легкие приборные подшипники, как правило, не требуют осевого крепления при наличии правильно выбранных посадок. При этом осевая фиксация должна обеспечиваться крышкой или заплечником корпуса.

12. Установка радиально-упорных подшипников враспор с фиксацией и регулировкой торцевыми крышками допустима при длине валов . При большей длине валов лучше устанавливать сдвоенный радиально-упорный шарико- или роликоподшипник, а прочие опоры выполнять "плавающими".

13. При вращающихся наружных кольцах и установке двух радиально-упорных подшипников на оси неизбежна регулировка гайкой, навинчивающейся на резьбовой хвостовик этой оси. Гайка и хвостовик должны иметь мелкую резьбу и надежный замок против саморазвинчивания.

14. Для осевой фиксации подшипников допустимо использование пружинных колец, вставляемых в проточки на валу или в корпусе. При больших осевых усилиях установка стопорных колец недопустима.

15. Безбортовые кольца плавающих роликоподшипников с короткими цилиндрическими роликами должны иметь двустороннюю фиксацию, поскольку "плавание" обеспечивается небольшим осевым смещением роликов по неподвижной (в осевом направлении) дорожке качения безбортового кольца.

16. Пластичные смазочные материалы должны закладываться в корпуса в объемах не более 1/3 свободного пространства, не занятого подшипником.

17. Жидкие масла заливаются в корпус до уровня центра тела качения, расположенного в подшипнике ниже всех других тел качения.

18. При фитильном смазывании рекомендуется, чтобы фитиль упирался в маслоподъемный корпус, примыкающий к внутреннему кольцу подшипника на уровне зазора плавания сепаратора.

19. При вращающихся уплотнениях и маслоотбойных шайбах необходимы гарантированные зазоры их относительно корпусных гнезд в пределах 0,3-1,5 мм (в зависимости от точности изготовления и сборки узла).

Эффективность приведенных выше конструкторских приемов подтверждена как отечественной, так и зарубежной практикой.

Размещено на Allbest.ru