Опоры валов и осей

Опоры валов и осей предназначены для поддержания вращательного или качательного движения валов и осей и передачи усилий от них на корпус. От конструкции опор во многом зависят точность действия и надежность работы механизма в целом. Опоры, предназначенные для восприятия радиальной или комбинированной (радиальной и осевой) нагрузки, принято называть подшипниками, а опоры, воспринимающие только осевые нагрузки, – подпятниками.

По виду трения они делятся на опоры качения и опоры скольжения. Выбор того или иного тина опоры определяется условиями работы, нагрузками, действующими на опору, габаритными ограничениями, требуемой долговечностью и стоимостью механизма.

Подшипники качения

Подшипник качения – это готовый сборочный узел, состоящий из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, между которыми располагаются тела качения 3 и сепаратор 4, удерживающий тела качения на определенном расстоянии друг от друга и направляющий их вращение (рис. 4.72, а). Подшипники качения являются наиболее распространенной законченной сборочной единицей и используются практически во всех механизмах, имеющих вращающиеся детали (за исключением механизмов с опорами скольжения).

Подшипники качения стандартизованы и выпускаются на специализированных государственных подшипниковых заводах (ГПЗ). По производству подшипников отечественная промышленность занимает одно из ведущих мест в Европе. В конце 1980-х гг. выпускалось до 1 млрд подшипников в год различных типоразмеров – от 1 мм внутреннего диаметра до 3 м наружного диаметра.

Преимущества: относительно малые потери на трение; сравнительно низкая стоимость подшипников при их массовом производстве; относительно малая длина опоры; меньший расход смазочного материала; малые пусковые моменты; полная взаимозаменяемость, что облегчает сборку и ремонт механизмов. В конструкциях валов и осей с подшипниками качения проще решаются вопросы осевой фиксации и компенсации температурных деформаций, они менее чувствительны к перекосам и прогибам валов под нагрузкой, к несоосности опор.

Недостатки: высокая чувствительность к ударным нагрузкам; ограниченная быстроходность, связанная с кине-

Рис. 4.72

матикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопические моменты и др.); высокая стоимость при единичном или мелкосерийном производстве; сравнительно большие радиальные размеры опоры; ограниченный диапазон рабочих температур; шум во время работы, обусловленный погрешностями формы; подшипники общего применения не работают в агрессивных средах.

Подшипники общего применения, которые используют в общем машиностроении, железнодорожном транспорте, автомобилестроении и других отраслях промышленности, выпускают пяти классов точности, которые различаются величинами допусков на размеры колец и тел качения. С повышением точности изготовления возрастает стоимость подшипников, поэтому выбор класса точности должен иметь соответствующее обоснование. В табл. 4.22 приведена сравнительная стоимость подшипников различных классов точности.

Таблица 4.22

Обозначение	Класс точности	Сравнительная стоимость
0	Нормальный	1
6	Повышенный	1,92
5	Высокий	10
4	Прецизионный	20
2	Сверхпрецизионный	До 100

По форме тел качения подшипники разделяют на шариковые и роликовые. Ролики могут быть короткие цилиндрические, бочкообразные, конические, витые и длинные цилиндрические (рис. 4.72, б).

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на радиальные, воспринимающие только радиальную или радиальную и некоторую осевую нагрузки; радиальноупорные, служащие для восприятия радиальной и значительной осевой нагрузок; упорно-радиальные, воспринимающие радиальные нагрузки наряду с осевыми; упорные, предназначенные для восприятия осевой нагрузки.

По способу самоустановки подшипники могут быть несамоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся.

По числу рядов тел качения подшипники делят на однорядные, двух- и многорядные.

По соотношению габаритных размеров однотипные подшипники разделяют на серии: сверхлегкую, особо легкую

Рис. 4.73

(рис. 4.73, а), легкую (рис. 4.73, б), легкую широкую (рис. 4.73, в), среднюю (рис. 4.73, г), среднюю широкую (рис. 4.73, д) и тяжелую (рис. 4.73, е). Подшипники легкой и средней серий – самые распространенные и, соответственно, при массовом выпуске имеют низкую стоимость.

Рассмотрим некоторые основные типы подшипников общего применения.

Радиальные подшипники. Подшипник шариковый радиальный однорядный (рис. 4.74, а) предназначен для восприятия радиальной нагрузки, но может воспринимать и осевую нагрузку в пределах до 70% от неиспользованной радиальной. Эти подшипники фиксируют положение вала в двух осевых направлениях, при низких частотах вращения допускают небольшие перекосы валов (до 8'), величина которых зависит от внутренних зазоров между кольцами и телами качения.

Подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, б) воспринимает радиальную нагрузку при взаимном повороте осей колец до 2–3° и осевую, составляющую до 20% от неиспользованной радиальной. Самоустанавливающиеся подшипники имеют преимущества при значительных прогибах валов и несоосности опор. При качательных движениях эти подшипники работают лучше, чем радиальные однорядные.

Подшипник роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами (рис. 4.74, в) воспринимает радиальную нагрузку, в 1,7 раза бо́льшую, чем шариковый подшипник тех же размеров. В конструкции таких подшипников одно из колец имеет направляющие буртики, а другое относительно роликов не фиксируется. Осевую нагрузку эти подшипники не воспринимают. При несоосности опор возникает дополнительное давление по кромкам роликов,

Рис. 4.74

резко снижающее долговечность подшипников. Их применяют в электродвигателях, редукторах, газовых турбинах и других машинах.

Подшипник роликовый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) (рис. 4.74, г) воспринимает повышенную радиальную нагрузку и осевую до 25% от неиспользованной радиальной. Ролики этого подшипника имеют бочкообразную форму, и наружное кольцо может свободно проворачиваться в осевом направлении относительно внутреннего кольца. Такие подшипники могут компенсировать несоосность и прогибы вала при перекосах колец до 2,5°. Они фиксируют вал в осевом направлении в обе стороны в пределах имеющихся зазоров. Применяют эти подшипники в опорах насосов, прокатных станов и других машин, где действуют большие радиальные нагрузки и возможны перекосы валов.

Подшипник роликовый игольчатый (рис. 4.74, ∂) воспринимает большие радиальные нагрузки при малых радиальных габаритных размерах. Он используется при скоростях на палу до 5 м/с, а также при качательных движениях. Телами качения являются ролики диаметром 1,6–6 мм и длиной, составляющей 4–10 диаметров роликов, которые устанавливаются без сепаратора. Иногда подшипники используют без внутреннего кольца, и ролики обкатываются по поверхности вала. Эти подшипники очень чувствительны к прогибам валов и несоосиости посадочных мест. Игольчатый подшипник используют в опорах кривошипно-шатунных и кулисных механизмов, карданах, узлах фрезерных станков и др.

Радиально-упорные подшипники. Подшипник шариковый радиально-упорный однорядный (рис. 4.74, е) воспринимает радиальную и одностороннюю осевую нагрузку. В этих подшипниках на наружном кольце с одной стороны имеется скос, благодаря чему можно установить большее (на 45%) количество шариков и увеличить радиальную нагрузочную способность па 30–40%. Воспринимаемая осевая нагрузка составляет 70–200% от неиспользованной радиальной, в зависимости от угла контакта а шариков с кольцами. Подшипники выполняют с углами контакта 12, 18, 26 и 36°. С увеличением угла контакта возрастает воспринимаемая осевая нагрузка и снижается быстроходность подшипников. Для восприятия знакопеременной осевой нагрузки часто подшипники устанавливают по два и более в одну опору. Радиально-упорные шариковые подшипники устанавливают в шпинделях станков, электродвигателях, червячных редукторах и т.п.

Подшипник роликовый конический (рис. 4.74, ж) воспринимает одновременно значительную радиальную и одностороннюю осевую нагрузки. Телом качения этого подшипника является конический ролик. Применяют их при скоростях до 15 м/с. При очень больших нагрузках (в прокатных станах) устанавливают многорядные конические роликоподшипники, способные воспринимать двусторонние осевые нагрузки. Величина воспринимаемой осевой нагрузки зависит от угла конусности наружного кольца, с увеличением которого возрастает осевая и уменьшается радиальная грузоподъемность. При монтаже этих подшипников необходима регулировка осевых зазоров. Очень малые или чрезмерно большие зазоры могут привести к разрушению деталей подшипника. Применяют эти подшипники в колесах самолетов, автомобилей, в цилиндрических и червячных редукторах, коробках передач, в шпинделях металлорежущих станков.

Упорно-радиальные шариковые подшипники (рис. 4.74, з) предназначены для восприятия осевых нагрузок, но могут воспринимать и небольшие радиальные нагрузки. Угол наклона контактной линии 45–60°. Применяют их при небольших частотах вращения.

Упорные подшипники. Подшипник шариковый упорный (рис. 4.74, и) предназначен для восприятия только осевой нагрузки при скоростях на валу до 10 м/с, лучше работает на вертикальных валах. При больших скоростях условия работы подшипника ухудшаются вследствие центробежных сил и гироскопических моментов, действующих на шарики. Очень чувствительны к точности монтажа, допускают взаимный перекос колец до 2'. Используют их в передачах винт-гайка, для домкратов, крюков кранов и др.

Подшипник роликовый упорный (рис. 4.74, к) предназначен для восприятия только осевой нагрузки, главным образом на вертикальных валах с малыми частотами вращения. Характеризуются высокой грузоподъемностью. Очень чувствительны к перекосам колец: допустимый перекос не более 1.

Специальные подшипники. Кроме подшипников общего применения выпускают также специальные подшипники, например авиационные, коррозионно-стойкие, самосмазывающиеся, малошумные и др. К авиационным подшипникам относят тяжелонагруженные высокоскоростные подшипники для газотурбинных двигателей, подшипники для механизмов управления летательных аппаратов (ЛА), совершающих качательное движение при действии больших нагрузок, подшипники для элсктроагрегатов с частотами вращения до 100 000 об/мин. Подшипники для механизмов управления ЛА выпускают без сепаратора с полным заполнением шариками, пластичной смазкой и защитными шайбами, удерживающими смазочный материал в пространстве между кольцами. Коррозионно-стойкие подшипники выполняют из хромистой стали 95X18, 11X18, сепаратор – из фторопласта-4. Самосмазывающиеся подшипники устанавливают в механизмах специальной техники, работающих в условиях глубокого вакуума, сверхнизких или сверхвысоких температур (механизмы космической техники). В этих условиях пластичные и жидкие смазочные материалы теряют вязкость и поэтому применяют твердые смазочные материалы, в качестве которых используют дисульфит молибдена MoS2, графит, фторопласт, специальные марки пластмасс. На дорожки качения наносят специальные покрытия из серебра, никеля, золота. Работают эти подшипники при скоростях в 2 раза меньших, чем обычные, поскольку нет отвода теплоты из зоны трения. Малошумные подшипники применяют в механизмах, работающих относительно продолжительное время в присутствии человека (системы обеспечения жизнедеятельности космонавта, механизмы бытовой техники и т.п.). Снижение уровня вибраций и соответственно шума достигают за счет уменьшения зазоров между телами качения и кольцами подшипника, повышая точность их изготовления.

Подшипники изготавливают из шарикоподшипниковых высокоуглеродистых хромистых сталей ШХ15, ШХ15СГ с ОГЛАВЛЕНИЕм углерода 1–1,5%. Число в обозначении марки стали указывает ОГЛАВЛЕНИЕ хрома в десятых долях процента. Используются также цементируемые легированные стали 18ХГТ, 20Х2Н4А, 20НМ. Твердость тел качения и колец подшипников 60–65 HRC. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкие стали 9X18, 9X18Ш. Сепараторы чаще всего изготавливаются штампованными или клепанными из стальной ленты. При относительных окружных скоростях колец больше 10 м/с применяют сепараторы из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов и неметаллических материалов.

Выбор тина подшипника. При выборе подшипника качения учитываются величина, характер действия и направление нагрузки, частота вращения, требуемая долговечность, условия монтажа, воздействие окружающей среды и т.п. Для одних и тех же условий работы могут быть использованы подшипники различных типов, и при их подборе учитывают экономические факторы и опыт эксплуатации аналогичных конструкций. Вначале рассматривают возможность применения радиальных однорядных шарикоподшипников легкой или средней серии как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов подшипников должен быть обоснован. Размеры подшипника определяются требованиями к грузоподъемности, диаметром цапфы вала (определяемой прочностью), условиями размещения опор. Таким образом, выбор подшипника – важный и ответственный момент этапа проектирования механизма.

Расчет подшипников. Расчет долговечности подшипника ведется по его динамической грузоподъемности. При вращении подшипника иод нагрузкой в точке взаимодействия тела качения с кольцом возникают контактные напряжения, изменяющиеся по отнулевому циклу. Критерием их работоспособности является сопротивление усталостному разрушению поверхности контакта. На основании экспериментальных данных установлена Вперед зависимость между действующей нагрузкой и долговечностью:

где L – долговечность подшипника, млн оборотов; – коэффициенты; С – динамическая грузоподъемность, представляющая собой постоянную радиальную нагрузку, которую подшипник с неподвижным наружным кольцом выдерживает 1 млн оборотов; Р – эквивалентная нагрузка, действующая на подшипник; – показатель степени ( для шарикоподшипников и для роликоподшипников).

Надежность подшипников общего применения соответствует вероятности безотказной работы . При необходимости повышения надежности вводят коэффициент долговечности (табл. 4.23).

Таблица 4.23

Р	0,9	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99
а.	1	0,62	0,53	0,44	0,33	0,21

Коэффициентзависит от материала, из которого изготовлен подшипник, и условий эксплуатации. Для механизмов общего применения можно принимать

Эквивалентная нагрузка для радиальных и радиальноупорных шариковых и роликовых конических подшипников определяется зависимостью

где X и Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (см. табл. 4.16); V– коэффициент вращения, равный 1, если вращается внутреннее кольцо и 1,2 – при вращении наружного кольца; и – радиальная и осевая нагрузки; – коэффициент безопасности, учитывающий характер действующей нагрузки; – температурный коэффициент, равный единице при рабочей температуре подшипника С.

Коэффициент безопасности при нагрузке без толчков;при легких толчках и вибрациях; при умеренных толчках и вибрациях;при сильных ударах и высоких перегрузках.

Эквивалентную нагрузку для подшипников с короткими цилиндрическими роликами находят по формуле

а для упорных подшипников – по формуле

При увеличении эквивалентной нагрузки Р в 2 раза долговечность снижается в 8–10 раз, поэтому необходимо как можно точнее определять нагрузку, действующую на подшипник.

Долговечность подшипника(в ч) сравнивают с ресурсом механизма:

где п – частота вращения кольца подшипника, об/мин; Г – ресурс механизма, ч.

Расчет долговечности по динамической грузоподъемности ведется для подшипников с частотой вращения;об/мин. В подшипниках качательного движения или вращающихся с частотойоб/мин действующую нагрузку рассматривают как статическую и сравнивают ее со статической грузоподъемностью Q. Под статической грузоподъемностью понимают такую силу, при которой остаточная деформация тел качения и колец не превышает допускаемую , где D – диаметр тела качения. Значения статической и динамической грузоподъемности приведены в каталогах подшипников.

Смазочные материалы. Большое значение имеет правильный выбор смазочного материала, наличие которого уменьшает потери на трение, способствует отводу тепла из зоны трения, смягчает удары тел качения о сепаратор и кольца, защищает от коррозии, снижает уровень шума. Выбор того или иного вида смазочного материала для подшипников зависит от режимов и условий работы, конструкции механизма, окружающей среды, специальных требований и др. Для смазывания применяют пластичные и жидкие смазочные материалы. Пластичные смазочные материалы марок ЦИЛТИМ-201,

Литол-24, ВНИИ НП-207 и др. используют в диапазоне температур -60...+ 150°С, умеренных нагрузках и частотах вращения; жидкие смазочные материалы (масла) – для скоростных и тяжелонагруженных подшипников. Последние обеспечивают более эффективный отвод тепла, имеют лучшее проникновение к поверхностям трения. Их применяют также в труднодоступных для смены смазочного материала узлах трения и при необходимости постоянного контроля за наличием смазочного материала. Основные марки жидких масел: индустриальные И-5А, И-12А, трансмиссионные ТАД-17, авиационные МС-14, МК-22 и др.

Уплотнение подшипниковых узлов. Важное условие надежной работы подшипников – обоснованный выбор уплотнений, которые защищают полость подшипника от проникновения в нее из окружающей среды пыли, влаги, абразивных частиц и препятствуют вытеканию смазочного материала. Конструкция выбранного уплотнения зависит от вида смазочного материала, условий и режима работы узла подшипника, а также степени его герметичности.

По принципу действия уплотнения разделяют на контактные, в которых герметизация осуществляется за счет плотного прилегания уплотняющих элементов к подвижной поверхности вала; бесконтактные – герметизация в которых осуществляется за счет малых зазоров сопряженных элементов; комбинированные, состоящие из комбинации контактных и бесконтактных уплотнений.

Контактные уплотнения. Основными типами контактных уплотнений являются сальниковые и манжетные. Уплотнения войлочными кольцами (сальниковые) применяют для герметизации полостей подшипников, работающих на пластичном смазочном материале до окружных скоростей v = 8 м/с и Т= 90°С. Контакт кольца 2 с валом 1 (рис. 4.75, а) обеспечивают за счет предварительного натяга. Перед установкой в проточку в корпусной детали войлочные кольца пропитывают разогретой смесью из смазочного материала (85%) и графита. Не рекомендуется применять эти уплотнения при избыточном давлении и повышенной запыленности окружающей среды. Эффективность и долговечность сальниковых уплотнений повышается при установке их в комбинации с другими уплотнениями (щелевыми и лабиринтными).

Манжетные уплотнения (рис. 4.75, б) имеют уплотнительное кольцо 3, изготовленное из резины, имеющее выступающую рабочую кромку, которая соприкасается с поверхностью вала 1. Контакт рабочей кромки манжеты шириной 0,2-0,5 мм с валом обеспечивают за счет предварительного натяга, а также поджатием ее к валу браслетной пружиной 2. Уплотнение устанавливают так, чтобы рабочая кромка прижималась к валу избыточным давлением уплотняемой среды. Манжеты для работы в засоренной среде выполняют с дополнительной рабочей кромкой-пыльником 5. Для повышения жесткости корпус манжеты может быть армирован стальным кольцом 4. Применяют манжетные уплотнения в подшипниковых узлах при скоростях V = 25÷30 м/с и избыточном давлении Р = 0,2÷0,3 МПа. Эффективность работы повышают последовательной установкой двух манжет на расстоянии 3–8 мм.

Рис. 4.75

Уплотнение подшипниковых узлов при любом смазочном материале и скоростях v > 5 м/с может быть обеспечено фасонными шайбами 2 (рис. 4.75, в). Толщина шайб зависит от их размера и составляет 0,3-0,5 мм. Фиксация шайбы осуществляется гайкой 1. Не рекомендуется уплотнять фасонными шайбами самоустанавливающиеся подшипники с большими осевыми зазорами из-за возможности нарушения контакта между шайбой и обоймой подшипника.

Недостаток контактных уплотнений – наличие трения между контактирующими поверхностями, которое приводит к дополнительным энергетическим затратам, а также нагреву и износу поверхностей. Трение и износ контактной пары ограничивают долговечность и область применения контактных уплотнений.

Бесконтактные уплотнения. Эти уплотнения работают за счет сопротивления протеканию смазочного материала через узкие щели или каналы с резко изменяющимися проходными сечениями. Они не обеспечивают абсолютной герметичности, а служат для ограничения утечек. Основным преимуществом бесконтактных уплотнений являются повышенная долговечность и надежная работа при любых температурах и скоростях. По принципу действия их можно разделить на статические и динамические. В статических уплотнениях, щелевых и лабиринтных, величина утечек зависит только от геометрических характеристик соединения сопряженных элементов. Эффективность динамических уплотнений зависит от геометрии соединения и относительной скорости вращения сопряженных элементов.

Щелевое уплотнение (рис. 4.75, г) применяют при пластичном смазочном материале и скоростях v = 5 м/с. Степень герметизации уплотнения зависит от величины зазора и длины щели /. Зазор определяется прогибом вала в месте установки уплотнения, эксцентриситетом поверхностей вала 2 и корпуса 1 по отношению к оси вращения, зазором в подшипниках и т.п. Уменьшение зазора достигают нанесением на неподвижную деталь мастики 3, приготовленной на порошкообразном графите.

Уплотнение подшипниковых узлов, работающих на пластичном и жидком смазочном материале при температурах Т= 80÷400°С и скоростях v = 30 м/с, можно обеспечить жировыми канавками (рис. 4.75,Э), которые при сборке заполняют пластичным смазочным материалом. Размеры канавок и величину зазора назначают в зависимости от диаметра вала. Например, при d = 20÷95 мм r = 1÷1,25 мм и δ = 0,3÷0,4 мм.

Лабиринтное уплотнение применяют при скоростях v > 30 м/с. В зависимости от числа щелей они могут быть одно- и многоступенчатыми. Радиальное уплотнение (рис. 4.75, е) допускает относительное смещение втулки 2 относительно крышки опоры 1, поэтому его применяют для плавающих опор подшипников. В аксиальном лабиринтном уплотнении (рис. 4.75, ж) при неразъемном корпусе 3 используют составную лабиринтную втулку 4. Это уплотнение устанавливают при осевых смещениях вала.

В подшипниковых опорах с жидким смазочным материалом применяют динамические уплотнения, которые работают при вращении вата, но теряют эффективность при остановках. Для предотвращения утечек в неработающих механизмах такие уплотнения часто используют в комбинациях со статическими контактными или бесконтактными уплотнениями. Спиральное (резьбовое) уплотнение (рис. 4.75, з) выполняют в виде одно- или многозаходной нарезки прямоугольного или треугольного профиля. При вращении вала смазочный материал отбрасывается в полость редуктора. На-

Рис. 4.76

правление нарезки необходимо согласовывать с направлением вращения вала. Спиральное уплотнение нельзя применять в реверсивных механизмах.

На рис. 4.76 показано комбинированное уплотнение узла подшипника редуктора авиационного двигателя АИ-14В, состоящее из маслоотражательного кольца 2 и упругих металлических колец 1. В неработающем редукторе герметизация обеспечивается за счет контакта упругих колец с крышкой подшипника 4. При вращении вала под действием центробежных сил жидкий смазочный материал отбрасывается к периферии кольца 2 и стекает в нижнюю часть корпуса, где имеется канал 3 для его слива.