Теоретическая часть. Радиальные подшипники скольжения (рис

Радиальные подшипники скольжения (рис. 4.1) можно рассматривать как вращательную кинематическую пару V класса, работающую в условиях относительного скольжения опорных поверхностей, предназначенную для обеспечения постоянства положения оси вращения и передачи нагрузки с вала на корпусные детали. Основные достоинства и недостатки подшипников скольжения приведены в табл. 4.1.

1- вал; 2 - втулка (вкладыш); 3 - корпус; 4 - крышка (в случае разъемного корпуса);

5 - питающие камеры (карманы); 6 - дроссель; 7 - коллектор; 8 - штуцер.

 

Рис. 4.1. Конструктивная схема подшипника скольжения

 

4.5.1 Способы создания несущей способности.

Гидродинамический режим смазки обеспечивается наличием клинового зазора и относительного движения между опорными поверхностями вала и подшипника, а также смачивающей способностью и вязкостью смазочного материала. В этом случае вращающийся вал затягивает смазочный материал в клиновый зазор и увеличивает давление в зоне наибольшего сближения опорных поверхностей. Гидростатический режим создается путем применения внешнего источника давления (насоса) и основывается на разности давлений в нагруженной и ненагруженной зонах подшипника, возникающей вследствие разных гидравлических сопротивлений (эффект гидростатического всплытия).

Гидростатические подшипники выполняют, как правило, с несущими камерами, а их опорные поверхности могут быть полного или частичного охвата. Запуск гидростатического подшипника можно осуществлять без граничного трения. Гидростатодинамический режим является сочетанием первых двух.

Подшипники скольжения различаются по форме опорных поверхностей, основные виды которых представлены на рисунке 4.2.

 

Таблица 4.1.

Достоинства и недостатки подшипников скольжения

 

Достоинства Недостатки
○ высокая предельная быстроходность (практически неограниченная при обеспеченной устойчивости) ● нестандартные узлы, что вызывает необходимость расчета и проектирования каждого конкретного узла
○ хорошая демпфирующая способность и динамические свойства ● необходимость применения смазочных систем
○ неограниченная долговечность при нормальном режиме работы ● значительные осевые размеры
○ низкий коэффициент трения и высокий КПД на режимах жидкостной смазки ● необходимость обеспечивания гидростатического подъема на пусковых режимах
○ небольшие радиальные размеры ● износ на переходных режимах (пуск, останов, касание цапфы и втулки вследствие неустойчивого движения)
○ возможность выполнения разъемными
○ функционирование в условиях наличия агрессивных сред

 

Анализируя данные таблицы 4.1, можно выделить основные направления применения подшипников скольжения:

1. Высокоскоростные турбомашины n=10000 ÷ 1000000 об/мин.

2. Потребность в длительном ресурсе.

3. Подшипники тяжелых роторов.

4. Работа в агрессивных средах.

5. Разъемные подшипники.

 

(а-д - гидродинамические) а - гладкий цилиндрический; б - с неполным охватом цапфы; в - многоклиновый; г - с шевронными канавками; д - ленточный; (е-з - гидростатодинамические) е - гладкий цилиндрический с одним (вверху) или двумя (внизу) рядами питающих камер; ж - с карманами на рабочей поверхности вкладыша; з - с несимметричным расположением камер и расточкой в ненагруженной части
Рис. 4.2. Виды подшипников скольжения

Полная классификация подшипников скольжения представлена в виде блок-схемы на рисунке 4.3.

4.5.2 Характеристика видов трения

Жидкостное трение предполагает разделение опорных поверхностей подшипника и вала слоем смазочного материала. Коэффициент трения находится в пределах f=0,001…0,03 в зависимости от вида смазки. Газовые подшипники на расчетных режимах также имеют этот вид трения.

Полужидкостное трение имеет место при нарушении сплошности смазочной пленки, если поверхности вала и подшипника соприкасаются своими микронеровностями. Коэффициент полужидкостного трения равен f=0,01…0,1.

 

Рис. 4.3. Классификация подшипников скольжения

 

При граничной смазке поверхности вала и подшипника соприкасаются полностью или на участках большой протяженности. Раздельный смазочный слой отсутствует. Смазочный материал находится на контактирующих поверхностях только в виде адсорбированной пленки. Коэффициент достигает значений f=0,1…0,2.

Изменения коэффициента трения f в зависимости от характеристики режима и минимального зазора можно проследить по диаграмме (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость коэффициента трения от минимального зазора

и характеристики режима l

Любая ветвь кривой начинается с зоны граничной смазки (высокие значения коэффициента трения при малых величинах зазора и l). С увеличением l коэффициент трения в области полужидкостной смазки уменьшается, т.е. для подшипника с постоянной удельной нагрузкой и вязкостью смазочного материала с увеличением частоты вращения происходит увеличение зазора. Это означает, что вал всплывает на смазочной пленке, а число соприкасающихся микронеровностей уменьшается. При l=lкр подшипник переходит в область жидкостной смазки, где коэффициент трения определяется гидродинамическими факторами и непрерывно повышается с увеличением l.

4.5.3 Теоретические основы формирования давления

Рассмотрим движения тела (рис. 4.4) в невозмущенном потоке жидкости.

Рис. 4.4. Движение тела в невозмущенном потоке Рис. 4.5. Элементарный объем жидкости Запишем закон Ньютона для элементарного объема жидкости (рис.4.5): , (4.1) где - напряжение сдвига от внутреннего трения при внутреннем сдвиге слоев жидкости, μ – динамическая вязкость жидкости, Па·с. Продифференцировав уравнение Ньютона, получим: . (4.2)

Проинтегрируем выражение (4.2), задав граничные условия:

1) y=0, =0; 2) y=h, =V. В результате получим:

. (4.3)

Результатом решения уравнения (4.3) является определение поля давлений p(x,z). Для реального подшипника это уравнение имеет вид:

; (4.4)

где ρ – плотность рабочего тела, μ – динамическая вязкость рабочего тела, х – окружная координата, z – осевая координата, h – радиальный зазор, t - время, Р – давление смазочного слоя, U(t) и V(t) – составляющие скорости жидкости на поверхности вала (рис. 4.6). Рис. 4.6. Составляющие скорости

Выражение (4.4) – уравнение Рейнольдса для равномерного ламинарного течения жидкости в смазочном слое подшипника. При турбулентном течении жидкости в смазочном слое подшипника в уравнение (4.4) вводятся соответствующие коэффициенты Kx и Kz , определяющие кажущееся увеличение вязкости за счет турбулентности.

 

4.5.4 Статические характеристики подшипников скольжения

1) несущая способность (грузоподъемность):

, (4.5)

где pm – среднее давление;

2) расход смазочного материала:

(рассматривают массовый расход кг/с и объемный расход л/с)

, , (4.6)

где Ψ – коэффициент сопротивления, i – количество жиклеров,

p1 и p2 – соответственно давления на входе и выходе жиклера.

3) потери мощности:

, (4.7)

где Nпр – потери на прокачку, Nтр – потери на трение;

. (4.8)

4.5.5 Динамические характеристики подшипников скольжения

1) коэффициенты жесткости - С[i, j];

2) коэффициенты демпфирования – B[i, j];

3) амплитудно-частотные характеристики – АЧХ;

4) критические частоты и границы устойчивости - nкр.

 

4.5.6 Критерии работоспособности подшипников скольжения

§ Минимальный зазор (hmin).

§ Максимальное давление (Pmax).

§ Средняя (или наибольшая) температура (Tm).

 

4.5.7 Основные виды разрушения подшипников скольжения

§ Износ.

§ Усталостное выкрашивание.

§ Хрупкое разрушение.

Полная потеря работоспособности подшипников скольжения в конечном счете происходит вследствие износа и/или разрушения опорных поверхностей. Причиной этого может быть недостаточная несущая способность смазочного слоя, превышение допустимых давлений, схватывание, перекос вала, упругие и термические деформации, усталостное разрушение, несоответствие свойств смазочного материала с рабочими и геометрическими параметрами.

4.5.8 Подшипник скольжения как саморегулирующаяся система

Для анализа подшипника скольжения как саморегулирующийся системы рассмотрим комплекс «подшипник - смазочный слой – вал»:

– при прикладывании радиальной силы к валу начинает уменьшаться минимальный зазор, а следовательно, повышается несущая способность;

– при повышении температуры смазочного слоя подшипника скольжения, динамическая вязкость смазочного слоя падает, минимальный зазор тоже уменьшается, а несущая способность повышается, т.к. давление в смазочном слое при этом растет.

Но возможность саморегулирования подшипника скольжения зависит также и от величины характеристики режима λ, относительного радиального зазора ψ и относительной толщины смазочного слоя ξ.

 

4.5.9 Конструкции и материалы

Подшипник скольжения состоит из корпуса, втулки (или вкладышей), смазывающих, уплотняющих и защитных устройств. С точки зрения обеспечения работоспособности подшипника скольжения, наиболее важная деталь – втулка (вкладыши), а также система подачи смазочного материала в рабочую зону. Втулку (вкладыши) применяют для того, чтобы не выполнять корпуса подшипников из дорогих антифрикционных материалов, а также для возможности замены после износа (глубина изнашивания за срок службы изменяется, как правило, десятыми долями миллиметра). Материал вкладышей должен обладать достаточной износостойкостью, способностью к приработке, усталостной прочностью, сопротивляемостью к заеданиям, теплопроводностью, способностью образовывать на поверхности стойкие масляные пленки. Обычно вкладыши выполняют биметаллическими – тонкий слой антифрикционного материала (баббит, свинцовая бронза и т.д.) наплавляется на стальную, чугунную или бронзовую основу. Все большее распространение получают металлокерамические материалы и пластмассы. Валы устанавливают в подшипниках по посадкам с зазором: H7/f7, H7/e7, H7/d8, H7/c8.

4.5.10 Проектировочный расчет

Условные расчеты подшипников скольжения жидкостного трения используют как предварительные, а для подшипников с граничной и полужидкостной смазкой – как основные.

Расчет по допускаемым давлениям

p = F/(d·l) =< [p], (4.9)

где [p]=1…20 МПа (в зависимости от условий работы и материалов).

Расчет по произведению давления на скорость (условное тепловыделение)

р·u < [p·u], (4.10)

где [р·u] = 2…35 МПа·м/с.

 

Проверочные расчеты подшипников скольжения с жидкостной смазкой базируются на определении функции (полей) распределения давлений смазочным слоем px,z , на основании которых определяются стационарные и динамические характеристики подшипников.

Коэффициент динамической вязкости зависит от температуры и может быть расчитан по формуле

. (4.11)

Для определения коэффициентов трения в подшипниках скольжения в условиях жидкостного трения используется формула Н.П. Петрова

(4.12)

где - коэффициент динамической вязкости, для масел равный [Па·с];

- угловая скорость вращения вала [рад/с];

- относительный зазор.

Можно использовать также более универсальную формулу

, (4.13)

где - характеристика режима.

Минимальная толщина масляного слоя hmin (мкм) может быть определена по формуле

, (4.14)

где - относительная толщина смазочного слоя;

На рисунке 4.7 приведена зависимость относительной толщины смазочного слоя ε в зависимости от параметров подшипника и модифицированной характеристики режима Ω для соотношения длины подшипника и его диаметра равного единице

. (4.15)

Рис. 4.7. Зависимость относительного радиального зазора

от характеристики режима