Подшипники скольжения. 
Детали машин и основы конструирования

В подшипниках скольжения опорная поверхность вала или оси скользит по рабочей поверхности подшипника. В простейшем виде подшипник скольжения представляет собой втулку (вкладыш), запрессованную в корпус механизма. В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на радиальные (рис. 14.5, а), предназна;

ченные для восприятия усилий, перпендикулярных к оси вала, и упорные — для восприятия нагрузок, действующих вдоль оси вала (рис. 14.5, б). В силовых механизмах подшипники скольжения, как правило, предназначены для восприятия радиальных нагрузок и являются нестандартными. Для качательного движения используются стандартные разъемные шарнирные подшипники (рис. 14.5, в).

Область применения подшипников скольжения ограничивается механизмами, в которых опоры качения не обеспечивают требуемой надежности или их использование невозможно. К ним относятся паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, центробежные насосы, центрифуги, станки, прокатные станы и др.

В зависимости от вида трения, реализуемого между трущимися поверхностями, различают подшипники сухого трения, подшипники граничного трения и подшипники жидкостного трения.

Вкладыши неразъемных подшипников сухого или граничного трения выполняются в виде втулок. Длина подшипника скольжения L оказывает существенное влияние на его работоспособность. При малой длине подшипника снижается несущая способность и увеличивается расход смазочного материала. С увеличением длины подшипника скольжения снижается среднее давление, но повышается температура из-за местных сближений поверхностей и худшего охлаждения. Для большинства стационарных машин оптимальная длина подшипника L = (0,6…0,9)d. При высоких требованиях к демпфированию колебаний и большой жесткости валов длина подшипника может доходить до L < 1,5d.

Для подвода смазочного материала к поверхности скольжения во вкладышах выполняются отверстия, сопряженные с осевыми и кольцевыми канавками, располагаются они в ненагруженной зоне. Смазочный материал может подаваться принудительно под давлением Р = 0,06…0,5 МПа (циркуляционное смазывание) или самотеком (картерное смазывание).

В серийном производстве вкладыши обычно выполняются биметаллическими — на стальную, чугунную или бронзовую основу наплавляется тонкий антифрикционный слой. В мелкосерийном и единичном производстве применяются более простые в изготовлении сплошные вкладыши (из антифрикционных чугунов, текстолита). Мягкие антифрикционные материалы (баббиты и мягкие бронзы) используются только в виде покрытий. Толщина вкладыша 5 =.

Рис. 14.6.

= (0,035…0,05)d + (1…3) мм.

Одной из основных причин снижения надежности и работоспособности подшипников скольжения является перекос осей вала и подшипника, в результате чего на кромках вкладыша увеличивается давление и наблюдается повышенный износ. Особенно это проявляется в подшипниках с вкладышами из твердых металлических материалов — чугуна, твердых бронз. Причиной перекоса может быть несоосность расточек корпусных деталей или вкладышей или изгиб вала под действием внешней нагрузки. Для уменьшения кромочного износа применяются самоустанавливающиеся подшипники, в которых наружная поверхность вкладышей выполняется по сфере (рис. 14.6), что позволяет компенсировать перекосы валов при монтаже и повышенных деформациях валов. Самоустанавливающиеся подшипники обычно применяются при L > l, 2d. Рабочие поверхности трения в подшипниках скольжения выполняются в основном цилиндрическими, реже — коническими или шаровыми.

Материал вкладышей подшипников скольжения, работающих в паре со стальным валом, должен образовать антифрикционную пару, т. е. иметь низкий коэффициент трения, повышенную износостойкость и высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок. Быстрее должен изнашиваться вкладыш, а не опорная поверхность вала, так как стоимость вала значительно выше стоимости вкладыша. Во избежание этого шейки валов закаливаются ТВЧ, азотируются до твердости свыше 50 HRC₃ или применяются другие виды поверхностного упрочнения. К ним относятся шлифование шеек валов, а также доводочные операции — полирование, суперфиниширование и алмазное выглаживание. Для обработки поверхности вкладышей применяются чистовое растачивание, шлифование, протягивание. Шероховатость поверхностей вала и вкладыша Ra 0,63… 1,25.

В качестве материалов вкладышей используются металлические материалы — бронзы, латуни, баббиты, антифрикционные чугуны; металлокерамика, полученная спеканием порошка меди с добавлением графита, олова, свинца; неметаллические материалы — пластмассы, древесные пластики, композиты и др. Для опор приборных малоразмерных механизмов применяются опоры на камнях — рубине, корунде, агате.

Критериями работоспособности подшипников сухого и граничного трения являются износостойкость и теплостойкость. Расчет подшипника проводится как проверочный, так как размеры подшипника назначаются конструктивно в зависимости от диаметра цапфы вала. Надежность подшипника при небольших скоростях скольжения определяется условным средним давлением на поверхности трения (условием износостойкости):

где F — радиальная нагрузка; L — длина подшипника; d — диаметр цапфы вала; [р] — допускаемое давление (табл. 14.3).

Величина, характеризуемая давлением в подшипнике, умноженным на окружную скорость скольжения, косвенно характеризует теплообразование в подшипнике:

где [pv] — допускаемое значение произведения среднего давления на скорость (табл. 14.3). Величины допускаемых значений [р] и [pv] зависят от материала вкладыша.

Потери мощности на трение в подшипниках скольжения при угловой скорости со

где Т = Ffd/2 — момент трения на цапфе; F — радиальная сила, действующая на подшипник; d — диаметр подшипника; f — коэффициент трения при сухом или граничном трении: для стали по серому чугуну и пластмассам f = 0,15…0,20, для Таблица 14.3.

стали по антифрикционному чугуну и бронзам f = 0,10…0,15, для стали по баббиту f = 0,05…0,10.

Подшипники с жидкостным трением, при котором поверхности цапфы и вкладыша разделены слоем смазочного материала, по принципу создания избыточного давления в нем делятся на гидростатические и гидродинамические.

В гидростатическом подшипнике (рис. 14.7, а, б) избыточное давление в поддерживающем слое смазочного материала создается принудительно насосом. Масло подается через дросселирующие отверстия в специальные продольные карманы, равномерно расположенные по окружности вкладыша. Под действием радиальной силы вал смещается на величину эксцентриситета е. В области уменьшающегося зазора растет гидравлическое сопротивление, расход смазочного материала уменьшается и увеличивается давление в нагруженном кармане. С противоположной стороны зазор между цапфой вала и вкладышем увеличивается, а давление падает. Разность давлений в нагруженном и разгруженном карманах создает силу, стремящуюся восстановить центральное положение вала.

Давление в карманах меньше, чем в дросселирующих отверстиях, вследствие разных гидравлических сопротивлений. Для надежности работы подшипника давление смазочного материала в системе подачи р должно быть в 1,5…2 раза выше, чем давление в карманах. Достоинствами гидростатических подшипников являются высокая несущая способность (до 10⁷ Н); низкий коэффициент трения (f < 4 • 10'⁶); практическое отсутствие износа материала; высокая демпфирующая способность опоры; уменьшение влияния погрешнос;

тей изготовления опорных поверхностей валов и подшипников на точность вращения (до 5… 10 раз). К их недостаткам относятся сложные и дорогостоящие системы уплотнений и подачи смазочного материала. Гидростатические подшипники применяются в опорах тяжелых тихоходных барабанов и валов шаровых мельниц и вращающихся печей; шпинделей прецизионных станков; в механизмах, требующих точных перемещений (поворотные устройства телескопов, делительных столов) и точного вращения.

В гидродинамическом подшипнике жидкостное трение создается в результате давления, возникающего в слое смазочного материала при относительном движении поверхностей вала и подшипника. Этот подшипник работает в условиях жидкостного трения при определенных окружных скоростях. В статическом положении вал опирается на подшипник. При малых угловых скоростях он работает при сухом или граничном трении. С увеличением частоты вращения под действием внешней нагрузки вал занимает в подшипнике эксцентричное положение и между цапфой и подшипником образуется клиновой зазор. Смазочный материал подается в зону низкого давления и затягивается в клиновой зазор. При некоторой угловой скорости со создается гидродинамическая подъемная сила, удерживающая вал на масляном клине, и вал отходит от подшипника («всплывает»). Распределение давлений в клиновом зазоре показано на рис. 14.8, а, б. Жидкостное трение в подшипнике обеспечивается при величине зазора /i_min больше, чем h — Rz_l + Rz₂> ^гД^е R^zi ^и &^г2 — высоты микронеровностей поверхностей вала и подшипника. Гидродинамический расчет.

подшипника проводится как проверочный по размерам подшипника и температурно-вязкостным характеристикам смазочного материала. Наличие жидкостного трения проверяется при условии, что несущая способность подшипника больше действующей на него нагрузки F или что смазочный слой имеет достаточную толщину.