Подшипники качения Исполнитель

Подшипники качения

Цель занятия: изучить конструктивные особенности подшипников каких классификацию, назначение.

План:

1. Общие сведения и классификация

2. Условия работы подшипника, влияющие на его работоспособность

3. Основные критерии работоспособности и расчета подшипников качения

4. Практический расчет (подбор) подшипников качения.

5. Примеры расчета.

Опорные слова: трение, качение, скольжение, шариковые, роликовые нагрузка, высокоуглеродистая сталь, напряжения в деталях подшипников.

 {spoiler=Подробнее}

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Применение подшипников качения позволило заменить трение сколжения трением качения . При этом коэффициент трения снижается до 0,0015—0,006 *. Конструкция подшипников качения позволяет изготовлять их в массовых количествах как стандартную продукцию, что значительно снижает стоимость производства. Расход смазки на подшипник также уменьшается. Габарит подшипников качения (по длине) меньше габарита подшипников скольжения. Отмеченные основные качества подшипников качения обеспечили им широкое распространение. Во многих отраслях машиностроения они почти полностью вытеснили подшипники скольжения.

Производство подшипников качения ведущими промышленными странами исчисляется сотнями миллионов штук в год. 

К недостаткам подшипников качения следует отнести ограниченную быстроходность, связанную с кинематикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопические моменты и пр.).

На рис. изображены основные типы подшипников качения. По форме тел качения они разделяются на шариковые и роликовые (цилиндрические, конические, игольчатые и т. д.), по направлению воспринимаемой нагрузки — на радиальные, упорные и радиально-упорные.

Радиальные шариковые подшипники (l, рис.) — наиболее простые и дешевые. Они допускают небольшие перекосы вала (до 1/4°) и могут воспринимать осевые нагрузки. Эти подшипники широко распространены в машиностроении.

Радиальные роликовые подшипники (4, рис ) благодаря увеличенной контактной поверхности допускают значительно большие нагрузки, чем шариковые (в среднем на 70 — 90%). Однако они совершенно не воспринимают осевые нагрузки и не допускают перекоса вала. При перекосе вала ролики начинают работать кромками и подшипник быстро разрушается. Аналогичное сравнение можно провести и между радиально-упорными шариковыми 3 и роликовыми 5 подшипниками.

Самоустанавливающиеся шариковые 2 и роликовые 6 подшипники применяют в тех случаях, когда допускают значительный перекос вала (до 2÷3°). Они имеют сферическую поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы. Эти подшипники допускают небольшие осевые нагрузки.

Рис. 15.13

Применение игольчатых 7 подшипников позволяет уменьшить габариты (по диаметру) при значительных нагрузках. Упорный подшипник и воспринимает только осевые нагрузки. На рисунке изображены два варианта конструкции упорного подшипника: простой — слева от оси (не допускает перекоса оси); самоустанавливающийся — справа от оси (допускает перекос оси).

По нагрузочной способности (или по габаритам) подшипники разделяют на пять серий диаметров и ширин: сверхлегкую, особо легкую,

легкую, среднюю и тяжелую; по классам точности: 0 (нормального класса); 6 (повышенного); 5 (высокого); 4 (особо высокого) и 2 (сверхвысокого). От точности изготовления в значительной степени зависит работоспособность подшипника, но одновременно возрастает его стоимость:

Класс точности                    0   6   5   4   2

Относительная стоимость                1   1,3  2   4   10

Все подшипники качения изготовляют из высокопрочных специальных подшипниковых сталей (высокоуглеродистых хромистых) с термической обработкой, обеспечивающей высокую твердость.

Большое влияние на работоспособность подшипника оказывает качество сепаратора. Сепараторы разделяют и направляют тела качения. В подшипниках без сепаратора тела качения набегают друг на друга. При этом, кроме трения качения, возникает трение скольжения, увеличиваются потери и износ подшипника. Установка сепаратора значительно уменьшает потери на трение, так как сепаратор является свободно плавающим и вращающимся элементом. Большинство сепараторов выполняют штампованными из стальной ленты. При повышенных окружных скоростях (более 10÷15 м/с) применяют массивные сепараторы из латуни, бронзы, дюралюминия или пластмассы .

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ПОДШИПНИКА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

Распределение нагрузки между телами качения

По условию равновесия :

R=P₀+2P₁cosγ+2P₂cos2γ+ …+2P_ncosnγ

где γ = 360°/z, z — число шариков.

В уравнение входят только те члены, для которых угол nγ меньше 90°, так как верхняя половина подшипника не нагружена.

Исследование зависимости между силами Р₀, Р₁ Р₂ с учетом контактных деформаций при условии абсолютной точности размеров шариков и колец и при отсутствии радиального зазора позволило установить:

P₁=P₀cos^3/2γ

……..                

P_n=P₀cos^3/2nγ

Подставляя эти значения в формулу и решая относительно Р₀, получаем:

       (15.12)

     Подсчитано, что отношение

для любого числа шариков, встречающегося в подшипниках. При этом

Р₀ = 4,37R/z.

Вводя поправку на влияние радиального зазора и неточности размеров деталей, практически принимают

P₀=5R/z

P_n=       (15.13)

Нетрудно понять, что распределение нагрузки в значительной степени зависит от величины зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей. Поэтому к точности изготовления подшипников качения предъявляют весьма высокие требования. Зазоры увеличиваются от износа подшипника в эксплуатации. При этом прогрессивно ухудшаются условия работы вплоть до разрушения подшипника.

Кинематика подшипника

На рис. изображен план скоростей для случая вращения внутреннего кольца *

Здесь      v₁=ω(D₁/2);         v₀=v₁/2

Угловая скорость шарика (ролика) вокруг своей оси

     (15.14)

Угловая скорость шарика вокруг оси вала — она же угловая скорость сепаратора

     (15.15)

Итак, сепаратор вращается в ту же сторону, что и вал, с угловой скоростью, равной приближенно половине угловой скорости вала.

Формула позволяет отметить, что в точном выражении угловая скорость сепаратора зависит от размеров шарика. Чем больше d_ш, при постоянном D₁ тем меньше ω_c, и наоборот. При неточном изготовлении шариков крупные из них будут тормозить, а мелкие ускорять сепаратор. Между сепаратором и шариками могут возникать значительные давления и силы трения. С этим связаны износ шариков и сепараторов, увеличение потерь в подшипнике и случаи поломки сепараторов. Это подчеркивает также высокие требования к точностиизготовления деталей подшипника и ответственность сепаратора как одной из этих деталей.

Контакт шарика с кольцами осуществляется по некоторой дуге аbа. Окружные скорости точек а и b при вращении шарика вокруг своей оси различны. Если допустить, что в точках а (аа — мгновенная ось) нет скольжения, то оно будет в точке b. Таким образом, в шариковых подшипниках наряду с трением качения наблюдается трение скольжения. Это создает дополнительный износ и потери в шариковых подшипниках. В роликовых подшипниках все точки контакта равно удалены от оси роликов. Здесь наблюдается чистое качение. Потери и износ в роликовых подшипниках меньшие, чем в шариковых.

Динамика подшипника

Каждый шарик или ролик подшипника прижимается к наружному кольцу центробежной силой

     (15.16)

где m — масса шарика или ролика.

Ранее отмечалось, что контактные напряжения у внешнего кольца меньше, чем у внутреннего, поэтому дополнительная нагрузка центро­бежными силами практически не влияет на работоспособность подшип­ника. Это положение остается справедливым только до некоторых зна­чений частот вращения, которые считаются нормальными для данного подшипника 

Рис. 1517

У высокоскоростных подшипников влияние центробежных сил возрастает. Центробежные силы особенно неблагоприятны для упорных подшипников. Здесь они расклинивают кольца и могут давить на сепаратор — повышаются трение и износ.

Кроме центробежных сил, на шарики упорного подшипника действует гироскопический момент, связанный с изменением напрaвления оси вращения шариков в пространстве 

     (15.17)

где I — момент инерции шарика относительно своей оси.

Под действием гироскопического момента шарик стремится повер­нуться в направлении, перпендикулярном к направлению качения. Вращение будет возможно, если

    (15.18)

где T_T — момент сил трения между шариком и кольцами; Р — нагрузка на шарик.

Вращение шариков под действием T_Г. сопровождается дополнительными потерями и износом.

В радиальных подшипниках направление оси вращения шариков или роликов в пространстве не изменяется. Поэтому на них не действуют гироскопические моменты.

Радиально-упорные подшипники занимают промежуточное положение. Для них

    (15.19)

где α — угол давления

Таким образом, вредное влияние динамических факторов больше всего проявляется в упорных подшипниках. Поэтому допускаемые частоты вращения для упорных подшипников значительно ниже, чем для радиальных и радиально-упорных. При высоких частотах вращения упорные подшипники рекомендуют заменять радиально-упорными.

Смазка подшипников

Смазка весьма существенно влияет на долговечность подшипников. Она уменьшает трение, снижает контактные напряжения, защищает от коррозии, способствует охлаждению подшипника.

Для смазки подшипников качения применяют пластичные (густые) мази и жидкие масла. Жидкая смазка более эффективна в смысле уменьшения потерь и охлаждения. Необходимое количество смазки для подшипников качения очень невелико. Излишнее количество смазки только ухудшает работу подшипника. Например, если сепаратор погрузить в масло, то оно будет препятствовать его свободному вращению; увеличиваются потери и нагрев подшипника.

Подшипниковые узлы необходимо тщательно защищать от попадания пыли и грязи. В противном случае долговечность подшипников резко снижается.

ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Для подшипников качения можно отметить следующие основные причины потери работоспособности.

Усталостное выкрашивание — наблюдается у подшипников после длительного времени их работы в нормальных условиях.

Износ наблюдается при недостаточной защите от абразивных частиц (пыли и грязи). Износ является основным видом разрушения подшипников автомобильных, тракторных, горных, строительных и многих подобных машин.

Разрушение сепараторов — дает значительный процент выхода из строя подшипников качения и особенно быстроходных.

Раскалывание колец и тел качения - связано с ударными и вибра­ционными перегрузками, неправильным монтажом, вызывающим перекосы колец, заклинивание и т. п. При нормальной эксплуатации этот вид разрушения не наблюдается.

Остаточные деформации — на беговых дорожках в виде лунок, вмятин и прочего наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных подшипников.

Современный расчет подшипников качения базируют только на двух критериях: 1) расчет на статическую грузоподъемность по остаточным деформациям; 2) расчет на ресурс (срок службы) по усталостному выкрашиванию.

Расчеты по другим критериям не разработаны, так как эти крите­рии связаны с целым рядом случайных факторов, трудно поддающихся учету.

ПРАКТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ (ПОДБОР) ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Стандартом ограничены число типов и размеров подшипников. Это позволило рассчитать и экспериментально установить грузоподъемность (работоспособность) каждого типоразмера подшипников.

При проектировании машин подшипники качения не конструируют и не рассчитывают, а подбирают из числа стандартных по условным формулам. Методика подбора стандартных подшипников также стандартизована — ГОСТ 18854—73 и ГОСТ 18855—73 *.

Различают подбор подшипников:

по статической грузоподъемности, предупреждающей остаточные
деформации;

по динамической грузоподъемности, предупреждающей усталост­
ные разрушения (выкрашивание).

Подбор подшипников по статической грузоподъемности выполняют при частоте вращения n≤1 об/мин по условию

Р_о≤С_о   (15.20)

где Р_о — эквивалентная статическая нагрузка, кгс; С_о — статическая грузоподъемность, кгс.

Под допускаемой статической грузоподъемностью понимается такая статическая нагрузка (радиальная для радиальных и радиально-упорных подшипников, центральная осевая — для упорных и упорно-радиальных подшипников), которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения.

Значения С₀ указаны в каталогах для каждого типоразмера подшипника 

 Подбор подшипников по динамической грузоподъемности (по заданному ресурсу или сроку службы) выполняют при n>1 об/мин.

Каталожные значения  рассчитывают по формулам, которые учитывают  конструкцию подшипника , число и размеры тел качения . Например ,для шарикоподшипников 

Где  i – число рядов шариков ; z – число шариков в ряду ; В-диаметр                                                                                                                                              

шарика ,мм; -угол контакта (см.рис.15.13) ;  - коэффициент , зависящий от типа подшипника 1.25 – радиальные и радиально – упорные ;  самоустанавливающиеся)

Эквивалентная статическая нагрузка

  , но не меньше ,чем  ,         (15.21)                                                                                                                                                            

где  и - радиальная и осевая нагрузки , кгс;  и коэффициенты радиальной и осевой статической  нагрузок – см. каталог.

Например

1) и  =0,5 – радиальные шарикоподшипники однорядные и двухрядные;

2)  и  =0,430,26 – радиально-упорные шарикоподшипники однорядные ;

3)  и  =0,22ctg – конические роликовые и самоустанавливаются шарико- и роликоподшипники однорядные и двухрядные;

           Для двухрядных подшипников по пунктам 2 и 3 величины                                                                                                                                                 

       удваиваются.                                                                                                                                                            

Условие подбора:

С (расчетная) С (номинальная-каталожная                                                                                                                                 

Номинальная динамическая грузоподъемность С для радиальных и радиально-упорных подшипников есть такая постоянная радиальная нагрузка, которую подшипник (с невращающимся наружным кольцом)                                                                                                                                    

может выдержать в течение номинального срока службы, исчисляемого в один миллион оборотов внутреннего кольца без появления признаков усталости материала любого кольца или тела качения не менее чем у 90% из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям.Для упорных и упорно-радиальных подшипников соответственно будет — постоянная центральная, осевая нагрузка при вращении одного из колец подшипника.

Номинальная динамическая грузоподъемность и номинальный срок службы связаны эмпирической зависимостью

     или   

где L— номинальная долговечность, млн. оборотов; С — номинальная динамическая грузоподъемность, кгс; дается в каталогах, Р — эквивалентная нагрузка, кгс р = 3 для шариковых и р = 10/3 = 3,33 для роликовых подшипников 

Номинальная долговечность в часах

где n — частота вращения, об/мин.

 Эквивалентная нагрузка Р для радиальных и радиально-упорных подшипников есть такая условная постоянная радиальная нагрузка, которая при приложении ее к подшипнику с вращающимся внутренним кольцом и неподвижным наружным обеспечивает такую же долговечность, какую подшипник будет иметь при действительных условиях нагружения и вращения. Для упорных и упорно-радиальных подшипников соответственно будет — постоянная центральная, осевая нагрузка при вращающемся кольце, закрепленном на валу, и неподвижном кольце в корпусе.

P=(XVF_r+YF_a)K_бК_Т

 где F_r,F_a — радиальная и осевая нагрузки, кгс; X, Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузок V — коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо подшипника вращается (при вращении внутреннего кольца V = 1, наружного V = 1,2); К_б — коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки (спокойная нагрузка К_б = 1, с уме­ренными толчками К_б = 1,3   1,8, ударная К_б = 2   3); К_Т— температурный коэффициент (для стали ШХ15 при t до 125° С   K_T = 1, при t = 125   250° С K_T = 1,05   1,4 соответственно).

{/spoilers}