Тема: подшипники скольжения

Тяжело представить себе какой-либо механизм или машину в конструкции которых отсутствуют подшипники. Особое место среди подшипников занимают подшипники скольжения.

Подшипниками скольжения называют такие опоры механизма или машины в которых происходит скольжение подвижной части относительно неподвижной части механизма. Например, простейший вид подшипника скольжения — это опора колеса старинной телеги на её ось, или, например, опоры шнека в старой советской мясорубке.

По ряду причин наибольшее распространение в качестве опор машин и механизмов получили подшипники качения. В настоящее время подшипники качения стандартизированы, их изготовление полностью автоматизировано и имеет серийный характер. Но благодаря своим достоинствам подшипники скольжения продолжают применять в машинах и механизмах, а в некоторых случаях их замена на подшипники скольжения невозможна.

Подшипники скольжения также отчасти стандартизированы. С основными терминами, классификацией и видами конструкций подшипников скольжения можно познакомиться в ГОСТ ИСО 4378-1-2001. Также достаточно много информации по стандартизированным подшипникам скольжении имеется в издании «Справочник конструктора машиностроителя» (2-й том) под редакцией Анурьева В. И.

Достоинства подшипников скольжения

  • имеют высокую надежность при высоких скоростях вращения;
  • простота конструкции и изготовления для тихоходных механизмов;
  • могут иметь разъёмную конструкцию в осевой плоскости, что позволяет выполнить сборку на коленчатые валы, а также сборку без демонтажа других деталей с вала;
  • способность надежно работать при больших ударных нагрузках;
  • способны работать при высокой вибрации механизма;
  • работают в широком диапазоне температур, в химически активных средах (кислоты, щелочи) и в воде;
  • позволяют обеспечить высокую точность центровки вала.

 

Основные недостатки подшипников скольжения

Можно выделить такие недостатки подшипников скольжения в сравнении с подшипниками качение, как более высокие потери на трение (особенно в режимах пуска и останова);  более высокие требования к смазочным материалам; необходимость применять более дорогие и дефицитные материалы; относительно большие размеры в осевом направлении.

 

Теория работы подшипников скольжения

Приведем немного теории для лучшего понимания процессов происходящих в таком простом узле как подшипник скольжения.

Виды трения в подшипниках скольжения:

  • сухое — трение без смазки, в нормально работающих подшипниках практически не встречается;
  • граничное (или полусухое) — трение при малой скорости скольжения и очень тонком смазочном слое соразмерном с высотами микронеровностей поверхностей скольжения, наблюдается в режимах пуска и останова (коэффициент трения 0,1…0,5);
  • полужидкостное — трение при котором поверхности скольжения разделены слоем смазки, но возможны соприкосновения отдельных выступов шероховатых поверхностей, в таком режиме работает большинство подшипников скольжения (коэффициент трения 0,008…0,08);
  • жидкостное — смазка полностью разделяет поверхности скольжения, их соприкосновение исключено, трение происходит только между слоями смазки (коэффициент трения 0,001…0,008). В таких условиях работают точно изготовленные подшипники при малых нагрузках и больших скоростях.

В зависимости от преобладающего вида трения, в значительной степени зависит выбор материалов пары трения подшипника скольжения, коэффициент полезного действия подшипника.

Рассмотрим процесс, протекающий при идеальных условиях жидкостного трения в подшипнике скольжения. Находясь в состоянии покоя, цапфа лежит на вкладыше. Центр цапфы расположен под центром вкладыша. В месте соприкосновения цапфы с вкладышем зазор отсутствует, а в верхней части он максимальный. При начале вращения центр цапфы приподнимается и смещается в сторону вращения, как бы всплывая на смазке. В результате между цапфой и вкладышем возникает клиновый зазор. Клиновым его называют так как он имеет разную толщину по периметру цапфы. Увлекаясь за цапфой, смазка заполняет этот зазор, образуя так называемый масляный клин. С дальнейшим повышением скорости вращения цапфа продолжает всплывать в смазочном слое под действием гидродинамических сил, возникающих в масляном клине. В установившемся движении цапфа как бы плывет на масляном клине как сёрфер плывет на гребне волны. В предельном идеальном случае при бесконечно большой скорости вращения клиновый зазор превращается в кольцевой с постоянной толщиной равной половине зазора в подшипнике (центр цапфы совпадает с центром вкладыша).

Гидродинамическая схема подшипника скольжения
Схема движения цапфы в идеальных условиях жидкостного трения: hmin - минимальный зазор (минимальная толщина смазочного слоя); Р - вертикальная нагрузка; D, d - диаметры подшипника и цапфы с учетом предельных отклонений размеров; е - эксцентриситет; δ - эксцентриситет при положении покоя (начальное положение); φ - угол между вертикальной осью линий центров проходящей через центры подшипника и цапфы; ω - скорость вращения цапфы; О, Он, Ок, - точки положения центров подшипника, цапфы в начальном положении (положение покоя) и цапфы в конечном положении (положение установившегося движения).

 

Материалы в подшипниках скольжения

От выбора материалов в значительной степени зависит надежность, долговечность и экономичность работы подшипника скольжения. В подшипниках скольжения всегда имеет место непосредственное трение между вкладышем и цапфой, особенно в режиме пуска и останова механизма. Поэтому материалы цапфы и вала должны обладать низким коэффициентом трения и износостойкостью при трении друг по другу, обладать достаточной температуростойкостью и прочностью.

Антифрикционные материалы, применяемые для вкладышей подшипников со стальными валами:

  • чугун (серый чугун , антифрикционные чугуны при более широких диапазонах работы чем серый);
  • бронза (оловянные бронзы при значительных спокойных нагрузках и высокой скорости; алюминиевые бронзы, содержащие железо, отличаются высокой прочностью и износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ шипа; свинцовистые бронзы при значительных знакопеременных и ударных нагрузках);
  • латунь (при малой скорости скольжения; в ряде случаев может заменить оловянную бронзу);
  • алюминиевые сплавы;
  • баббит (применяют как антифрикционное покрытие рабочей поверхности вкладыша относительно тонким слоем);
  • металлокерамические материалы (получают методом спекания, такие детали имеют пористость и, как следствие, способность впитывать смазочные материалы, что позволяет им работать какое-то время без подачи смазки. Такие вкладыши часто устанавливают в местах труднодоступных для подачи смазки);
  • графит (вкладыши прессованные из чистого графита могут работать без смазки; обладают высокими кислотостойкостью, щелочестойкостью и теплостойкостью, но низкой механической стойкостью. Для повышения прочности пропитывают баббитом, свинцом и др.);
  • синтетические пластические материалы (текстолит, полиамид, тефлон, фторопласт и др.);
  • дерево и древеснослоистые пластики (пластифицированная древесина твердых пород, древесно-слоистые пластики);
  • резины (применяется как облицовка стальных вкладышей; благодаря упругим свойствам, мало чувствительны к относительно большим перекосам и колебаниям вала; могут работать в загрязненной воде).

 

Конструкция подшипников скольжения

Простейшая конструкция подшипника скольжения состоит из неподвижного корпуса и вращающейся в нем цапфы вала или оси. Такая конструкция имеет место, например, в советской мясорубке, где шнек вращается в корпусе.

Наиболее распространенная конструкция подшипника скольжения немного сложнее и включает в себя кроме корпуса и цапфы еще и вкладыш. Вкладыш подшипника изготавливают из антифрикционного материала. Наличие вкладыша позволяет:

  • снизить себестоимость изготовления и ремонта подшипника скольжения благодаря уменьшению массы дорогостоящих антифрикционных материалов;
  • повысить ремонтопригодность (не нужно ремонтировать корпус, а достаточно заменить вкладыш и восстановить цапфу);
  • применять антифрикционные материалы с низкой прочностью (несущую способность выполняет корпус, а антифрикционную вкладыш).

Вкладыши достаточно часто изготавливают многослойными (из нескольких материалов), например, стальная основа обрезиненная с рабочей стороны (направляющие подшипники насосов), или, например, современные вкладыши коленчатых валов двигателей автомобилей.

Ниже на картинке приведена конструкция стандартного разъемного подшипника скольжения, работающего на консистентной смазке.

Корпус таких подшипников изготавливают из чугуна. Внутреннюю цилиндрическую поверхность и торцы корпуса обрабатывают в сборе, так как на эти поверхности базируется вкладыш. Вкладыш изготавливают из антифрикционного материала, например, бронзы. Вкладыш также разъёмный. Оба полувкладыша имеют масляные карманы (внутри в районе плоскости разъема), которые служат для скопления запаса смазки. В верхнем полувкладыше имеется отверстие соосное отверстию в крышке корпуса, которые служат для набивки собранного подшипника смазкой. Для подхода смазки от отверстий к масляным карманам в верхнем полувкладыше имеется проточка. Фиксация вкладышей в осевом направлении происходит благодаря бортикам на торцах.

Широкое распространение в крупных быстроходных машинах (электродвигатели, турбины) получили подшипники скольжения имеющие стальные вкладыши с относительно тонким наплавленным слоем баббита на рабочей поверхности. Такие вкладыши крупных подшипников обычно опираются в корпусе на узкую шейку, что обеспечивает податливость и компенсацию неточностей изготовления и сборки. Кроме того, вкладыши также могут устанавливаться в корпус по сферической поверхности, обеспечивая этим бо̀льшую самоустановку подшипника.

Применяются также подшипники, в которых вкладыши состоят из нескольких частей (сегментов). Каждый сегмент имеет возможность небольшого вращения относительно своего крепления к корпусу, что позволяейт самоустанавливаться. К каждому сегменту подводится масло, в результате чего образовывается несколько масляных клиньев которые и удерживают вал.

Упорные подшипники скольжения в общем случае состоят из упорного диска (гребня) вала и упорной колодки. Колодки имеют конструкцию крепления к корпусу обеспечивающую самоустановку.

Основными исходными данными при проектировании подшипников скольжения являются:

  • нагрузка на опору (величина и направление), Н;
  • частота вращения, об/мин или рад/с;
  • размеры и конструкция вала, в особенности диаметр шеек рядом с опорой и расстояние между серединами опор;
  • температура окружающей среды;

Также могут быть заданы дополнительные исходные данные:

  • сорт масла (если общая система смазки);
  • ограничения длины подшипника;
  • ограничение величины зазора;
  • допустимый эксцентриситет;
  • требования к материалу вкладыша (коррозионная стойкость, химическая активность, температуростойкость и др.);
  • и др.

При проектировании подшипника, зазор между цапфой и вкладышем предварительно назначается по справочным данным для аналогичных машин и условий работы. Ориентировочно, значение относительного зазора (отношение максимального диаметрального зазора к номинальному диаметру цапфы) лежит в пределах 0,0005…0,0025 и его оптимальное значение зависит от удельной нагрузки, скорости скольжения, характера нагрузки, требований к эксцентриситету и др.

Класс чистоты рабочих поверхностей цапфы и вкладыша выбираются в зависимости от требуемой точности узла трения, условий эксплуатации, предполагаемых значений относительного эксцентриситета и минимального зазора. Применяют от 7-го до 12-го классов чистоты. Чем выше чистота обработки поверхностей, тем лучше работа подшипника

Смазочные материалы

Смазка в подшипниках скольжения позволяет в большей или меньшей степени:

  • уменьшить износ рабочих поверхностей шипа и вкладыша за счёт уменьшения продолжительности их непосредственного контакта;
  • снизить потери мощности механизма на преодоление сил трения, благодаря значительному уменьшению последних;
  • обеспечить отвод тепла, выделяющегося при трении.

В качестве смазочных материалов применяют:

  • жидкие и консистентные масла, получаемые из нефтепродуктов и синтетические;
  • смеси на основе графита;
  • вода;
  • жидкая рабочая среда в машине, от которой сложно изолировать подшипник, например, растворы кислот, щелочи и др.;
  • воздух или газ подаваемый под избыточным давлением;
  • синтетические материалы образующие на поверхностях скольжения прочную тонкую пленку (фторопласт, дисульфид молибдена);
  • и др.

Нефтяные смазочные масла

Обычно название масла указывает на основную область его применения: индустриальное (общего назначения), турбинное, автомобильное, трансмиссионное, авиационное, автотракторное и др.

Для опор скольжения можно выделить следующие основные свойства нефтяных масел:

  • вязкость (кинематическая и условная)сопротивление слоя жидкости относительному сдвигу;
  • температура вспышки и застывания;
  • критическая температура при которой разрушается пленка, образующаяся на смазываемой поверхности.

Синтетические смазочные масла

Синтетические масла получают путем органического синтеза, на основе нефтепродуктов (включая природный газ) путем его глубокой переработки. Так как органический синтез позволяет получать различные химические соединения, современные синтетические смазочные масла обладают широким спектром свойств и, соответственно, способны работать в широком диапазоне условий.

Консистентные смазки

Консистентные (пластичные) смазки представляют собой смесь масла (нефтяного или синтетики) со специальным загустителем. Консистентные смазки применяют в основном в плохо доступных подшипниках скольжениях с низкой частотой вращения.

Графит

Применяют при высокой удельной нагрузке, очень малой скорости скольжения и высокой температуре. Графитизированные вкладыши могут работать в режиме граничного трения с относительно малым износом. Графит добавляют в жидкие смазочные масла и консистентные смазки.

Вода

Подшипники из натуральной и пластифицированной древесины, из ДСП, текстолита и текстолитовой крошки лучше работают с водяной смазкой; подшипники с резиновыми обкладками смазываются исключительно водой. Для некоторых пластмасс смазка водой предпочтительнее смазки нефтяными маслами.

Воздух и газы

Применение: небольшие подшипники, малая нагрузка, очень высокая частота вращения (несколько десятков тысяч об./мин.), например, подшипники роторов газовых турбин, шпинделей шлифовальных станков, вертикальных валов центрифуг и др. Воздух или газ подается в подшипник под избыточным давлением. Зазор в подшипники обычно минимальный. Обеспечивается хорошая центровка. С повышением температуры также увеличивается и вязкость воздуха и газов, что способствует повышению несущей способность смазочного слоя.

Подшипники скольжения, благодаря их достоинствам в скором будущем не получится чем-либо заменить.

Leave a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.