Опори валів і осей - підшипники
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Колеса передач встановлені на спеціальних довгастих деталях круглого перетину. Серед таких деталей розрізняють осі і вали [7,11,38].
Ось - деталь, що служить для утримання коліс і центрування їх обертання. Вал - вісь, передає крутний момент.
Не слід плутати поняття "вісь колеса", це деталь і "вісь обертання", це геометрична лінія центрів обертання.
Форми валів і осей дуже різноманітні від найпростіших циліндрів до складних колінчастих конструкцій. Відомі конструкції гнучких валів, які запропонував шведський інженер Карл де Лаваль ще в 1889 р
Форма вала визначається розподілом згинальних і крутних моментів по його довжині. Правильно спроектований вал являє собою балку рівного опору.
Вали і осі обертаються, а отже, відчувають знакозмінні навантаження, напруги і деформації. Тому поломки валів і осей мають втомний характер.
Причини поломок валів і осей простежуються на всіх етапах їх "життя".
1. На стадії проектування - невірний вибір форми, невірна оцінка концентраторів напружень.
2. На стадії виготовлення - надрізи, забоїни, вм'ятини від недбалого поводження.
3. На стадії експлуатації - невірна регулювання підшипникових вузлів.
Для працездатності вала або осі необхідно забезпечити:
è поверхневу міцність (особливо в місцях з'єднання з іншими деталями);
è жорсткість на вигин;
è крутильне жорсткість (особливо для довгих валів).
Всі вали в обов'язковому порядку розраховують на об'ємну міцність.
Схеми навантаження валів і осей залежать від кількості та місця установки на них деталей, що обертаються і напрямки дії сил. При складному навантаженні вибирають дві ортогональні площини (наприклад, фронтальну і горизонтальну) і розглядають схему в кожній площині. Розраховуються, звичайно, не реальні конструкції, а спрощені розрахункові моделі, що представляють собою балки на шарнірних опорах, балки з обробленням та навіть статично невизначені завдання [7].
При складанні розрахункової схеми вали розглядають як прямі бруси, що лежать на шарнірних опорах. При виборі типу опори думають, що деформації валів малі і, якщо підшипник допускає хоча б невеликий нахил або переміщення цапфи, його вважають шарнірно-нерухомою або шарнірно-рухомою опорою. Підшипники ковзання або кочення, що сприймають одночасно радіальні і осьові зусилля, розглядають як шарнірно-нерухомі опори, а підшипники, що сприймають тільки радіальні зусилля, - як шарнірно-рухливі.
Такі завдання добре відомі студентам з курсів теоретичної механіки (статики) і опору матеріалів.
Розрахунок вала на об'ємну міцність виконують в три етапи.
I. Попередній розрахунок валів
Виконується на стадії опрацювання технічного завдання, коли відомі тільки обертаючі моменти на всіх валах машини. При цьому вважається, що вал відчуває тільки дотичні напруження кручення
де Wp - полярний момент опору перерізу.
Умова міцності по напруженням кручення зручно вирішувати щодо діаметра вала
Це - мінімальний діаметр вала. На всіх інших ділянках вала він може бути тільки більше. Обчислений мінімальний діаметр вала округляється до найближчого більшого з нормального ряду. Цей діаметр є вихідним для подальшого проектування.
II. Уточнений розрахунок валів
На даному етапі враховує не тільки обертає, а й згинальні моменти. Виконується на етапі ескізної компонування, коли попередньо обрані підшипники, відома довжина всіх ділянок вала, відомо положення всіх коліс на валу, розраховані сили, що діють на вал.
Чертятся розрахункові схеми вала в двох площинах. За відомим силам в зубчастих передачах і відстаням до опор будуються епюри згинальних моментів у горизонтальній і фронтальній площинах. Потім обчислюється сумарний згинальний момент
Далі розраховується і будується епюра еквівалентного "ізгібающе-обертального" моменту
Обчислюється еквівалентне напруження від спільної дії вигину і крутіння sекв = мекв / Wp.
Рівняння також вирішується щодо мінімального діаметра вала
Або те ж саме для порівняння з допустимими нормальними напруженнями:
Отриманий в уточненому розрахунку мінімальний діаметр вала приймається остаточно для подальшого проектування.
III. Розрахунок вала на витривалість
Виконується як перевірки на стадії робочого проектування, коли практично готовий робочий креслення вала, тобто відома його точна форма, розміри і все концентратори напружень: шпонкові пази, кільцеві канавки, наскрізні та глухі отвори, посадки з натягом, галтелі (плавні, округлені переходи діаметрів).
При розрахунку покладається, що напруги вигину змінюються по симетричному циклу, а дотичні напруження кручення - по отнулевому пульсуючому циклу.
Перевірочний розрахунок вала на витривалість по суті зводиться до визначення фактичного коефіцієнта запасу міцності n. який порівнюється з допускаються
Здесьns і nt - коефіцієнти запасу по нормальних і дотичних напруг
Обчислення коефіцієнтів запасу міцності по напруженням докладно містилося в курсі "Опір матеріалів", в розділі "Циклічне напружений стан".
Якщо коефіцієнт запасу виявляється менше необхідного, то опір втоми можна істотно підвищити, застосувавши поверхневе зміцнення: азотування, поверхневу загартування струмами високої частоти, дробоструминний наклеп, обкатку роликами і т.д. При цьому можна отримати збільшення межі витривалості до 50% і більше.
s чому полягає різниця між вали і осі?
s Який динамічний характер мають напруги вигину в валах і осях?
s Які причини поломок валів і осей?
s В якому порядку виконуються етапи прочностного розрахунку валів?
s Який діаметр визначається в проектувальному розрахунку валів?
ОПОРИ ВАЛІВ І ОСЕЙ - ПОДШИПНИКИ
Вали і осі підтримуються спеціальними деталями, які є опорами. Назва "підшипник" походить від слова "шип" (англ. Shaft, ньому. Zappen, голл. Shiffen - вал). Так раніше називали хвостовики і шийки валу, де, власне кажучи, підшипники і встановлюються.
Призначення підшипника полягає в тому, що він повинен забезпечити надійне і точне з'єднання обертається (вал, вісь) деталі і нерухомого корпусу. Отже, головна особливість роботи підшипника - тертя сполучених деталей.
За характером тертя підшипники поділяють на дві великі групи:
è підшипники ковзання (тертя ковзання);
è підшипники кочення (тертя кочення).
Основним елементом таких підшипників є вкладиш з антифрикційного матеріалу або, по крайней мере, c антифрикційним покриттям. Вкладиш встановлюють (вкладають) між валом і корпусом підшипника [43].
Тертя ковзання безумовно більше тертя кочення, тим не менш, гідності підшипників ковзання полягають в різноманітних галузях застосування:
+ в рознімних конструкціях (див. малюнок);
+ при великих швидкостях обертання (газодинамічні підшипники в турбореактивних двигунах при n> 10 000 об / хв);
+ при необхідності точного центрування осей;
+ в машинах дуже великих і дуже малих габаритів;
+ в воді та інших агресивних середовищах.
Недоліки таких підшипників - тертя і потреба в дорогих антифрикційних матеріалах.
Крім того, підшипники ковзання застосовують у допоміжних, тихохідних, маловідповідальних механізмах.
Характерні дефекти і поломки підшипників ковзання викликані тертям [41]:
r температурні дефекти (заїдання і виплавлення вкладиша);
r абразивний знос;
r втомні руйнування внаслідок пульсації навантажень.
При всьому різноманітті і складності конструктивних варіантів підшипникових вузлів ковзання принцип їх пристрою полягає в тому, що між корпусом і валом встановлюється сталева втулка з антифрикційного матеріалу, як правило, бронзи або бронзових сплавів, а для малонавантажених механізмів із пластмас. Є успішний досвід експлуатації в тепловозних дизелях М753 і М756 тонкостінних біметалевих вкладишів товщиною не більше 4 мм, виконаних зі сталевої смуги і алюмінієво-олов'яного сплаву АТ 20-1.
Більшість радіальних підшипників має циліндричний вкладиш, який, однак, може сприймати і осьові навантаження за рахунок галтелів на валу і заокруглення крайок вкладиша. Підшипники з конічним вкладишем застосовуються рідко, їх використовують при невеликих навантаженнях, коли необхідно систематично усувати ( "відстежувати") зазор від зносу підшипника для збереження точності механізму.
Для правильної роботи підшипників без зносу поверхні цапфи і втулки повинні бути розділені шаром мастила достатньої товщини. Залежно від режиму роботи підшипника в ньому може бути:
è рідинне тертя. коли робочі поверхні вала і вкладиша розділені шаром масла, товщина якого більше суми висот шорсткості поверхонь; при цьому масло сприймає зовнішнє навантаження, ізолюючи вал від вкладиша, запобігаючи їх знос. Опір руху дуже мало;
è полужідкостное тертя. коли нерівності вала і вкладиша можуть торкатися один одного і в цих місцях відбувається їх схоплювання і відрив частинок вкладиша. Таке тертя призводить до абразивного зносу навіть без попадання пилу ззовні.
Забезпечення режиму рідинного тертя є основним критерієм розрахунку більшості підшипників ковзання. При цьому одночасно забезпечується працездатність за критеріями зносу і заїдання.
Критерієм міцності, а отже, і працездатності підшипника ковзання є контактні напруги в зоні тертя або, що, в принципі, те ж саме - контактний тиск. Розрахунковий контактний тиск порівнюють з допускаються p = N / (l d) £ [p]. Тут N - сила нормального тиску вала на втулку (реакція опори), l - робоча довжина втулки підшипника, d - діаметр цапфи вала.
Іноді зручніше порівнювати розрахункове і допустиме твір тиску на швидкість ковзання. Швидкість ковзання легко розрахувати, знаючи діаметр і частоту обертання валу.
Твір тиску на швидкість ковзання характеризує тепловиділення і знос підшипника. Найбільш небезпечним є момент пуску механізму, тому що в спокої вал опускається ( "лягає") на вкладиш і при початку руху неминуче сухе тертя.
Принцип їх конструкції полягає в наявності між валом і корпусом групи однакових круглих тіл, званих тілами кочення [2,28].
Це можуть бути або кульки, або ролики (короткі товсті або довгі голкоподібні), або конічні ролики, або бочкоподібні, або навіть спіралеподібні пружини. Зазвичай підшипник виконується як самостійна складальна одиниця, що складається з зовнішнього і внутрішнього кілець, між якими і поміщені тіла кочення.
Тіла кочення щоб уникнути непотрібного контакту один з одним і рівномірного розподілу по колу укладені в спеціальну кільцеподібну обойму - сепаратор (лат. Separatum - розділяти).
У деяких конструкціях, де доводиться боротися за зменшення радіальних габаритів, застосовуються т.зв. "Бескольцевие" підшипники, коли тіла кочення встановлені безпосередньо між валом і корпусом. Однак неважко здогадатися, що такі конструкції вимагають складної, індивідуальної, а, отже, і дорогий збирання-розбирання.
Переваги підшипників кочення:
+ низьке тертя, низький нагрів;
+ високий рівень стандартизації;
+ економія дорогих антифрикційних матеріалів.
Недоліки підшипників кочення:
`Високі габарити (особливо радіальні) і вага;
`Високі вимоги до оптимізації вибору типорозміру;
`Слабка віброзахист, більш того, підшипники самі є генераторами вібрації за рахунок навіть дуже малої неминучою різнорозмірними тіл кочення.
Підшипники кочення класифікуються за такими основними ознаками:
è форма тіл кочення;
è габарити (осьові і радіальні);
è точність виконання розмірів;
è напрямок сприймаються сил.
За формою тіл кочення підшипники діляться на:
è
Кулькові (швидкохідні, здатні до самоустановки за рахунок можливості деякого відхилення осі обертання);
è Роликові - конічні, циліндричні, голчасті (більш великої вантажопідйомності, але через точно фіксованого положення осі обертання не здатні самовстановлюється, крім бочкоподібних роликів).
По радіальних габаритах підшипники згруповані в сім серій:
За класами точності підшипники розрізняють у такий спосіб:
è "0" - нормального класу;
è "6" - підвищеної точності;
è "5" - високої точності;
è "4" - особовисокой точності;
è "2" - надвисокої точності.
При виборі класу точності підшипника необхідно пам'ятати про те, що "чим точніше, тим дорожче".
За більш прийнятною силам все підшипники діляться на чотири групи. Обчисливши радіальну Fr і осьову Fa реакції опор вала, конструктор може вибрати:
è Радіальні підшипники (якщо Fr < è Радіально-наполегливі підшипники (якщо Fr> Fa), що сприймають велику радіальну і меншу осьову навантаження. Це радіально-наполегливі кулькові і конічні роликові з малим кутом конуса. è Завзято-радіальні підшипники (якщо Fr è Завзяті підшипники. "Подпятники" (якщо Fr < Матеріали підшипників кочення призначаються з урахуванням високих вимог до твердості і зносостійкості кілець і тіл кочення. Тут використовуються шарікоподшипниковиє високовуглецеві хромисті стали ШХ15 і ШХ15СГ, а також Цементовані леговані стали 18ХГТ і 20Х2Н4А. Твердість кілець і роликів зазвичай HRC 60 ¸ 65. а у кульок трохи більше - HRC 62 ¸ 66. оскільки майданчик контактного тиску у кульки менше. Сепаратори виготовляють з м'яких вуглецевих сталей або з антифрикційних бронз для високошвидкісних підшипників. Широко впроваджуються сепаратори з дюралюмінію, металокераміки, текстоліту, пластмас.