ЗАМЕНА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ

 

Такая замена во многих случаях целесообразна для повышения долговечности деталей, надежности их работы и экономичности машин.

Подшипниковые узлы.Каждому виду опор скольжения или качения свойственны как положительные, так и отрицательные стороны [58]. Подшипники качения имеют следующие преимуще­ства.

1. Малые потери на трение по сравнению с потерями у под­шипников скольжения, работающих при граничной смазке или даже при жидкостной смазке. Применение подшипников каче­ния, как правило, повышает КПД машины и силовой установки. Коэффициент трения подшипника качения сравнительно мало изменяется в большом диапазоне нагрузок и окружных скоро­стей. Статический момент подшипника лишь на 30—50% пре­вышает момент трения при установившемся движении, в то вре­мя как в подшипниках скольжения это превышение достигает 15 раз и более. В связи с этим особенно важна установка опор

качения в узлах машин, работающих с частыми пусками и оста­новками.

Малый момент трения в шарикоподшипниковых узлах позво­ляет сужать зону нечувствительности приборов.

2. Экономия большого количества цветных металлов — меди, олова, свинца, расходуемых на изготовление вкладышей подшип­ников скольжения.

3. Малый расход смазочных материалов.

4. Отсутствие необходимости в принудительном охлаждении.

5. Упрощение обслуживания.

6. Исключение изнашивания шеек валов при правильно на­значенных посадках.

7. Высокая степень стандартизации и комплектная поставка шарико- и роликоподшипников упрощает конструирование под­шипниковых узлов и монтаж машины.

8. Снижение стоимости машин.

9. Возможность восприятия осевых нагрузок, действующих на шпиндель металлорежущего станка, преимущественно при ис­пользовании упорных подшипников качения.

Недостатки подшипников качения следующие.

1. Пониженная долговечность при высоких окружных скоро­стях и динамических нагрузках. Подшипники выходят из строя главным образом вследствие выкрашивания тел качения и по­верхностей качения колец. Между тем подшипники скольжения при жидкостной смазке в соответствующих условиях могут рабо­тать неограниченно долго. Поэтому в машинах, предназначенных для длительной работы в режиме высоких скоростей, использу­ют гидродинамические подшипники скольжения.

2. Большие диаметральные размеры при меньшей длине, чем у подшипников скольжения. Иногда это является существенным недостатком. Так, при заданном расстоянии между валками прокатных станов применение шарикоподшипников требует уменьшения диаметра шеек валков, а это ограничивает допусти­мые усилия при прокатке. Установка шарико- и роликоподшип­ников в нижней шатунной головке двигателей внутреннего сго­рания значительно увеличивает ее Габариты и массу, что приво­дит к росту не* только инерционных нагрузок, но и габаритов картера.

 

Рис. 10.1. Резинометаллический шар­нир

Рис. 10.2. Рессора, закрепленная в ре­зиновом башмаке

 

В связи с рассматриваемым здесь вопросом особо остановим-мя на игольчатых подшипниках. Они имеют меньшие наружные диаметры, чем любые другие подшипники качения равного внут­реннего диаметра. Игольчатые подшипники не могут восприни­мать осевую нагрузку, при низких окружных скоростях они вы­держивают высокие радиальные нагрузки. При малых нагрузках иотсутствии толчков они могут удовлетворительно работать при частоте вращения до 60 000 об/мин. Следует, однако, учитывать, что во время работы иглы не только катятся, но искользят, отчего игольчатые подшипники нагреваются сильнее шариковых. Предпочтительно устанавливать их на медленно вращающихся и тяжелонагруженных осях. Область их применения: поршневые пальцы и опоры распределительных валов двигателей внутрен­него сгорания, пальцы прицепных шатунов, оси коромысел, по­воротные цапфы автомобильных колес, оси холостых колес шкивов, натяжных и направляющих роликов и звездочек, проме­жуточных зубчатых колес, сателлитов, крестовины карданов, втулки рессор и т. п.

3. Неудовлетворительная работа в условиях вибрационной нагрузки, а также при движении с малыми углами поворота. В этих случаях на дорожках качения образуются углубления, напоминающие отпечатки шарика при испытании на твердость по Бринеллю. Это явление названо бринеллированием или лож­ным бринеллированием. Впервые оно было обнаружено в под­шипниках автомобилей после длительной их перевозки по же­лезной дороге.

Случаи бринеллирования опор качения отмечаются при ви­брациях корпуса судна или фундаментов механизмов, располо­женных вблизи опор. В карданных передачах с карданными шарнирами, работающими при углах взаимного смещения вилок .менее 1°, карданный шарнир быстро выходит из строя вследст­вие бринеллирования. В этих случаях следует увеличивать угол смещения.

В некоторых случаях бринеллирование вызывает необходи­мость замены подшипников качения на подшипники скольжения.

4. Большой шум при работе.

5. Большая чувствительность к запыленности абразивом и к загрязнению смазочного масла, чем у подшипников скольжения. Разрушение тел качения подшипника связано с возникновением подповерхностных трещин в местах максимальных касательных напряжений, что характерно для усталостного изнашивания. Другими причинами разрушения тел качения являются относи­тельно высокая шероховатость их поверхности и воздействие частиц загрязнений в масле. В последнем случае большое значе­ние имеет размер этих частиц. Так, при уменьшении их размера от 40 до 3 мкм долговечность подшипника может снизиться в 7 раз. Более крупные частицы загрязнений не входят в контакт, а более мелкие не вызывают повреждений поверхности тела ка­чения.

6. Недостаточная коррозионная и тепловая стойкость.

7. Значительно меньшая грузоподъемность и долговечность упорных подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения.

8. Трудности в изготовлении подшипников в случаях, когда для удобства монтажа либо ввиду особенностей конструкции вала требуются разъемные опоры. Например, при ремонте тракторных двигателей устанавливали на шатунные шейки ролико­вые, преимущественно игольчатые, подшипники с кольцами, имевшие шевронные разъемы.

Положительные качества подшипников качения позволяют расширить область их применения путем дальнейшего совершен­ствования конструкции подшипников и узлов машин и техноло­гии сборки. Рассмотрим три конструкции подшипников качения, из которых первые две выполнены с учетом специфических тре­бований к опорам шпинделей металлорежущих станков.

 

Рис. 10.3. Шпиндельный двухрядный радиально-упорный шарикоподшип­ник

 

Рис. 10.4. Двухрядный радиальный роликовый подшипник с коническим отверстием:

1— наружное кольцо; 2 — внутреннее кольцо; 3 — сепаратор; 4 — ролик

 

Подшипники шпинделей должны удовлетворять требованиям высокой точности вращения в течение длительного времени в условиях частых остановок и пусков станка, жесткости в ради­альном и осевом направлениях и простоты регулирования зазо­ров. Этим требованиям отвечают специальные шарикоподшип­ники. На рис. 10.3 показана конструкция такого подшипника. Его внутреннее кольцо имеет две дорожки качения, профиль каждой из которых описан двумя радиусами. Наружное кольцо состоит из двух половин с коническими дорожками качения ко­нусностью около 22°. Шарики каждого ряда контактируют с до­рожками качения в трех точках: А и В на внутреннем кольце и С — на наружном. Прямые, проведенные через точки А и В и центр шарика, образуют с вертикалью, проходящей через ша­рик, углы р и у около 11 и 31°. При работе шарики получают дополнительное вращение, показанное стрелкой, что обеспечи­вает их равномерное изнашивание. Сепараторы из текстолита центрируются по шарикам. Высокую точность вращения подшипников обеспечивают специальной обкат­кой с эталонными шариками.

Роликовый подшипник (рис. 10.5) для шпинделей металлорежущих станков применяют и в других машинах. Под­шипник — двухрядный с роликами од­ного ряда, смещенными на полшага от­носительно роликов другого ряда. Бла­годаря значительному числу роликов и расположению их в шахматном порядке увеличивается число контактов роликов с дорожками качения и улучшаются ус­ловия работы подшипника. Наличие ко­нического отверстия у внутреннего коль­ца подшипника позволяет при его монтаже на коническую шейку шпинделя снизить зазор до мини­мума.

Для ликвидации причин бринеллирования в упорном ролико­вом подшипнике винта вертолета Н. И. Камовым и его сотруд­никами было внесено изменение в конструкцию сепаратора, по­зволившее в несколько раз повысить ресурс этого винта. В этом сепараторе два или три гнезда под ролики (рис. 10.6) располо­жены под углом к радиальному направлению. Момент сил тре­ния оказывается при этом неодинаковым по величине при дви­жении роликов в разные стороны, в результате чего при колеба­тельном движении кольцо с большим моментом трения смещает комплект роликов с сепаратором в одном направлении.

В некоторых подшипниках качения применяют полые ролики для повышения демпфирующей способности, компенсации неточностей изготовления и монтажа деталей подшипникового узла, уменьшения массы, центробежных и инерционных нагрузок. Предельная грузоподъемность подшипника с полыми роли­ками составляет не более 50% грузоподъемности аналогичных стандартных подшипников. Наилучшим методом смазывания для них является циркуляционный, особенно при невысоких частотах вращения. Наименьший диаметр применяемых роликов 8 мм. Верхнего предела диаметров полых роликов, по-видимому, не существует.

Направляющие качения применяют для облегчения прямо­линейного движения суппортов, кареток, столов и тому подоб­ных деталей, а также для обеспечения кругового движения не­которых из этих деталей. Направляющие качения имеют следующие преимущества перед направляющими скольжения.

Рис.10.5. Сепаратор ро­ликового подшипника с двумя асимметрично рас­положенными гнездами о и б

 

1. Снижение сопротивления движению, что особенно важно при ручном приводе (например, у заточных станков) и имеет решающее значение для уменьшения мощности приводов подачи в станках с программным управлением. В металлорежущих станках, где подача осуществляется ходовыми винтами, умень­шается их износ. Меньшее сопротивление движению позволяет при наличии гидропривода снизить рабочее давление в системе, уменьшить диаметр гидроцилиндра и вместимость масляного бака; снизить нагрев масла при прохождении его через дроссели и уменьшить тепловые деформации прецизионных станков.

2. Ликвидация эффекта взаимного прилипания поверхностей при трении скольжения, наблюдающегося при весьма малых подачах и приводящего к прерывистому движению и уменьше­нию точности.

3. Исключение влияния разности толщин масляного слоя на биение кареток и суппортов при высоких скоростях перемеще­ния.

4. Упрощение технического обслуживания.

5. Облегчение замены изношенных деталей при одновремен­ном повышении их долговечности.

В направляющих качения применяют такие же шарики, ро­лики или иглы, что и в подшипниках качения. Преимуществом шариковых направляющих является их меньшая чувствитель­ность к погрешностям изготовления. Однако вследствие меньшей грузоподъемности шариков по сравнению с роликами того же диаметра применение чугунных направляющих ограничивается областью весьма малых нагрузок — для легких станков и при­боров. Грузоподъемность закаленных стальных направляющих

 

Рис. 10.6. Передача винт — гайка с роликами

 

Рис. 10.7. Шариковая пе­редача винт — гайка с одинарной гайкой

 

 

плоскости центров опор, то де­формации основания под агрегат под действием приложенных сил не могли бы вызывать напряже­ний в конструкции.

 

Рис. 10.8. Подпятник с двухрядным рас­положением рабочих сегментов:

/ — рабочий сегмент внешнего ряда; 2 —рабо­чий сегмент внутреннего ряда; 3 — опорная колодка; 4 — балансир; 5 — регулирующий винт

 

Трехточечную подвеску дви­гателей широко применяют в ав­томобилях и тракторах для сое­динения рамы (кузова) с ходо­вой частью.

Способом выравнивания про­ектной нагрузки между осями и колесами тележек является так­же балансирное подвешивание. Восьмиколесная тележка (рис. 10.7) механизма обеспечивает равномерное распределение нагрузки на колеса. К середине большой поперечины 1 подвешивается электроталь или другое устройство. Опорные шарниры этой поперечины расположены посередине малых поперечин 2, которые опираются также шарнирно на два роликовых колвеса. Перекосы при наезде на не­ровность не вызывают перераспределения нагрузок на колеса.

Подпятники генераторов Куйбышевской ГЭС выполнены с двойным рядом сегментов, число которых во внутреннем и внеш­нем рядах одинаково (рис. 10.8). Каждая пара сегментов, рас­положенных на одном радиусе, опирается на общий для них балансир с шарнирной опорой. Для выравнивания нагрузки между отдельными парами сегментов служат регулирующие винты. В данной конструкции средние удельные нагрузки не должны быть выше 4 МПа ввиду невозможности равномерно распределить нагрузку по парам сегментов во время работы.

На рис. 10.9 показан упорный подшипник с балансирными уравнительными подушками. Конструкция обеспечивает практически полное выравнивание нагрузки между рабочими сег­ментами. Наиболее нагружен­ные точки опор имеют сфери­ческую поверхность большогс радиуса. Сложность конструк­ции окупается ее надежно­стью; при крупносерийном производстве ее стоимость сни­жается.

Примером конструкции, где нагрузка выравнивается с вы­сокой степенью точности, мо­жет служить подпятник на гидравлической опоре для гидрогенераторов (рис. 8.26). Основание 4 подпятника представля­ет собой кольцо с цилиндрическими углублениями, над которы­ми установлены приваренные стальные эластичные камеры 5. Камеры сообщаются между собой через полости внутри осно­вания. Полости камер и основания заполняют маслом, после чего отверстия закрывают пробками и заваривают. Эластич­ность камер достигается с помощью кольцевых выточек, чере­дующихся по высоте цилиндра снаружи и изнутри его. Сегмен­ты опираются на винты со сферическими головками.

 

 

Рис. 10.9. Подпятник на гидравличе­ской опоре:

а — конструктивная схема подпятника; б — основание подпятника с камерами; ;_ баббитовая заливка; 2 — корпус сег­мента; 3 — верхняя часть камеры с опор­ным винтом; 4 — основание подпятника; 5 — эластичная камера

 

Полости камер и основания работают по принципу сообщаю­щихся сосудов. Внутри каждой камеры помещена стальная ци­линдрическая болванка для уменьшения количества масла в камере.

Использование сферических опор в опорно-упорных устрой­ствах показано на рис. 8.27. Нижняя опора колонны поворотного крана воспринимает радиальную и осевую нагрузки. Оба кони­ческих подшипника смонтированы в обойме со сферической опорной поверхностью. Обойма облегчает только установку кра­на на нижней и верхней опорах.

Сферические шариковые и роликовые подшипники обладают свойством самоустанавливаться и предназначены в основном для радиальной нагрузки. Иногда применяют узел из упорного шарикоподшипника на сферических подкладных шайбах и сфе­рического двойного шарикоподшипника. Чтобы при монтаже обеспечить самоустановку, центры обеих сфер должны совпасть.