Гидравлические и пневматические подшипники. Гидродинамические подшипники Какой подшипник лучше гидродинамический скольжения

Содержание статьи

ПОДШИПНИК, конструктивный узел машин и механизмов, поддерживающий или направляющий вращающийся вал или ось. Если шейка вала в подшипнике скользит непосредственно по опорной поверхности, то он называется подшипником скольжения. Если же между шейкой вала и опорной поверхностью имеются шарики или ролики, то такой подшипник называется подшипником качения. Назначение подшипника – уменьшать трение между движущейся и неподвижной частями машины, так как с трением связаны потери энергии, нагрев и износ.

Подшипники скольжения.

Подшипник скольжения представляет собой массивную металлическую опору с цилиндрическим отверстием, в которое вставляется втулка, или вкладыш, из антифрикционного материала. Шейка, или цапфа, вала с небольшим зазором входит в отверстие втулки подшипника. Для уменьшения трения и износа подшипник обычно смазывается, так что вал отделен от втулки пленкой вязкой маслянистой жидкости. Рабочие характеристики подшипника скольжения определяются его размерами (длиной и диаметром), а также вязкостью смазки и скоростью вращения вала.

Смазка.

Для смазки подшипника скольжения можно использовать любую достаточно вязкую жидкость – масло, воду, бензин и керосин, водные и масляные эмульсии, а в некоторых случаях даже газы (например, нагретый воздух и продукты сгорания в реактивных двигателях) и жидкие металлы. Применяются также пластичные и твердые («консистентные») смазки, но их смазывающие свойства отличны от свойств жидкостей и газов. В тех случаях, когда естественной циркуляции смазки в подшипнике недостаточно для его охлаждения, предусматривают систему принудительной циркуляции с теплоизлучающими радиаторами и теплопоглотителями.

Гидростатические подшипники.

Подшипник скольжения, в который смазка подается под давлением (обычно масляным насосом) из внешнего источника, называется гидростатическим подшипником. Несущая способность такого подшипника определяется в основном давлением подаваемой смазки и не зависит от окружной скорости вала.

Гидродинамические подшипники.

Подшипник скольжения, работающий со смазкой, можно рассматривать как насос. Для того чтобы перемещать вязкую среду из области низкого давления в область высокого давления, необходимо затрачивать энергию внешнего источника. Смазка, прилипшая к контактным поверхностям, при вращении вала сопротивляется полному стиранию и выдавливается в область, где давление повышается, благодаря чему поддерживается зазор между этими поверхностями. Подшипник скольжения, в котором описанным образом создается область повышенного давления, удерживающая нагрузку, называется гидродинамическим.

Подшипники качения.

В подшипнике качения трение скольжения заменяется трением качения, благодаря чему снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ.

Шарикоподшипники.

Наиболее распространенным подшипником качения является шарикоподшипник. Форму канавок (беговых дорожек) внутреннего и наружного колец подшипника качения необходимо очень точно контролировать при изготовлении, чтобы, с одной стороны, не было проскальзывания шариков относительно кольца, а с другой – они имели достаточно большую площадь опоры. Сепаратор задает точное положение шариков и предотвращает их взаимное трение. Кроме однорядных шариковых подшипников выпускаются подшипники с двумя и несколькими рядами шариков (двухрядные, многорядные), а также подшипники других конструкций.

Роликоподшипники.

В роликовых подшипниках элементами качения являются ролики – цилиндрические, бочкообразные, конические, игольчатые или витые. Конструкции роликоподшипников тоже разнообразны.

Смазка.

Срок службы подшипника качения определяется усталостным износом шариков (роликов) и беговых дорожек в кольцах.Такие подшипники тоже требуют смазки для уменьшения трения и износа. Важное значение имеет рабочая температура, так как при повышенных температурах не только сказывается неодинаковое тепловое расширение элементов подшипника, что ведет к увеличению проскальзывания, а следовательно и износа, но и уменьшается твердость материалов подшипника.

Подшипниковые материалы.

Подшипники скольжения изготавливаются из различных металлов, сплавов, пластмасс, композитов и других материалов. Длительное время основным подшипниковым материалом был баббит, запатентованный А.Баббитом в 1839. Этот сплав на основе олова или свинца с небольшими добавками сурьмы, меди, никеля и др. допускает ряд вариантов состава, различающихся относительным содержанием компонентов. Сплавы баббита стали как бы эталоном для оценки других подшипниковых материалов, среди которых – сочетания материалов, хорошо зарекомендовавших себя по отдельности: баббит и сталь; баббит, сталь и бронза; свинец с индием; серебро и сталь; графит и бронза. Среди пластмассовых материалов для подшипников скольжения выделяются найлон и тефлон, не требующие смазки. В качестве материалов втулок подшипников скольжения применяются также углеграфиты, металлокерамики и композиты.

Гидродинамический, или, как часто его называют, гидравлический подшипник – это машиностроительный узел, в котором рабочим телом, непосредственно воспринимающим нагрузку вала механизма, является тонкий слой изолирующей смазывающей жидкости, нагнетаемой в конструкцию при помощи смазываемого вала.

История изобретения подшипника

История изобретения подшипника насчитывает не одну тысячу лет. Первые примитивные подшипники скольжения относятся к эпохе неолита. Люди изготавливали их из камней и использовали в сверлильных приспособлениях для добывания огня и различных приспособлениях для прядения. С развитием человеческой цивилизации примитивные подшипники скольжения начали применяться во многих механизмах, использующих принцип колеса: в повозках, для изготовления глиняной посуды круглой формы при помощи гончарного круга, в ветряных мельницах для подъёма воды и привода жерновов.

Первые сведения о подшипниках качения относятся к 330 году до н.э. В этот период древнегреческий инженер Диад разработал конструкцию тарана для разрушения крепостных стен. В этой конструкции подвижная часть передвигалась на специальных роликах по направляющим.

Впервые металлический подшипник качения был изготовлен в ХУ111 веке в Англии для ветряной мельницы. Конструктивно он состоял из двух чугунных колец, представлявших собой направляющие, между которыми было помещено до сорока чугунных шаров.

В ХХ веке работы учёных О.Рейнолдса и Н.П.Петрова, работавших независимо друг от друга, привели к замечательному открытию. Они установили, что если скорость вращения машинного вала в подшипнике скольжения, наполненном смазкой, достаточно велика, то на валу создаётся как бы искусственная невесомость, при которой вал перестаёт давить на подшипник. Техническое применение этого открытия привело к разработкам подшипников скольжения, обладающих весьма малыми коэффициентами трения. Дальнейшие разработки открытия привели к созданию подшипников, в которых смазывающая рабочая среда нагнетается снаружи при помощи специального насоса.

Особенности применения гидродинамических подшипников

Современные гидродинамические подшипники используются в разнообразных прецизионных механизмах, когда обычные шарико- или роликоподшипники не удовлетворяют необходимым требованиям, предъявляемым к работе тех или иных конструкций и узлов. Например, при необходимости обеспечения минимальной вибрации, малого уровня шума, минимальных габаритов в стеснённых эксплуатационных условиях, достаточно большого срока службы. В процессе дальнейших разработок и усовершенствований такие подшипники становятся всё более и более конкурентоспособными в связи с уменьшающейся себестоимостью изготовления.

Отличие гидростатических подшипников от гидродинамических заключается в том, что в первых необходимое рабочее давление жидкости создаётся при помощи специального насоса, а в последних самосмазывание обеспечивается рабочим валом при его вращении. Следует учитывать, что эффект самосмазывания имеет достаточную эффективность только при достижении паспортных скоростей вращения вала, в противном случае прослойка смазки под валом имеет недостаточную толщину, а это неизбежно приводит к возрастанию сил трения и, как правило, к преждевременному износу механизма. Поэтому, для предотвращения подобных случаев, которые могут происходить достаточно часто, например, при пусках и остановках механизмов, бывает целесообразно предусмотреть специальный «пусковой» насос, который будет использоваться только при вышеупомянутых переходных режимах.

Эксплуатационные достоинства гидродинамических подшипников

Конструктивно гидродинамические подшипники достаточно просты и надёжны.Как правило, они состоят из внешнего и внутреннего колец тороидальной формы, имеющих герметичные уплотнения в местах стыков. Эксплуатационные затраты минимальны или вообще отсутствуют. Подшипники обладают практически, неограниченным сроком службы. Требования к точности их изготовления гораздо ниже, чем к точности изготовления шарико- или роликоподшипников. Уровень шума от таких подшипников гораздо ниже шума, создаваемого подшипниками качения. Вибрации минимальны. Исходя из конструктивных особенностей, подшипники в ряде случаев обладают огромной демпфирующей способностью.

Недостатки гидродинамических подшипников

Нельзя не отметить недостатки гидродинамических подшипников.

Они обладают значительными потерями энергии. Эти потери варьируются в связи с наружными температурными режимами, что значительно затрудняет проведение необходимых температурных расчётов. Гидродинамические подшипники чаще подвержены внезапным авариям при внештатных ситуациях. Подшипники весьма чувствительны к неточностям изготовления валов и их аксессуаров. Возможны утечки рабочей среды в процессе эксплуатации. Поэтому достаточно часты практики установки двух и более цапф в подшипниках для предотвращения утечек с одной стороны.

Область применения

Подшипники применяются, чаще всего, в компьютерных установках, для жёстких дисков, для вентиляторов охлаждения персонального компьютера. Возможно применение для металлообрабатывающих станков, для ядерных реакторов.

Полезная модель относится к узлам и деталям машин, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин и установок, а именно, к подшипникам скольжения для вращательного движения. Заявленное устройство может быть использовано в шпиндельных опорах шлифовальных станков. Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение технологичности гидродинамического подшипника, путем упрощения системы регулировки монтажного зазора между подшипником и валом шпинделя станка. Указанная задача решается за счет того, что гидродинамический подшипник, установленный на валу шпинделя станка, содержит два опорных кольца, соединенных штифтами с установленными между ними прокладкой и тремя опорными самоустанавливающимися вкладышами, каждый из которых содержит сферическую опору. При этом на каждом из опорных колец со стороны их соединения выполнена кольцевая фаска, а каждый из трех опорных самоустанавливающихся вкладышей содержит полусферическую канавку. Техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью признаков, является повышение технологичности гидродинамического подшипника, вследствие особенностей предложенной конструкции самоустанавливающихся вкладышей и упрощения регулировки зазора между опорными кольцами, способом подбора толщины прокладки.

Полезная модель относится к узлам и деталям машин, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин и установок, а именно, к подшипникам скольжения для вращательного движения. Заявленное устройство может быть использовано в шпиндельных опорах шлифовальных станков.

Из уровня техники известна конструкция подшипника качения (а.с. SU 1557382, МПК F16C ЗЗ/38, опубл. 15.04.90, бюл. 14), содержащего внутреннее и наружное кольца, размещенные между ними тела качения и разделяющий их сепаратор в виде торцовых шайб с выступами. Свободное пространство между кольцами заполнено твердосмазочным антифрикционным заполнителем.

Недостатком известной конструкции подшипника качения является его низкая рабочая скорость вращения.

Известен гидродинамический радиальный сегментный подшипник скольжения (а.с. 1516640, МПК F16C 17/24, опубл. 23.10.89, бюл. 39), содержащий установленные на опорных элементах самоустанавливающиеся сегменты, объединенные в замкнутый контур жестко связанными с ними упругими элементами, а также систему контроля и управления нагрузкой, включающую датчик и соединенный с ним усилитель.

Недостатком конструкции гидродинамического подшипника является сложность его эксплуатации, связанная с необходимостью ручной настройки монтажного зазора для каждого из вкладышей. Кроме этого, известный гидродинамический подшипник обладает низкой технологичностью вследствие наличия в его конструкции сложных элементов автоматики.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение технологичности гидродинамического подшипника, путем упрощения системы регулировки монтажного зазора между подшипником и валом шпинделя станка.

Указанная задача решается за счет того, что гидродинамический подшипник, установленный на валу шпинделя станка, содержит два опорных кольца, соединенных штифтами с установленными между ними прокладкой и тремя самоустанавливающимися вкладышами, каждый из которых содержит сферическую опору. При этом на каждом из опорных колец со стороны их соединения выполнена кольцевая фаска, а каждый из трех самоустанавливающихся вкладышей содержит полусферическую канавку.

Техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью признаков, является повышение технологичности гидродинамического подшипника, вследствие особенностей предложенной конструкции самоустанавливающихся вкладышей и упрощения регулировки зазора между опорными кольцами, способом подбора толщины прокладки.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан гидродинамический подшипник, на фиг. 2 - расположение опорных самоустанавливающихся вкладышей и положение гидродинамического подшипника на шпинделе станка.

Гидродинамический подшипник, установленный на валу шпинделя станка, содержит два опорных кольца 1, соединенных штифтами 2 с установленными между ними прокладкой 3 и тремя самоустанавливающимися вкладышами 4, каждый из которых содержит сферическую опору 5. При этом на каждом из опорных колец со стороны их соединения выполнена кольцевая фаска 6, а каждый из трех самоустанавливающихся вкладышей содержит полусферическую канавку 7.

В каждом из трех самоустанавливающихся вкладышей 4 подшипника выполнены радиусные канавки на глубину h 1 и h 3 , соответственно, что необходимо для шлифования полусферических канавок 7 и обеспечения точной установки сферических опор 5 диаметром D C в самоустанавливающиеся вкладыши на глубину h 2 . Паз радиусом R выполнен в опорных кольцах для закрепления сферических опор 5, и предотвращения их перемещения вдоль фасок в опорных кольцах 1.

Отверстие диаметром d 1 в сферических опорах предназначено для того, чтобы обеспечить полное их погружение в масляную прослойку и исключить взаимное трение колец и вкладышей. Сферические опоры фиксируются двумя опорными кольцами, наружный диаметр которых равен D 1 , а внутренний - D 2 . Между опорными кольцами устанавливается прокладка 3, регулирующая диаметральный зазор на величину . Упомянутые выше конструктивные элементы подшипника соединяют в единый сборочный узел с помощью штифтов 2, диаметром D 3 и длиной L, равной ширине подшипника. Установка штифтов выполняется в отверстия, центр которых находится на расстоянии D Ш от центра подшипника, и на расстоянии t в поперечном сечении от края самоустанавливающегося вкладыша (фиг. 2).

Подшипник устанавливается на вал шпинделя 8, при этом требуемый монтажный зазор определяет расстояние H от верхней точки сферической опоры до вала шпинделя станка, (фиг. 1).

Гидродинамический подшипник работает следующим образом.

Предварительно проводят регулировку требуемой величины диаметрального зазора между опорными кольцами 1 с помощью подбора толщины прокладки 3.

Далее выполняют настройку монтажного зазора между валом шпинделя 8 и самоустанавливающимися вкладышами 4. Настройку осуществляют на валу, диаметр которого равен диаметру вала шпинделя. При помощи прокладки 3 между опорными кольцами 1 осуществляют сдвиг, перемещающий сферические опоры 5 вверх или вниз, в зависимости от требуемой величины монтажного зазора. Предварительная настройка монтажного зазора необходима вследствие сложности его регулировки непосредственно на валу шпинделя станка.

Распространены два способа создания «поддерживающего » давления:

статический (гидростатический ) и гидродинамический . В соответствии с этим различают гидростатический и гидродинамический подшипники жидкостного трения. В гидростатических подшипниках давление в поддерживающем слое смазочного материала создают насосом, подающим материал в зазор между цапфой и подшипником. Эти подшипники требуют для нормальной работы сложной гидросистемы. Гидродинамические подшипники получили большее распространение. В них смазочный материал следует подавать только в зону низкого давления откуда вращающейся цапфой он нагнетается вниз, образуя клиновой поддерживающий слой. Проходя через узкий участок радиального зазора, часть смазочного материала удаляется в торцовый зазор между цапфой и подшипником. Другая его часть вытекает в торцовый зазор поверх цапфы, охлаждая подшипник. Удельная нагрузка на подшипник p=F r /(ld).

73. Конструкции подшипников скольжения и материалы деталей. Подшипники скольжения состоят из двух основных частей: корпуса и подшипниковой втулки (вкладыша). Применение вкладышей позволяет изготовлять детали корпусов из дешевых материалов и облегчает ремонт. В малогабаритных и неответственных подшипниках вкладыши иногда отсутствуют, их назначение в этом случае выполняют корпуса. Наиболее распространены опоры с неподвижной осью б) и с подвижной осью в) В механизмах используют опоры на центрах и опоры на кернах г, д)Керны изготовляют в форме цилиндрических осей диаметром 0,25...2 мм, их конические концы закругляют по сферической поверхности радиусом rк = 0,01...0,2 мм. Опоры механизмов и машин условно можно подразделить на автономные и встроенные. Автономные опоры изготовляют по стандартам в разъемном и неразъемном исполнениях. Подшипники с неразъемным корпусом сравнительно просты и дешевы, но сложны при монтаже. Это ограничивает область их использования. Разъемные подшипники широко применяются в различных конструкциях. Он состоит из: корпуса 1 , крышки 2, вкладыша 3, крепежных болтов с гайками 4 и масленки 5. Подшипниковые вкладыши выполняют цилиндрическими без бурта для радиальной нагрузки или с буртом для восприятия осевой и радиальной сил. Их изготовляют неразъемными и разъемными Разъем вкладыша рекомендуется выполнять в плоскости, перпендикулярной радиальной нагрузке., а разъем корпуса - ступенчатым. Уступ в ступенчатом разъеме препятствует поперечному сдвигу крышки относительно корпуса подшипника. Смазывание осуществляют различными смазочными материалами с помощью колпачковых или капельных масленок.

74. Общие сведения Классификация подшипников качения. Подшипники качения являются наиболее распространенным видом опор деталей механизмов и машин. В отличие от подшипников скольжения в них реализовано трение качения между деталями: наружным 1 и внутренним 2 кольцами, телами качения 3 , расположенными между кольцами. Для предохранения тел качения от соприкосновения между собой их отделяют друг от друга сепаратором 4.

Тела качения перемещаются по тщательно обработанным беговым дорожкам А , выполненным на кольцах. Преимущества подшипников качения перед подшипниками скольжения :1)малые осевые габариты, 2)малое сопротивление пуску и вращению, 3)простота обслуживания, 4)низкая стоимость, 5)взаимозаменяемость. Недостатки : 1)большие радиальные габариты и сложный монтаж, 2)меньшая радиальная жесткость,3)низкая долговечность при высоких оборотах (из-за перегрева) и др. Классификация подшипников. 1)По форме тел качения подшипники подразделяют на шариковые и роликовые по форме роликов а)с коротким и и длинными цилиндрическими роликами, б)с коническими в)бочкообразными г)игольчатыми д)и витыми роликами). 2)По направлению воспринимаемых сил подшипники разделяют на: а)радиальные , воспринимающие преимущественно радиальные нагрузки, б)радиально-упорные , воспринимают действие радиальных и осевых нагрузок; в)упорно-радиальные , воспринимают осевую нагрузку при незначительной радиальной нагрузке; г)упорные , воспринимающие только осевые силы По способности самоустанавливаться подшипники подразделяют на не самоустанавливающиеся и самоустанавливающиеся , допускающие поворот оси внутреннего кольца по отношению к оси наружного кольца. По числу рядов тел качения различают подшипники однорядные , двухрядные и четырехрядные . Подшипники одного и того же диаметра отверстия подразделяют на серии : по габаритным размерам наружного диаметра сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю и тяжелую, а в зависимости от ширины они подразделяются на: особо узкую, узкую, нормальную, широкую, особо широкую.

75. Статическая грузоподъёмность подшипников. Статической грузоподъемностью подшипника называют нагрузку Со (радиальную и осевую), которая вызывает общую остаточную деформацию наиболее нагруженного тела качения. Значения С о для подшипников различных типов и серий даны в справочниках. Если подшипник нагрузить одновременно радиальной F r и осевой F a силами, и принять, что осевая сила равномерно распределена между телами качения, то используя схему нагружения, можем найти величину статической эквивалентной нагрузки по формуле F сэ =x 0 F r +Y 0 F a , где Х 0 и У 0 коэффициенты радиальной и осевой сил. Значения коэффициентов Х о и Y о для подшипников различных типов приведены в справочниках. Для любого подшипника одинаковая статическая эквивалентная нагрузка может быть получена при различных соотношениях сил F r и F a Подшипник подбирают из условия F сэ ≤C 0 если F сэ >F r при F сэ ≤F r принимают F сэ =F r .

76. Динамическая грузоподъемность подшипников . Под динамической грузоподъемностью С подшипников понимают постоянную радиальную нагрузку (в Н), которую подшипник с одним неподвижным кольцом может воспринимать в течение номинальной долговечности в один миллион оборотов. Учитывая условие прочностной надежности подшипника долговечность подшипника можно представить в виде L=(C/F) q ≤L p , где L - номинальная долговечность подшипника (млн. оборотов); С - динамиче­ская грузоподъемность (Н); q - показатель степени кривой усталости подшипника; Lp = 6 - расчетная долговечность подшипника, (млн. оборотов) п - частота вращения кольца, (мин-1); Lh - расчетная долговечность подшипника, (час). Показатель степени q = 3 - для шарикоподшипников и q = 3,33 - для роликоподшипников. Значения динамических грузоподъемностей С для подшипников различных типов и серий приведены в справочниках.

№ 77 Виды изделий тредования к ним. Стадии разработки машин.

Совокупность деталей предназначенных для совместной работы, называют сборочной единицей (узлом ). :подшипник, узел опоры, редуктор и т. п. Несмотря на различие машин, детали и узлы в них в основном одинаковые: различные соединения (резьбовые, сварные, и др.), передачи (зубчатые, винтовые и др.) валы, муфты, и тд. Требования, предъявляемые к изделиям

Работоспособность - одно из важнейших требований критерии: прочностью( сопротивление деталей машин разрушению), жесткостью (способность деталей сопротивляться изменению формы), износостойкостью (способность деталей сопротивляться изнашиванию, т. е. процессу разрушения и отделения материала с поверхности

твердого тела)., вибростойкостью .

СТАДИИРАЗРАБОТКИ МАШИН

Первая стадия - разработка технического задания (ТЗ )- документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию.

Вторая стадия - разработка технического предложения (ТП )- совокупности КД , обосновывающих целесообразность разработки изделия на основе предложений в ТЗ , рассмотрения вариантов решений. ТП утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком.

Третья стадия - разработка эскизного проекта (ЭП )-совокупности КД , содержащих принципиальные конструкторские решения, дающих представление об устройстве изделия, принципе действия, размерах и основных параметрах. Сюда входит пояснительная записка с необходимыми расчетами.

Четвертая стадия - разработка технического проекта - совокупности КД - окончательное решение с полным представлением об устройстве изделия. рассматриваются вопросы надежности узлов, соответствие техники безопасности, условиям хранения и транспортирования и т. д.

Пятая стадия - разработка рабочей документации (РД )- совокупности документов, содержащих чертежи что бы по ним можно было изготовлять изделия и контролировать производство и эксплуатацию. На этой стадии разрабатываются оптимальные конструкции деталей.