Условный расчет подшипников скольжения
Условный расчет подшипников скольжения проводят по среднему давлению q на рабочих поверхностях и удельной работе qv сил трения, где v — окружная скорость точек поверхности цапфы.
Расчет по среднему давлению q (см. эпюру на рис. 27.6, в) обеспечивает достаточную износостойкость, а расчет по qv — нормальный тепловой режим и отсутствие заедания.
Для подшипников, работающих в режиме несовершенной смазки, условный расчет является основным, его выполняют в большинстве случаев как проверочный; для подшипников, работающих в условиях жидкостной смазки, — как основание для выбора материала вкладыша.
При условном расчете должны быть выполнены условия:
где Rr = ^RrB +Ргг
суммарная опорная радиальная сила, действующая на подшипник; А — площадь проекции поверхности цапфы на диаметральную плоскость:
где d и / — диаметр и длина шипа (шейки), которые определяют при расчете и конструировании вала.
Рекомендуется / = (0,5. 0,9)d.
Значения [гф q] и [qv] зависят от материала вкладыша:
Материал вкладыша [v], м/с q, Н/мм 2 [qv], МН • м/(м 2 ? с)
Бр04Ц4С17. 2 • с) 2 • с); условие (28.2) выполняется.
Подшипник для заданного режима работы пригоден.
5. Момент трения скольжения на шейке оси [формула (28.3)] при f. = 0,10: 
Расчёт подпятников и подшипников скольжения
В первую очередь, при разработке подшипника скольжения, выполняются расчёты на реализуемое в его конструкции жидкостное трение.
Они основаны на следующем посыле – сформированный масляный слой должен обладать способностью к восприятию всей нагрузки, и иметь толщину, превышающую суммарные неровности обработанной поверхности вкладыша и цапфы.
Вторая тема (которая, по сути, является составной частью вышеназванного расчёта, однако выделяется в самостоятельный раздел), это тепловой расчёт. Объясняется это тем, что при превышении определённых температурных значений меняются физические свойства смазки, и плавится заливка вкладышей.
Дополнительно применяются условные расчёты.
Общая информация об условном расчёте подпятников и подшипников скольжения
Основными причинами выхода из строя подшипников скольжения (ПС) являются заедания и абразивное изнашивание. На третьем месте стоит усталостное разрушение, которому подвергаются рабочие слои используемых вкладышей (возникает в устройствах, где на подшипник, в процессе работы, действуют существенные механические нагрузки вибрационного и ударного характера).
Условный расчёт выполняется для ПС, эксплуатируемых при ограниченном трении (полужидкая смазка). При данном режиме отсутствует гарантированное разделение трущихся поверхностей смазочным слоем. Имеющая тончайшая смазочная плёнка может, с высокой степенью вероятности, разрушиться.
Данный расчёт необходим для исключения возникновения заеданий и обеспечения требуемой износостойкости.
Проводится для подшипников, применяемых в:
- тихоходных механизмах;
- устройствах, предусматривающих частую остановку и повторный запуск;
- плохим подводом смазочных материалов;
- неустановившимися режимами нагрузки.
Специальный расчёт подшипников жидкостного трения
В основу данных расчётов положена гидродинамическая теория смазки.
Интенсивность износа определяется материалами, из которых выполнены вкладыши, величиной давления между ними и цапфой, стойкостью плёнки, а также долговечностью сохранения свойств применяемых смазочных материалов.
Подшипники скольжения, функционирующие при граничном трении, считаются по условной методике. При этом:
- специально ограничивают давление между вкладышем и цапфой, что позволяет исключить выдавливание смазки и снижает величину износа;
- используя значение, полученное при умножении величины среднего давления на окружную скорость, с которой вращается цапфа (это величина удельной мощности возникающего трения), проводят расчёт на нагрев пары «вкладыш-цапфа».
Это позволяет обеспечить оптимальный тепловой режим функционирования подшипника.
Условный расчёт такого изделия, как подшипник скольжения, функционирующий при граничном трении, относится к группе основных, и является для них проверочным. А для аналогичных изделий, работающих при реализованном жидком трении – ориентировочным.
Осуществление теплового расчёта
Тепловой расчёт для современных устройств, имеющих существенную быстроходность, является крайне важным. Работы выполняют, приравнивая теплообразование, имеющее место в работающем подшипнике, к теплопередаче (тепловой баланс).
Данный вид расчётов применяется, чаще всего, на этапе проектирования опор, в которых не обеспечено жидкостное трение (статус расчёта – основной). Либо для опор, в которых гидродинамическое жидкостное трение реализовано в полном объёме (статус – предварительный расчёт). Параметры этих опор обязательно уточняются и конкретизируются в ходе дальнейших гидродинамических расчётов ПС.
Подшипники скольжения
В подшипниках скольжения опорная поверхность вала 1 или оси скользит по рабочей поверхности подшипника 2 (рис. 4.77, а). В простейшем виде подшипник скольжения представляет собой втулку (вкладыш), запрессованную в корпус механизма. В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на радиальные (см. рис. 4.77, а), предназначенные для восприятия усилий, перпендикулярных к оси вала, и упорные – для восприятия нагрузок, действующих вдоль оси вала (рис. 4.77, б). В силовых механизмах подшипники скольжения, как правило, предназначены для восприятия радиальных нагрузок и являются нестандартными. Для качательного движения используются стандартные разъемные шарнирные подшипники (рис. 4.77д).
Область применения подшипников скольжения ограничивается механизмами, в которых опоры качения не обеспечивают требуемой надежности или их использование невозмож-
но. К ним относятся паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, центробежные насосы, центрифуги, станки, прокатные станы, механизмы приборов.
Преимущества, большие ударные или вибрационные нагрузки; высокие частоты вращения валов; воздействие агрессивных сред; опоры очень малых или очень больших диаметров, для которых отсутствуют подшипники качения; опоры с разъемными подшипниками (например, для коленчатых валов); опоры валов и осей, требующих точной установки (механизмы приборов).
Недостатки: изнашивание трущихся поверхностей; большие потери на трение, особенно в режимах пуска, останова и реверса; сравнительно большие осевые размеры опор; необходимость использования для вкладышей более дорогих антифрикционных материалов.
В зависимости от вида трения, реализуемого между трущимися поверхностями, различают:
- • подшипники сухого трения, работающие на твердых смазочных материалах или без смазочного материала;
- • подшипники граничного трения;
- • подшипники жидкостного трения.
Вкладыши неразъемных подшипников сухого или граничного трения выполняют в виде втулок. Длина подшипника скольжения L влияет на его работоспособность. При малой длине подшипника снижается несущая способность и увеличивается расход смазочного материала. С увеличением длины подшипника скольжения снижается среднее давление, но повышается температура из-за местных сближений поверхностей и худшего охлаждения. Для большинства стационарных машин оптимальная длина подшипника L = (0,6÷0,9)d. При высоких требованиях к демпфированию колебаний и высокой жесткости валов длина подшипника может составлять L ≤ 1,5d.
Для подвода смазочного материала к поверхности скольжения во вкладышах выполняются отверстия, сопряженные с осевыми и кольцевыми канавками. Располагают их в ненагруженной зоне. Смазочный материал может подаваться принудительно под давлением Р = 0,06÷0,5 МПа (циркуляционное смазывание) или самотеком (картерное смазывание).
В серийном производстве вкладыши обычно выполняют биметаллическими. На стальную, чугунную или бронзовую основу наплавляют тонкий антифрикционный слой. В мелкосерийном и единичном производстве применяют более простые в изготовлении сплошные вкладыши (из антифрикционных чугунов, текстолита). Мягкие антифрикционные материалы (баббиты и мягкие бронзы) применяют только в виде покрытий. Толщина вкладыша 
I мм.
Одной из основных причин снижения надежности и работоспособности подшипников скольжения является перекос осей вала и подшипника, в результате чего на кромках вкладыша увеличивается давление и наблюдается повышенный износ. Особенно это проявляется в подшипниках с вкладышами из твердых металлических материалов – чугуна, твердых бронз. Причиной перекоса может быть несоосность рас точек корпусных деталей или вкладышей либо изгиб вала под действием внешней нагрузки. Для уменьшения кромочного износа применяют самоустанавливающиеся подшипники, в которых наружная поверхность вкладышей выполняется по сфере (рис. 4.78), что позволяет компенсировать перекосы валов при монтаже и повышенных деформациях валов. Применяются самоустанавливающиеся подшипники обычно при 
. Рабочие поверхности трения в подшипниках скольжения выполняются в основном цилиндрическими, реже – коническими или шаровыми.
Материал вкладышей подшипников скольжения, работающих в паре со стальным валом, должен иметь низкий коэффициент трения, повышенную износостойкость и высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок. Изнашиваться быстрее должен вкладыш, а не опорная поверхность вала, так как стоимость вала значительно выше стоимости вкладыша; дешевле заменить вкладыш. Поэтому шейки валов закаливают ТВЧ или азотируют до твердости свыше 50 HRC. Поверхности шеек валов шлифуют, а также применяют доводочные операции – полирование, суперфиниширование и алмазное выглаживание; для обработки поверхности вкладышей – чистовое растачивание, шлифование, протягивание. Шероховатость поверхностей вала и вкладыша 
.
В качестве материалов вкладышей используются металлические материалы; бронзы, латуни, баббиты, антифрикционные чугуны; металлокерамика, полученная спеканием порош
ка меди с добавлением графита, олова, свинца; неметаллические материалы – пластмассы, древесные пластики и др.; для валов приборных малоразмерных механизмов применяют опоры на камнях – рубин, корунд, агат.
Критериями работоспособности подшипников сухого и граничного трения являются износостойкость и теплостойкость. Расчет подшипника проводится как проверочный, так как размеры подшипника назначаются конструктивно в зависимости от диаметра цапфы вала. Надежность подшипника при небольших скоростях скольжения определяется условным средним давлением на поверхности трения
где F – радиальная нагрузка; L – длина подшипника; d – диаметр цапфы вала; [р] – допускаемое давление (табл. 4.24).
Смазывание и расчет подшипников скольжения
В процессе работы подшипников скольжения может происходить абразивный износ вкладышей и цапф, заедание вследствие нагрева подшипника и усталостное изнашивание при пульсирующих нагрузках.
Основным критерием работоспособности подшипников скольжения является износостойкость трущейся пары.
Смазывание подшипников скольжения. Для уменьшения потерь энергии на преодоление трения, обеспечения износостойкости, отвода теплоты из зоны контакта, удаления продуктов изнашивания и предохранения от коррозии применяют смазывание трущихся поверхностей.
Смазочные материалы бывают твердые (графит, слюда), пластичные (литол, солидол, консталин), жидкие (органические и минеральные масла) и газообразные (воздух, газы). Наиболее распространены жидкие и пластичные смазочные материалы. Нередко к смазочному материалу для придания ему новых свойств добавляют другие вещества, называемые присадками, например противозадирные, противо- износные, антикоррозионные и другие.
Различают смазочные масла индустриальные, моторные, компрессорные, трансмиссионные, турбинные, приборные, часовые и др.
Для смазывания подшипников скольжения быстроходных валов применяют менее вязкие сорта масел, для подшипников тихоходных валов и при ударных нагрузках — более вязкие сорта масел или пластичные смазочные материалы.
Для распределения смазочного материала по длине вкладыша и сбора продуктов износа предусматриваются смазочные карманы и канавки (см. рис. 13.2 и 13.3).
Подача смазочного материала в зону смазывания осуществляется самотеком или под давлением с помощью разнообразных смазочных устройств. На рисунке 13.3 показано непрерывное смазывание подшипника с помощью кольца, частично погруженного в масло и увлекаемого во вращение валом.
На рисунке 13.6 представлены: а — наливная масленка с поворотной крышкой; б — пресс-масленка, через которую жидкий или пластичный смазочный материал периодически подается с помощью смазочного шприца; в — колпачковая масленка для периодической подачи пластичной смазки за счет подвинчивания колпачка; г — масленка непрерывной подачи пластичной смазки с помощью поршня, находящегося под действием пружины.
Рис. 13.6. Смазочные устройства подшипников скольжения
В герметически закрытых механизмах может применяться смазывание разбрызгиванием движущимися деталями или смазывание погружением, при котором поверхность трения полностью или частично помещена в ванну с жидким смазочным материалом.
Кроме указанных выше для подшипников применяются следующие методы смазывания: капельное, масляным туманом, набивкой, фитильное, контактное и циркуляционное. При последнем жидкий смазочный материал многократно циркулирует от смазочного насоса к поверхностям трения, по пути фильтруясь и охлаждаясь.
При работе машины трение между цапфой вала и вкладышем подшипника при жидком смазочном материале может происходить в условиях жидкостной, полужидкостной и граничной смазки.
Жидкостной называется смазка, при которой поверхности трения деталей, находящихся в относительном движении, полностью разделены жидким смазочным материалом. При жидкостной смазке толщина слоя масла больше суммарной высоты неровностей профиля рабочих поверхностей цапфы и вкладыша, поэтому всю нагрузку несет масляный слой, и значительно снижается трение и изнашивание рабочих поверхностей. Так как жидкость несжимаема, то при жидкостной смазке это объемное свойство масла проявляется в полной мере, и нагрузочная способность слоя смазочного материала оказывается очень высокой. Сопротивление движению при жидкостной смазке определяется только внутренним трением в смазочном материале, зависящем от его вязкости.
Если жидкостная смазка осуществляется частично, то она называется полу жидкостной.
Благодаря маслянистости смазочный материал способен образовывать на сопряженных поверхностях тонкие пленки, называемые граничными слоями. Свойства масла в граничном слое резко отличаются от его объемных свойств. Граничный слой обладает высокой прочностью и может выдерживать давление до 3000 МПа и более. Граничной называется смазка, при которой трение между поверхностями, находящимися в относительном движении и их износ определяются свойствами этих поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.
Следует помнить, что при повышении температуры вязкость масла уменьшается, увеличивается возможность разрушения граничных пленок и появления чистого контакта цапфы и вкладыша, что может привести к схватыванию материала и заеданию подшипника.
Очевидно, что для работы подшипников скольжения наиболее благоприятным является режим жидкостной смазки. Однако большинство подшипников скольжения работает в условиях полужидкостной или граничной смазки.
Расчет подшипников скольжения. Расчет подшипников, работающих в условиях полужидкостной и граничной смазки условно ведут по допускаемому среднему давлению р] на трущихся поверхностях (этот расчет гарантирует невыдавливаемость смазочного материала) и по допускаемому произведению pv] среднего давления на скорость скольжения, т.е. окружную скорость цапфы (этот расчет гарантирует нормальный тепловой режим и отсутствие заедания). Среднее давление в подшипнике предполагается равномерно распределенным по диаметральному сечению цапфы (рис. 13.7) и равным
Рис. 13.7. Схема давления на цапфу
где R — радиальная нагрузка на подшипник; d — диаметр цапфы; 1 — длина цапфы.
Формулы для проверочного расчета имеют вид
Для приближенных расчетов подшипников скольжения можно принимать следующие ориентировочные значения р] и pv
сталь по чугуну
сталь по бронзе
сталь по баббиту
При неудовлетворительных результатах проверочного расчета меняются размеры цапфы или материал вкладыша.
При проектном расчете задаются относительной длиной подшипника i[/ = l/d; при несамоустанавливающемся вкладыше i = 0,4. 1,2; при самоустанавливающемся вкладыше i = 1,5. 2,5 (меньшие значения — для быстроходных валов и при значительных нагрузках). Так как диаметр цапфы определяется из расчета вала на прочность или жесткость, то расчет подшипника скольжения сводится к определению его длины.
Подпятники скольжения рассчитываются по аналогичной методике, но ввиду худших условий отвода теплоты допускаемые значения р] и pv] уменьшаются на 20. 30%.
Понятие о гидростатической и гидродинамической смазке. Гидростатической называется жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате поступления жидкости в зазор между ними под внешним давлением (например, от насоса). Гидродинамической называется жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате самопроизвольно возникающего давления в слое жидкости при относительном движении поверхностей.
Рис. 13.8. Гидростатическое давление в подшипнике скольжения
На рисунке 13.8, а изображен невращающийся вал, опирающийся на подшипник скольжения, заполненный смазочным маслом. Обратим внимание на то, что зазор между валом и подшипником имеет клиновидную форму. После пуска машины благодаря маслянистости и вязкости масло будет увлекаться вращающимся валом и нагнетаться в клиновидный зазор, в результате чего в масляном слое возникнет избыточное давление, возрастающее с увеличением угловой скорости вала.
Избыточное давление создает гидродинамическую подъемную силу. После достижения определенного критического значения угловой скорости цапфа вала всплывает в масле и несколько смещается в сторону вращения, как показано на рис. 13.8, б. С увеличением угловой скорости вала, а также вязкости масла толщина разделяющего масляного слоя увеличивается; с увеличением радиальной нагрузки на цапфу толщина слоя уменьшается.
Расчет подшипников скольжения в условиях жидкостной смазки выполняется на основе гидродинамической теории, основоположником которой является русский ученый И.П. Петров, награжденный за эту работу в 1884 г. Ломоносовской премией.
Так как вязкостью обладают все жидкости и газы, то в качестве смазочного материала можно применять, например, воду или воздух (газодинамическая смазка).