Ім'я файлу: Курсова робота Резнікова Валерія група ТН4.docx
Розширення: docx
Розмір: 359кб.
Дата: 20.06.2021
скачати

ДВНЗ «ПЕРЕЯСЛАВ-ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ГРИГОРІЯ СКОВОРОДИ»
ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ І МАТЕМАТИЧНОЇ ОСВІТИ

Кафедра теорії та методики технологічної освіти та комп’ютерної графіки


Опори осей і валів, їх класифікація.

Підшипники кочення та ковзання, їх переваги та недоліки
Курсова робота

з деталей машин

студентки 4 курсу групи ТН-4

сп. 014 Середня освіта (трудове навчання та технології)

Резнікової Валерії Віталіївни
Науковий керівник:

Герасимчук Віктор Петрович

викладач кафедри ТМТОКГ
Переяслав

2021

ЗМІСТ


ВСТУП 2

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОПОРІВ ВАЛІВ ТА ОСЕЙ, ПІДШИПНИКИ КОЧЕННЯ І КОВЗАННЯ. 3

1.1.Класифікація опорів осей та валів, підшипників кочення і ковзання. 3

1.2.Призначення та матеріали валів, осей та підшипників кочення і ковзання. 8

1.3.Критерії працездатності валів, осей, підшипників кочення та ковзання. 11

РОЗДІЛ 2. ОПОРИ ОСЕЙ ТА ВАЛІВ. ПІДШИПНИКИ КОЧЕННЯ ТА КОВЗАННЯ. 13

2.1. Переваги та недоліки підшипників кочення та ковзання. 13

2.2. Основні схеми установки вала. 15

2.3. Розрахунки валів та осей, підшипників кочення і ковзання 18

2.4 Особливості конструювання опор з підшипниками кочення 25

ВИСНОВОК 27

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 29





ВСТУП


Сучасне суспільство відрізняється від первісного використанням машин. Застосування предметів, що підсилюють можливості рук (палиці, каміння), і особливо освоєння додаткових джерел енергії (багаття, кінь) не тільки дозволило людству вижити, а й забезпечило надалі перемогу над переважаючими силами природи. Життя людей, навіть найвідсталіших племен, тепер немислима без різних механічних пристроїв і пристосувань.  І хоча різні механічні хитрощі використовувалися вже в древньому Єгипті при будівництві пірамід, всерйоз говорити про застосування машин можна лише з епохи промислової революції XVIII століття, коли винахід парової машини дало гігантський технологічний ривок і сформувало сучасний світ в його нинішньому вигляді. Тут важливий енергетичний аспект проблеми. З тих же пір з’явилися основні закономірності будови і функціонування механізмів і машин, склалися найбільш раціональні та зручні форми їх складових частин - деталей. В процесі механізації виробництва і транспорту, у міру збільшення навантажень і складності конструкцій, зросла потреба не тільки в інтуїтивному, а й в науковому підході до створення і експлуатації машин [1].

Відповідно до обраної теми об’єктом даного дослідження є опори осей та валів, підшипники кочення та ковзання, а предметом – класифікація, призначення, матеріали, переваги та недоліки осей, валів та підшипників.

Мета дослідження – теоретично обґрунтувати важливість валів, осей та підшипників в механізмах.

Відповідно до мети було поставлено таке завдання дослідження: теоретично

Обґрунтувати призначення, критерії працездатності, переваги і недоліки валів, осей та підшипників.

Методи дослідження:

  • аналіз підручників, креслень, посібників, таблиць.

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОПОРІВ ВАЛІВ ТА ОСЕЙ, ПІДШИПНИКИ КОЧЕННЯ І КОВЗАННЯ.

Розділ перший складається з класифікації опорів валів та осей, підшипників кочення і ковзання. Також розглянемо призначення, матеріали та критеерії працездатнності валів, осей та підшипників.

    1. Класифікація опорів осей та валів, підшипників кочення і ковзання.

Колеса передач встановлені на спеціальних довгастих деталях круглого перерізу. Серед таких деталей розрізняють осі та вали.

Вал призначений для підтримки сидячих на ньому деталей і для передачі обертаючого моменту. При роботі вал випробує вигин і крутіння, а в окремих випадках додатково розтягання і стиск.

Вісь — деталь, призначена тільки для підтримки сидячих на ній деталей. На відміну від вала вісь не передає обертаючого моменту і, отже, не випробує крутіння. Осі можуть бути нерухомими (див. мал.1) або обертатися разом з насадженими на них деталями (мал.2).



мал.1 Підвіска гака

1 – нерухома вісь; 2 – ось тримач


мал.2 Вісь візка

По геометричній формі вали поділяються на: прямі, колінчаті і гнучкі. Колінчаті та гнучкі вали відносяться до спеціальних деталей. Осі, як правило виготовляють прямими (див.мал.2). По конструкції вали і осі мало відрізняються один від одного. Утворення ступеней зв’язане з різною напруженістю окремих перетинів, а також умовами виготовлення і зручності зборки. По типу перетину вали і осі бувають суцільні і порожні. Порожній перетин застосовується для зменшення маси або для розміщення в середині іншої деталі [2].

Підшипник – це технічний пристрій, який є частиною опори, що підтримує вал, вісь або іншу конструкцію, фіксує положення в просторі, забезпечую обертання, коливання або лінійне переміщення з найменшим опором, сприймає та передає навантаження на інші частини констпукції.

Основні типи підшипників, які застосовуються в машинобудівництві – підшипники кочення та ковзання [3].

Підшипник кочення - це елементи опор осей, валів та інших деталей, що працюють на використанні принципу тертя кочення. Підшипник кочення складається із (див.мал.3): зовнішнього (1) та внутрішнього (2)кілець, тіл кочення (3)і сепаратора (4). Внутрішнім кільцем підшипник розміщують на валу або осі, а зовнішнім – у корпусі опори. Відносне обертання внутрішнього кільця відносно зовнішнього забезпечується за рахунок тіл кочення між кільцями. Тіла кочення перекочуються по доріжках кочення (бігових доріжках), які передбачені на зовнішньому та внутрішньому кільцях підшипника. Сепаратор розділяє тіла кочення і утримує їх на однаковій відстані [4].



мал.3 Підшипник кочення

Підшипники кочення можна класифікувати за цими ознаками:

  1. За формою тіл кочення:

  1. За напрямком сприйняття зовнішньої сили:

  • радіальні, що сприймають переважно радіальну силу, яка діє перпендикулярно до осі обертання підшипника;

  • радіально-упорні, що сприймають комбіноване навантаження у вигляді одночасно діючих радіальних і осьових сил;

  • упорнорадіальні, що сприймають в основному осьові сили, і одночасно незначні радіальні сили;

  • упорні, що сприймають осьові сили.

  1. За габаритними розмірами, що пов’язані з вантажністю, підшипники
    характеризують розмірними серіями за діаметром та шириною. З підвищенням габаритних розмірів зростає вантажність, але знижується гранична частота обертання. Найбільше поширення в загальному машинобудуванні мають легкі та середні вузькі серії підшипників.

  2. За основними конструктивними ознаками:
     числом рядів тіл кочення: одно- , дво- , багаторядні несамоустановлювальні та здвоєні самоустановлювальні;
     формою отвору: циліндричний і конічний;
     наявністю канавок на зовнішніх кільцях, стопорної шайби, відсутністю бортів на кільцях.

  3. За точністю підшипники розділяють на класи, що позначають цифрами
    порядку росту точності, як наприклад для кулькових радіальних і радіальноупорних та роликових радіальних, а саме: 8,7, нормальний, 6, 5, 4, Т, 2*. Точність підшипників кочення в основному характеризується точністю геометричних розмірів деталей, точністю взаємного розміщення поверхонь деталей і точністю обертання. Зі зростанням класу точності вартість підшипника значно збільшується. Залежно від спеціальних вимог до рівня вібраціі, моменту тертя та ін. підшипники розділяють на категоріі – А, В, С. Точність виготовлення підшипника визначає його функціональні можливості і ресурс. Найбільшого поширення     в загальному машинобудуванні набули підшипники нормального класу точності категоріі С без спеціальних вимог[5].

Підшипники ковзання - це елементи опор валів і осей, поверхня цапфи яких взаємодіє через шар мастила з охоплюючою нерухомою поверхнею підшипника.

Робота підшипників ковзання без спрацьовування поверхонь цапфи вала і підшипника можлива лише при розділенні цих поверхонь шаром мастила достатньої товщини. Наявність шару мастила між робочими поверхнями може бути забезпечена над­лишковим тиском, який буває гідродинамічним, що створюється при обертанні цапфи, або гідростатичним, що виникає внаслідок подачі мастила помпою. Основне практичне застосування мають підшипники з гідродинамічним змащуванням [4].

За напрямом зовнішнього навантаження щодо осі обертання розрізняють: радіальні, осьові підшипники (підп'ятники) і комбіновані. Існують нероз'ємні і роз'ємні радіальні та осьові підшипники.
Радіальний підшипник (мал.4) складається з корпусу 1, вкладишів 2, вкладиша 3, в якому поміщається вал, і кріпильних деталей 4.



мал.4 Корпус вкладиша
Осьовий підшипник (мал.5) складається з корпусу 1, кришки 2, упорних кілець (або сегментів) 3, на які спирається п'ята вала, і кріпильних деталей 4.



мал.5 Корпус вкладиша
Обов'язковою частиною підшипника ковзання є змащувальний пристрій, призначений для утворення стійкого масляного шару, безперервної подачі змащувального матеріалу, підтримка постійної температури та ін [5].


    1. Призначення та матеріали валів, осей та підшипників кочення і ковзання.

Вали призначені для закріплення на них деталей (зубчастих коліс, черв’яків, зірочок, і т.д.) і передачі обертаючих моментів. У механізмах, як правило, використовується кілька агрегатів і необхідно організувати передачу від валу одного пристрою до валу іншого. Для цих цілей можуть бути використані механічні передачі (ланцюгова) або муфти.

Осі призначені тільки для підтримки обертових деталей механізмів і на відміну від валів залишаються поза передачею обертаючих моментів [6].

Підшипники призначені опорами для валів і осей, вони підтримують їх у просторі, забезпечуючи можливість обертання і кочення та сприймають прикладені до них радіальні й осьові навантаження. Від якості підшипників у значній мірі залежать працездатність і довговічність машин. Щоб уникнути зниження коефіціенту корисної дії механізму, втрати в підшипниках повинні бути мінімальними [7].

Матеріалом валів і осей є вуглецеві і леговані сталі, що володіють високою міцністю, здатністю до поверхневого і об'ємного зміцнення (для підвищення втомної міцності і зносостійкості) і хорошою оброблюваністю. Матеріал валів вибирають з урахуванням умов роботи механізму. У малонавантажених механізмах вали, що не піддаються термічній обробці, виготовляють з вуглецевих сталей 20, 45А, 50 та ін. Для середньо- і важконавантажених валів застосовують леговані сталі 40Х, 40X11,40X112MА, 30ХГСА і ін. Вали з легованих сталей піддаються поліпшенню, загартуванню з високим відпусткою; для підвищення зносостійкості окремі ділянки валів піддаються поверхневому загартуванню ТВЧ. Цапфи налов і осей під підшипники ковзання механізмів з великим ресурсом для підвищення зносостійкості цементують. Вибір виду термообробки здійснюється відповідно до маркою стали (цементованої або дозволяє азотування)[6].

Вкладиші виготовляють із різних матеріалів: чавуну, сплавів ко­льорових металів, спечених матеріалів, графіту та синтетичних мате­ріалів.
Чавун (сірий і антифрикційний) придатний для вкладишів при невисоких безударних навантаженнях та низьких колових швидкостях. Потрібне припрацьовування чавунних вкладишів на холостих режимах роботи.

До кольорових антифрикційних сплавів належать бронзи, латуні, бабіти, алюмінієві сплави.

Бронзи з вмістом олова БрОІОФІ та ін. мають високі антифрик­ційні властивості і їх використовують в умовах високих тисків та швидкостей. При змінних та ударних навантаженнях високу стійкість має свинцева бронза БрСЗО, яка використовується у підшипниках двигунів внутрішнього згоряння. Широко розповсюджені також більш дешеві безолов'яні бронзи, наприклад БрА9ЖЗА.

Латуні ЛКС80–3–3, ЛМцЖ52–4–1 та ін. ефективні при порівня­но високих навантаженнях, але низьких колових швидкостях.

Бабіти використовують для нанесення на робочі поверхні чавунних або бронзових вкладишів. Високоолов'яні бабіти, (Б83), використовують при дуже високих швидкостях та тисках. За антифрикційними властивостями бабіт перевершує всі інші сплави, але за механічною міцністю значно поступається чавуну та бронзі. Негативною властивістю бабіту є крихкість та його висока вартість.

З алюмінієвих сплавів найперспективнішими є алюмінієво–олов'яні антифрикційні сплави АО9–2, АО9–1 та ін. Вони мають високу втомну міцність і здатні працювати протягом значного часу в умовах недостатнього змащування. Ці сплави застосовують у підшипниках потужних двигунів внутрішнього згоряння.

Спечені матеріали мають у своїй основі мідний або залізний порошок. Вкладиші, які виготовляють пресуванням та спіканням при високій температурі порошка із добавкою графіту, мають порувату структуру і можуть працювати довший час без подачі мастила за рахунок їхнього попереднього просочування рідким мастилом.
Неметалеві матеріали (гума, тверді породи дерева та пластмаси) значно розповсюджені як підшипникові матеріали, що пов'язано з їхніми високими антифрикційними властивостями в парі із сталевою цапфою вала, їх важливою перевагою є можливість роботи при змащуванні водою. Серед пластмас для вкладишів підшипників використовують текстоліти, ДШП, поліаміди (капрон, фторопласт–4) та ін. Поліаміди у більшості випадків наносять тонким шаром на металеві вкладиші і завдяки цьому в значній мірі поліпшують умови відведення теплоти. Оскільки пластмаси мають достатню пружність, виготовлені з них вкладиші підшипників можуть сприймати ударні навантаження та дещо компенсувати перекоси цапфи вала [8].

Основний матеріал для кілець та тіл кочення підшипників – це підшипникові високовуглецеві хромисті сталі ШХ9, ШХ15 і ШХ15ГС. Твердість після відповідної термообробки кілець і роликів становить 60... 65 HRC, а кульок – 62...66 HRC.

Для основних деталей підшипників кочення великих розмірів широко застосовують цементовані сталі марок 18ХГТ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А та інші із твердістю 59...60 HRC.

Сепаратори виготовляють із м'якої вуглецевої сталі методом штампування; для високошвидкісних підшипників використовують масивні сепаратори з антифрикційних бронз, латуні, алюмінієвих сплавів або пластмас (текстоліту, поліаміду).

Для роботи в умовах ударних навантажень та високих вимог до безшумності застосовують підшипники з тілами кочення, виготовленими з пластмас (переважно із склопластиків). При цьому різко зменшуються вимоги до твердості кілець і їх можна виготовляти з легких сплавів [9].

    1. Критерії працездатності валів, осей, підшипників кочення та ковзання.

У процесі роботи вали і осі відчувають постійні або змінні за величиною і напрямком навантаження. Міцність валів і осей визначається величиною і характером напруг, що виникають у них під дією навантажень. Характерною особливістю валів є те, що вони працюють при циклічному вигині найбільш небезпечного симетричного циклу, який виникає внаслідок того, що вал обертаючись, повертається до діючих згинаючих навантажень то однією, то іншою стороною. При розробці конструкції вала повинна бути звернена найпильніша увага на вибір правильної його форми, щоб уникнути концентрації напружень в місцях переходів, причиною яких можуть бути втомні руйнування. З цією метою слід уникати: різких переходів перетинів, канавок і малих радіусів заокруглень, некруглих отворів, грубої обробки поверхні.

Причини поломок валів і осей:

  • на стадії проектування - невірний вибір форми, невірна оцінка концентраторів напружень.

  • на стадії виготовлення - надрізи, забоїни, вм'ятини від недбалого поводження.

  • на стадії експлуатації - невірна регулювання підшипникових вузлів [1].

Головні критерії працездатності підшипників кочення:

  1. циклічна міцність або контактна витривалість;

  2. статична міцність, коли підшипник обертається із частотою n < 1 об/хв;

  3. зносостійкість, яка забезпечується відповідним матеріалом і твердістю поверхонь, а також удосконаленням конструкції ущільнень і мастила.

Робота підшипників ковзання супроводжується абразивним зношуванням вкладишів і цапф, заїданням і втомним викрашуванням.

Абразивне зношування виникає внаслідок попадання з мастильним матеріалом абразивних часток і неминучого граничного змащення при пуску й зупинці.

У звичайних конструкціях підшипників ковзання в результаті зносу вкладиш приймає овальну форму. Для усунення цього недоліку в окремих випадках застосовують звернену підшипникову пару, у якій цапфу виконують з антифрикційного матеріалу, а вкладиш — з низковуглеродної сталі з наступною цементацією і загартуванням. У цьому випадку цапфа зношується рівномірно, зберігаючи тривалий час циліндричну форму, а вкладиш — незначно. У звернених підшипникових парах антифрикційний матеріал на цапфи наносять наплавленням, металізацією, напрессовкою гільз і т.п.

Заїдання виникає при перегріві підшипника, тому що внаслідок тертя вкладиш і цапфа нагріваються. При сталому режимі роботи температура підшипника не повинна перевищувати значення, що допускається, для даного матеріалу вкладиша і сорту олії. З підвищенням температури знижується в'язкість олії; масляна плівка місцями розривається, утвориться металевий контакт із температурними піками. Відбувається заїдання цапфи в підшипнику і, як наслідок цього, вкладиші виплавляються (див. мал.4) або цілком захоплюються розігрітою цапфою — підшипник виходить з ладу.

Втомне викрашування поверхні вкладишів відбувається рідко і зустрічається при пульсуючих навантаженнях (у поршневих двигунах і т.п.) [2].

РОЗДІЛ 2. ОПОРИ ОСЕЙ ТА ВАЛІВ. ПІДШИПНИКИ КОЧЕННЯ ТА КОВЗАННЯ.

Розділ другий складається з переваг та недоліків підшипників кочення і ковзання. Також розглянемо основні схеми установки вала, розрахунки валів, осей та підшипників та особливості конструювання опор з підшипниками кочення.

2.1. Переваги та недоліки підшипників кочення та ковзання.

Переваги підшипників кочення порівняно з підшипниками ковзання:

  • менші осьові габарити при однаковому навантажені;

  • менше тертя при пуску і помірних частотах обертання;

  • більша надійність при частих змінах навантаження і режимів експлуатації;

  • відносна простота технічного обслуговування;

  • повна взаємозамінність;

  • низька вартість при масовому виготовленні.

До недоліків підшипників кочення відносять:

  • достатньо великі радіальні габарити;

  • більший опір обертанню і нагрівання при високих частотах обертання;

  • велике розсіювання ресурсу;

  • партії однотипних підшипників при однакових умовах експлуатації;

  • змінна жорсткість за кутом повороту, що викликає вібрацію вала та шумність роботи внаслідок циклічного перекочування тіл кочення через зону навантаження опори;

  • менша здатність до демпфірування вібраційних та ударних навантажень;

  • висока вартість підшипників при дрібносерійному виробництві[1].


Підшипник ковзання має ряд переваг, які відрізняють його від підшипника кочення:

  • Роз’ємне виконання. Це величезний плюс для використання в двигуні внутрішнього згоряння. На колінчастий вал неможливо надіти підшипник кочення, і тому застосовують підшипник ковзання;

  • економний варіант для застосування на великих за діаметром валах;

  • здатні працювати у воді;

  • при ремонті не виникає необхідність демонтувати інші деталі;

  • на відміну від кулькопідшипників можуть сприймати великі вібраційні, а також ударні навантаження;

  • розміри підшипників радіального типу порівняно невеликі, є можливість регулювання проміжку між валом і втулкою;

  • прості в тихохідних машинах;

  • надійні в приводах з високою швидкістю;

  • безшумна робота.

Недоліки підшипників ковзання:

  • велике зношування вкладишів і цапф валів через тертя;

  • необхідність постійного догляду і велика витрата дорогих мастильних матеріалів;

  • необхідність його очищення і охолодження;

  • значні втрати на тертя в період пуску і при недосконалому мастилі;

  • значні габарити в осьовому напрямку[10] .


2.2. Основні схеми установки вала.

Відомо три схеми установки вала на підшипниках кочення:

  • вал з фіксацією від осьового переміщення в обох опорах (мал. 6);

  • вал з фіксацією від осьового переміщення в одній опорі (мал. 7);

  • вал без фіксаціі від осьового переміщення в опорах (мал. 8).

Фіксація внутрішніх кілець на валу може, наприклад, здійснюватися: посадкою з натягом внутрішнього кільця (мал. 6, а), додатково до посадки з натягом – торцевою шайбою (мал. 7, а; поз.7), додатково до посадки з натягом – торцевою гайкою (мал. 6, б; поз 6).

Зовнішнє кільце в корпусі встановлюють: без фіксації (мал. 7, а, б – права опора), з однобічною фіксацією (мал. 6, а, б – всі опори), із двобічною фіксацією (мал. 7, а – ліва опора та мал. 8 – всі опори).



мал. 6 Установка вала з фіксацією від осьового переміщення в обох опорах



мал. 7 Установка вала з фіксацією від осьового переміщення в одній опорі



мал. 8 Установка вала без фіксації від осьового переміщення в опорах

Перший спосіб установки вала реалізується за двома схемами – «врозпір» (мал. 6, а) і «врозтяж» (мал. 6, б). Другий спосіб реалізується за схемою вільного осьового переміщення тіл кочення (у роликопідшипників) чи зовнішнього кільця (у шарикопідшипників). З двох схем першого способу установки вала на підшипниках найбільш простою і поширеною є схема «врозпір» (широкі торці зовнішніх кілець ззовні) внаслідок можливості регулювання опор монтажними прокладками і відносної простоти їхньої конструкції.

Недоліками схеми «врозпір» є наступні особливості:

  • Розміри , , , L B a h (мал. 6, а) утворюють розмірний ланцюг. Помилки при виготовленні деталей за цими розмірами призводять до зміни величини зазору а тому допуски на виготовлення деталей цього підшипникового вузла досить жорсткі;

  • вірогідність защемлення вала в опорах внаслідок нагрівання підшипників.

Для усунення цих недоліків при монтажі вузлів між кришкою і корпусом встановлюють монтажні прокладки. Схема «врозпір» частіше застосовується для коротких валів (відношення довжини вала до його діаметра /4 Ld ) при обов'язковій наявності загального осьового зазору а = 0,2...0,5мм.

Основними перевагами схеми «врозтяж» (широкі торці зовнішніх кілець зсередини) є можливість регулювання опор і мала імовірність защемлення вала в опорах внаслідок нагрівання підшипників.

Недоліками схеми «врозтяж» є ускладнення конструкції вузла в порівнянні зі схемою «врозпір» і можливість виникнення додаткових зазорів у підшипниках.

Спосіб установки вала, коли він фіксується від осьового переміщення в одній опорі, застосовують для порівняно довгих валів (L/d < 8…10), а також для валів з підшипниками, що встановлені в окремих корпусах. Тут фіксований на валу і в корпусі підшипник (рис. 7, а) сприймає радіальне й осьове навантаження, а вільно розміщений у корпусі другий підшипник (плаваюча опора) – тільки радіальні навантаження.

Перевагами другого способу установки вала на підшипниках є те, що температурні деформації вала не викликають його защемлення в підшипниках, а помилки виготовлення деталей підшипникових вузлів не впливають на точність їхнього монтажу.

Недоліками є мала радіальна і осьова жорсткість опор вала, а також відносна складність конструкції фіксованої опори. Жорсткість опор і самого вала може бути підвищена при установці у фіксуючій опорі пари підшипників (рис. 7, б). У такій опорі радіальні й осьові зазори підшипників регулюють за допомогою набору монтажних прокладок між корпусом і кришкою.

Спосіб установки вала на двох плаваючих опорах застосовують, коли необхідно, щоб один з валів машини мав при роботі можливість осьового переміщення в обох напрямках. Тут нерідко використовуються циліндричні роликопідшипники без бортів на одному з кілець, переважно на зовнішньому, і рідше – сферичні кулькові підшипники. Для таких опор дуже важливо забезпечити надійну фіксацію і посадку кілець для виключення можливості їхнього провертання в процесі тривалого терміну роботи [5].

2.3. Розрахунки валів та осей, підшипників кочення і ковзання

Розрахунок валів на втомну міцність. Розрахунок валів на втомну міцність є основним і обов'язковим. У ньому враховуються характер зміни напружень, характеристики витривалості матеріалів, фактори концентрації напружень тощо. Розрахунок на втомну міцність виконують у вигляді перевірки коефіцієнтів запасу міцності в певних перерізах валів за умовою

S ≥ [S] = 1,5 ..2,5.

Розрахунковий коефіцієнт запасу міцності визначають за формулою.де коефіцієнти запасу міцності за нормальними Sσ і дотичними Sτ напруженнями відповідно (без урахування поверхневого зміцнення)

Sσ = σ–1 / (Kσ · σа / Kd + ψσ · σm);

Sτ = τ–1 / (Kτ · τа / Kd + ψτ · τm). (10)

Границі витривалості матеріалу валів для необмеженого строку служби можна брати: при симетричному циклі згину σ–1 ≈ 0,45 · σΒ; при симетричному циклі кручення τ–1 ≈ 0,25 · σΒ .

Для вала, зображеного на (мал. 9), а, у перерізі А – А нормальні напруження згину змінюються за симетричним циклом, а нормальні напруження стиску постійні. Тому для цього перерізу маємо амплітуду та середнє значення нормальних напружень:

σa = σ3Γ = Mmax / WoH; σm = σс = Fa / AH.



мал.9 До розрахунку валів на поперечні коливання

Щоб визначити амплітуду та середнє значення дотичних напружень, треба знати дійсний характер зміни крутного моменту Τ у реальних умовах експлуатації машини. У розрахунках беруть зміну дотичних напружень за пульсуючим циклом для валів, що обертаються тільки в один бік, і за симетричним циклом для валів із змінним напрямом передачі навантаження. Відповідно в першому випадку і у другому

  1. τa = τm = 0,5 · τ = T / (2 · WрH),




  1. τa = τ = T / WрH; τm = 0.

У виразах для визначення амплітуд та середніх напружень осьовий WoH і полярний WрH моменти опору перерізу, а також площу АH перерізу треба брати за фактичними розмірами перерізів. Наприклад, якщо у перерізі є шпонковий паз

Woh = π · d43 / 32 – b · t (d4 – t)2 / (2 · d4);

WPH = π · d43 / 16 – b · t (d4 – t)2 / (2 · d4);

AH = π · d42 / 4 – b · t.

Ефективні коефіцієнти концентрації напружень Kσ і Κτ вибирають залежно від механічних характеристик матеріалу вала та форми концентратора напружень у перерізі вала, де визначають коефіцієнт запасу міцності.Концентраторами напружень для валів можуть бути галтелі, кільцеві рівці, поперечні отвори, різьба, шпонкові пази, напресовка на вал інших деталей тощо. Якщо у перерізі вала є кілька концентраторів напружень, то у розрахунках беруть той, для якого Kσ і Κτ більші. Значення Kσ і Κτ для дєяких форм концентраторів напружень наведені у табл. Коефіцієнти, що характеризують чутливість матеріалу вала до асиметрії циклу напружень, можна брати для сталевих валів:

ψσ = 0,02 + 2 · 10–4 · σΒ; ψτ = 0,5 · ψσ.

Розрахунок валів для запобігання поперечним коливанням. Більшість швидкохідних валів знаходяться під дією змінних за модулем або напрямом сил, перпендикулярних до осі обертання, наприклад сил, спричинених дисбалансом встановлених на них деталей. Частота таких збурюючих сил переважно дорівнює частоті обертання вала. Якщо частота збурюючих сил стає рівною частоті власних коливань вала, то настає явище резонансу, коли амплітуда коливань різко зростає і може досягнути такого значення, при якому відбудеться руйнування вала. Кутова швидкість вала, що відповідає резонансним коливанням, називається критичною кутовою швидкістю ωкр. Розрізняють згинальні та крутильні коливання валів. Крутильні коливання маютьсуттєве значення під час розрахунків валів із великими приєднаними до них масами, наприклад роторів потужних турбін. Розрахунок валів для запобігання поперечним коливанням полягає у перевірці умови відсутності резонансу під час усталеного режиму роботи. Відповідно до цієї умови фактична кутова швидкість обертання не повинна знаходитись у межах від

0,7 · ωκρ до 1,3 · ωкр,

тобто 0,7 · ωκρ > ω > 1,3 · ωкр.

Критичну кутову швидкість вала визначимо на основі таких міркувань. Припустимо, що на валу симетрично щодо опор розміщений диск масою m, центр ваги якого зміщений відносно геометричної осі обертання на величину е (мал.1 а). Під час обертання вала під дією відцентрової сили Fv на диск відбувається його поперечний згин. При кутовій швидкості ω прогин вала буде у (мал.1, б), а відцентрова сила

Fv = m · ω2 · (у + е).

Відцентрову силу Fv зрівноважує сила поперечної пружності вала

Fnp = k · y,

де k – згинальна жорсткість вала (сила, що спричинює прогин вала на 1 мм).З усталеним режимом обертання вала зберігається умова Fv = Fnp, тобто

m · ω2 · (y + e) = k · y,

звідки можемо дістати вираз для прогину вала:

у = m · ω2 · e / (k – m · ω2).

З аналізу виразу випливає, що при k = m · ω2 прогин у = ∞, тобто наступає резонанс. Резонансна, або критична, кутова швидкість вала. Формулу можна подати і в іншому вигляді. Якщо взяти m = G / g, де G – власна вага диска, g – прискорення вільного падіння, a G / k = yст – статичний прогин вала під дією власної ваги диска, то. Для схеми на(мал.9),б згинальна жорсткість вала може бути визначена, якщо записати прогин вала у вигляді

у = Fv · l3 / (48 · E · I) = k · y · l3 / (48 · E · I).

Звідси маємо k = 48 · E · I / l3.

Отже, маючи критичну кутову швидкість ωκρ вала заданих розмірів, за умовою можна перевірити відсутність резонансу при усталеному режимі обертання з кутовою швидкістю ω. Aналіз формули показує, що при ω < ωκρ (дорезонансний режим обертання вала) знаки е та у однакові, що відповідає обертанню вала за схемою, (мал.1,б). Якщо ω > ωκρ (зарезонансний режим обертання вала), знаки при е та у протилежні. В цьому випадку при ω → ∞ y → – е, тобто центр ваги (ц. в.) диска наближається до геометричної осі обертання вала (мал.1,в). Таке явище називають самоцентруванням вала в закритичній області кутових швидкостей. Більшість валів працює в докритичній області. Щоб зменшити небезпеку резонансу, треба підвищити згинальну жорсткість валів і тим самим збільшити критичну кутову швидкість. При високих швидкостях обертання, наприклад у швидкохідних центрифугах та турбінах, застосовують вали, що працюють у закритичній області. В таких випадках слід передбачати додаткові спеціальні пристрої, що зменшують прогини валів під час переходу через резонансну [11].

Розрахунки підшипників ковзання

Умовні розрахунки підшипників ковзання. Ці розрахунки виконують, якщо режим рідинного тертя не може бути забезпеченим. Вони у наближеній формі передбачають запобігання інтенсивному спрацюванню, перегріванню та заїданню у підшипниках. Суть умовних роз­рахунків полягає у обмеженні тиску ρ у підшипнику та у обмеженні параметра pvS. Відповідно розрахункові умови записують у такому вигляді:

p = F/(dl) ≤ [p];

pvS ≤ [p·vS.],

де F – радіальне навантаження на підшипник; d – діаметр цапфи; l – довжина підшипника; vS = 0,5ωd – швидкість ковзання або колова швидкість цапфи. При високих швидкостях ковзання і невеликих тисках надійність підшипників ковзання зменшується через підвищення температури. В цьому разі обмежують також швидкість ковзання за умовою vS ≤ [vS]. Допустимі значення тиску [р], швидкості ковзання [vS] та параметра [pvS] визначені з досвіду експлуатації підшипників ковзання з різними матеріалами вкладишів . Розрахунок радіальних підшипників рідинного тертя. Розрахунок радіальних підшипників рідинного тертя базується на тому, що шар мастила між цапфою та вкладишем повинен сприймати все радіальне навантаження F, а його розрахункова товщина h повинна бути більшою від критичної товщини hкр за виразом (2). Тому запишемо розрахункову умову

Sh = h / hKP > [S]h.

де Sh – коефіцієнт запасу надійності підшипника за товщиною мастильного шару, [S]h = 1,5...2 – його допустиме значення. Критичне значення товщини шару мастила hKP беруть із розрахунку, що висота нерівностей поверхні цапфи повинна бути Rz1 ≤ 3,2 мкм, а висота нерівностей робочої поверхні вкладиша – Rz2 ≤ 6,3 мкм. Розрахункову товщину h шару мастила в підшипнику (рис. 33,3,в) визначають за формулою

h = δ – е = δ (1– χ),

де χ = е/δ – відносний ексцентриситет, який визначає положення цапфи у підшипнику при режимі рідинного тертя. Цей параметр виби­рають за графіками залежно від коефіцієнта навантаженості підшипника Φ та відношення l/d. Коефіцієнт навантаженості підшипника – це параметр, який характеризує несучу здатність підшипника ковзання при певних співвідношеннях його розмірів, кутовій швидкості вала та в'язкості мастила. Його визначають за формулою

Ф = F · ψ2/(μ·ω·l·d) = p·ψ2/(μ·ω).

Таким чином, розрахунок підшипників ковзання рідинного тертя зводиться до визначення за формулою коефіцієнта навантаженості Φ підшипника, за яким по графіках вибирають відносний ексцентриситет χ. Маючи відносний ексцентриситет та радіальний зазор δ у підшипнику, за формулою (6) обчислюють товщину h шару мастила у навантаженій зоні підшипника, яку порівнюють із критичною товщиною hKP відповідно до умови . Потрібний радіальний зазор δ забезпечується вибором відповідної стандартної посадки цапфи вала у вкладиші. Особливості конструкцій та розрахунку упорних підшипників ковзання. У машинобудуванні упорні підшипники ковзання застосовують, якщо втрати на тертя не мають суттєвого значення, наприклад у механізмах, що працюють із тривалими перервами, при низьких швидкостях ковзання тощо. Найпростішими за конструкцією є упорні підшипники з плоскими робочими поверхнями. На (мал.2), зображені упорні підшипники, які відрізняються між собою конструкцією опорної частини – п'яти. Суцільна п'ята (мал.10,а) використовується рідко через нерівномірний розподіл тиску по робочих поверхнях.



Мал. 10 До розрахунку упорних підшипників ковзання

У центрі п'яти, де швидкість ковзання мала, спрацювання менше, ніж на периферійних ділянках. Тому тиск у центрі п'яти теоретично досить високий. Щоб вирівняти тиск, слід застосовувати кільцеві п'яти (б, в), у яких d0 = (0,6...0,7)d. У деяких випадках для зменшення питомого навантаження використовують гребінчасті п'яти із відповідними підп'ятниками, що мають роз'єм у осьовій площині. Для гребінчастих п'ят беруть d0 = (0,7...0,8) d. У конструкціях упорних підшипників ковзання не завжди можна забезпечити режим рідинного тертя (малі швидкості, часті пуски та зупинки, нерівномірний розподіл швидкостей ковзання та ін.). Лише з високими кутовими швидкостями валів і відповідними конструкціями п'ят можна забезпечити рідинне тертя. Тому для упорних підшипників ковзання обмежуються розрахунком на стійкість проти спрацювання та заїдання за тиском p і параметром pvS. Для плоскої кільцевої п'яти (мал.10,б, в), а також суцільної п'яти (мал.10,а) при d0 = 0 маємо такі розрахункові умови:

p = 4Fa/[π· (d2–d02)] ≤ [p]; p·vS ≤ [p·vS],

де Fa – осьове навантаження на підшипник; vs= 0,5ωdm – швидкість ковзання по середньому діаметру п'яти dm = 0,5(d + d0) вала, що обертається з кутовою швидкістю ω. Для розрахунку гребінчастої п'яти використовуються умови (8), але при визначенні p треба враховувати число опорних повер­хонь z (z = 2 на мал.г) та нерівномірність розподілу навантаження по окремих поверхнях. Допустимі значення тиску [р] та параметра [pvS] беруть такими самими, як і для радіальних підшипників ковзання. У центрі п'яти, де швидкість ковзання мала, спрацювання менше, ніж на периферійних ділянках. Тому тиск у центрі п'яти теоретично досить високий. Щоб вирівняти тиск, слід застосовувати кільцеві п'яти (б, в), у яких d0 = (0,6...0,7)d. У деяких випадках для зменшення питомого навантаження використовують гребінчасті п'яти із відповідними підп'ятниками, що мають роз'єм у осьовій площині. Для гребінчастих п'ят беруть d0 = (0,7...0,8) d. У конструкціях упорних підшипників ковзання не завжди можна забезпечити режим рідинного тертя (малі швидкості, часті пуски та зупинки, нерівномірний розподіл швидкостей ковзання та ін.). Лише з високими кутовими швидкостями валів і відповідними конструкціями п'ят можна забезпечити рідинне тертя. Тому для упорних підшипників ковзання обмежуються розрахунком на стійкість проти спрацювання та заїдання за тиском p і параметром pvS. Для плоскої кільцевої п'яти (мал.10,б, в), а також суцільної п'яти (мал.10,а) при d0 = 0 маємо такі розрахункові умови:

p = 4Fa/[π· (d2–d02)] ≤ [p]; p·vS ≤ [p·vS],

де Fa – осьове навантаження на підшипник; vs= 0,5ωdm – швидкість ковзання по середньому діаметру п'яти dm = 0,5(d + d0) вала, що обертається з кутовою швидкістю ω. Для розрахунку гребінчастої п'яти використовуються умови (8), але при визначенні p треба враховувати число опорних повер­хонь z (z = 2 на мал.г) та нерівномірність розподілу навантаження по окремих поверхнях [12].

2.4 Особливості конструювання опор з підшипниками кочення

У процесі конструювання опор необхідно правильно вибрати способи встановлення підшипників, посадки та кріплення(фіксації) їх на валу і в корпусі, спосіб їх мащення таконструкцію ущільнювальних пристроїв.Можливі схеми установки підшипників наводяться в підручниках. Наприклад, при використанні радіальних шарикопідшипників найчастіше вибирають схему з однією фіксованою опорою, а іншою – „плаваючою”. У фіксованій опорі внутрішнє кільце фіксують на валу, а зовнішнє – у корпусі. Для „плаваючої” опори – внутрішнє кільце закріплюють на валу, а зовнішнє має можливість виконувати осьове переміщення. Гарантований зазор між зовнішнім кільцем підшипника і кришкою підшипника (рис. 13.1) Δ = 0,2 – 1,0 мм і забезпечується стальними прокладками. Такий зазор потрібний для компенсації неточностей виготовлення, монтажу та температурних деформацій. Змащення підшипників кочення виконується для відведення тепла й зменшення тертя, демпфірування коливань навантаження, попередження корозії контактуючих поверхонь. Крім того, змащення важливе для підвищення герметизації підшипників, а також для зменшення шуму. Для змащування підшипників кочення застосовують рідкі, пластичні й тверді мастильні матеріали. При виборі мастильного матеріалу необхідно враховувати розміри підшипника й частоту його обертання, величину навантаження, робочу температуру, стан навколишнього середовища. Способи мащення підшипників рідкими маслами:

1) занурення підшипника в масляну ванну (рівень масла не

повинен перевищувати центра нижнього тіла кочення);

2) розбризкування одним із швидкообертових коліс або

кілець із загальної масляної ванни вузла;

3) краплинне мащення;

4) мащення під дією відцентрових сил.

Ущільнення підшипникових вузлів запобігають їх забрудненню та витіканню масла. Основні вимоги до ущільнень: герметичність; мале тертя; високі довговічність і надійність. Існують контактні та безконтактні способи ущільнювання. До контактних належать ущільнення за допомогою повстяних або фетрових кілець при V = 5 м/с і манжет при V < 10 м/с. До безконтактних ущільнень належать щільові, лабіринтні, відцентрові та комбіновані. Підшипники монтують або в нагрітому стані (нагрівають у масляній ванні до температури 80 –100 ºС), або за допомогою пресів (гідравлічних, гвинтових), або легкими ударами через мідний (алюмінієвий) вибивач. Демонтують підшипники за допомогою спеціальних знімачів. Загальне правило монтажу та демонтажу підшипників – не можна передавати силу через тіла кочення [13].

ВИСНОВОК

Вал призначений для підтримки сидячих на ньому деталей і для передачі обертаючого моменту. При роботі вал випробує вигин і крутіння, а в окремих випадках додатково розтягання і стиск.

Вісь — деталь, призначена тільки для підтримки сидячих на ній деталей. На відміну від вала вісь не передає обертаючого моменту і, отже, не випробує крутіння. Осі можуть бути нерухомими або обертатися разом з насадженими на них деталями.

По геометричній формі вали поділяються на: прямі, колінчаті і гнучкі.

Вали призначені для закріплення на них деталей (зубчастих коліс, черв’яків, зірочок, і т.д.) і передачі обертаючих моментів.

Осі призначені тільки для підтримки обертових деталей механізмів і на відміну від валів залишаються поза передачею обертаючих моментів.

Підшипник – це технічний пристрій, який є частиною опори, що підтримує вал, вісь або іншу конструкцію, фіксує положення в просторі, забезпечую обертання, коливання або лінійне переміщення з найменшим опором, сприймає та передає навантаження на інші частини констпукції.

Основні типи підшипників, які застосовуються в машинобудівництві – підшипники кочення та ковзання

Підшипник кочення - це елементи опор осей, валів та інших деталей, що працюють на використанні принципу тертя кочення.

Підшипники ковзання - це елементи опор валів і осей, поверхня цапфи яких взаємодіє через шар мастила з охоплюючою нерухомою поверхнею підшипника.

Головні критерії працездатності підшипників кочення:

  1. циклічна міцність або контактна витривалість;

  2. статична міцність, коли підшипник обертається із частотою n < 1 об/хв;

  3. зносостійкість, яка забезпечується відповідним матеріалом і твердістю поверхонь, а також удосконаленням конструкції ущільнень і мастил.

Способи мащення підшипників рідкими маслами:

1) занурення підшипника в масляну ванну (рівень масла не

повинен перевищувати центра нижнього тіла кочення);

2) розбризкування одним із швидкообертових коліс або

кілець із загальної масляної ванни вузла;

3) краплинне мащення;

4) мащення під дією відцентрових сил.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

  1. Реферати та учбові матеріали на um.co.ua

  2. Реферати українською мовою; стаття Вали і осі, їх опори

  3. Довідник підшипників

  4. Освітній проект "На урок" для вчителів, Загальні відомості про підшипники

  5. А.В.Гайдамака Підшипники кочення, 2009, с. 9-11

  6. Підручники для студентів онлайн, Прикладна механіка, Вали і осі

  7. Агроосвіта, Технічна механіка, Підшипники

  8. Конструкції та матеріали підшипників ковзання

  9. Класифікація, матеріали деталей і точність підшипників кочення

  10. Підшипники ковзання і кочення: основні типи підшипників та їх порівняння

  11. Файловий архів студентів, Розрахунок валів на жорсткість

  12. Файловий архів студентів, Розрахунки підшипників ковзання

  13. Конспект лекцій Деталі машин і основи конструювання с. 97, 107

скачати

© Усі права захищені
написати до нас