При проектировании опор осей и валов перед конструктором возникает, прежде всего, вопрос о том, что в данном конкретном случае предпочтительнее - подшипник качения или подшипник скольжения. Существенную роль при этом играют экономические соображения, условия монтажа и требования взаимозаменяемости. Все эти факторы связаны с организацией производства подшипников.
Площадь контакта между роликом и конусом также разделяется пленкой смазки. Хотя контактные напряжения на стыке между конусом и роликом намного ниже, чем те, которые встречаются на дорожках подшипников, имеются приложения, в которых смазочная пленка при контакте между конусом и Ролик может быть недостаточным, чтобы избежать контакта между шероховатостью. Это может быть связано со скоростью, вязкостью масла, нагрузкой или ненадлежащей смазкой между конусом и роликом. Поэтому при оценке смазки и смазочной системы ее следует принимать во внимание при наличии тяжелых нагрузок, высоких температур, низких и высоких скоростей, быстрого ускорения и т.д.
С развитием машиностроения было организовано централизованное массовое изготовление подшипников качения, начиная от самых маленьких для часов и приборов и кончая крупногабаритными для кранов большой грузоподъемности, обжиговых печей, конвертеров, тяжелых прокатных станов и пр. Для каждого подшипника качения установлены определенные технические показатели - работоспособность, предельная частота вращения и максимальная статическая нагрузка, которые указываются в каталогах. При проектировании опорных узлов трения машин инженеру не приходится рассчитывать подшипник качения, поскольку достаточно лишь выбрать соответствующий типоразмер из каталога. Стандартизация и массовое производство подшипников качения обусловили их взаимозаменяемость, относительно низкую стоимость и, как следствие,- широкое применение в различных областях машиностроения.
Когда ожидаются серьезные эксплуатационные условия, использование смазки с добавкой с экстремальным давлением может помочь предотвратить повреждение трения в зоне контакта между конусом и роликом. Выбор смазки обычно основывался на опыте и знаниях. В настоящее время этот режим выбора не является жизнеспособным из-за текущих требований в различных средах, которые работают быстрее, жарче и дольше. Сегодняшние смазочные материалы должны соответствовать экстремальным требованиям, характерным для каждого конкретного оборудования.
Трибология - исследование трения, смазки и износа - стала основой для выбора смазочных материалов. Требования к смазке для данного применения могут быть идентифицированы, если мы рассмотрим влияние параметров трибологической системы на химию смазочных материалов. Минимальная вязкость, разрешенная для смазки подшипника при рабочей температуре.
Широкое применение подшипников качения позволило заменить трение скольжения трением качения.
При этом коэффициент трения снизился до 0,0015-0,006. Производство подшипников качения ведущими промышленными странами исчисляется сотнями миллионов штук в год. Отечественной промышленностью изготовляются подшипники наружным диаметром от 1,5 до 2600 мм, а массой от 0,5 г до 3,5 т. К недостаткам подшипников качения можно отнести ограниченную способность воспринимать ударные нагрузки вследствие большой жесткости конструкции. При очень больших частотах вращения в этих подшипниках возникают значительные динамические нагрузки (центробежные отоскопические моменты и т. п.).
Перед тем, как выбрать подходящую смазку, необходимо определить трибологическую систему. Эта система включает в себя тип движения, скорость, температуру, нагрузку и рабочую среду. После определения этих параметров инженер по смазке может использовать различные химикаты для смазки для выбора продукта, который будет оптимизировать производительность в указанном приложении. Поскольку каждая химия имеет свои преимущества и недостатки, важно выбрать наиболее подходящий для соответствия параметрам трибологической системы.
Кроме того, инженер по смазке должен проанализировать приложение на основе идентифицированной трибологической системы. Анализ включает в себя такие элементы, как коэффициенты скорости, элегастрогидродинамическую смазку, расчет срока службы подшипников, смазку под высоким давлением, аварийную смазку и различные требования к специальному оборудованию.
По форме тел качения подшипники качения разделяются на:
шариковые,
роликовые (цилиндрические, конические, витые, игольчатые и т. д.).
По направлению воспринимаемой нагрузки разделяют на:
радиальные,
упорные,
радиально-упорные.
По нагрузочной способности (или по габаритам) подшипники качения разделяют на три основные серии:
Первый параметр трибологической системы связан с типом движения. В некоторых конических роликовых подшипниках комбинация прокатки и скольжения может быть представлена в виде формы движения. Скольжение может происходить в области корпуса, а роликовый подшипник - на поверхности дорожки. Защита смазочных материалов для этих типов движений может быть оптимизирована с помощью специальных химикатов. Некоторые химикаты могут быть эффективными в скользящих контактах, но не работают также в подвижных контактах.
Скорость - это второй параметр трибологической системы. Скорость катящихся элементов подшипника можно разделить на следующие диапазоны: высокие, средние и низкие. Конкретные диапазоны для каждой категории скорости могут быть определены с использованием коэффициента скорости, определенного в уравнении 1.
легкую,
среднюю,
тяжелую.
По классам точности разделяют на:
нормального класса Н,
повышенного П,
высокого В,
особо высокого А,
сверхвысокого С.
От точности изготовления в значительной степени зависит работоспособность подшипника, однако следует помнить, что одновременно возрастает его стоимость.
Согласно этой кривой оптимальная скорость для смазанного контакта. Зная скорость контакта, вы можете выбрать смазку с оптимальными физическими характеристиками, чтобы свести к минимуму трение. Третий трибологический параметр - температура. Все смазочные материалы имеют определенный температурный диапазон для оптимальной производительности. Многие смазочные материалы имеют широкий диапазон рабочих температур; однако некоторые из них более подходят для низких температур. Знание температуры трибологической системы позволяет инженеру выбирать смазку, которая может обеспечить оптимальную производительность и срок службы при рабочей температуре.
Смазочный материал оказывает существенное влияние на долговечность подшипников. Он уменьшает трение, снижает контактные напряжения, защищает от коррозии, способствует охлаждению подшипника.
Жидкий смазочный материал
в подшипнике более эффективен в смысле уменьшения потерь на трение и охлаждения. Необходимое количество жидкого смазочного материала для подшипников качения очень небольшое (табл. 1
). Следует отметить, что излишнее количество смазочного материала в подшипнике только ухудшает его работу. Это, например, можно пронаблюдать на таком простом примере: если подшипник смазать маслом, то последнее будет препятствовать свободному вращению тел качения в сепараторе и в целом в подшипнике. При этом увеличиваются не только потери на трение, но при работе такого подшипника увеличивается и нагрев подшипника.
Нагрузка, четвертый параметр, является важным фактором, который влияет на требования к смазке. Легкая нагрузка может указывать на то, что приложение чувствительно к крутящему моменту трения, и, следовательно, смазка должна быть выбрана для минимизации трения флюида и в то же время обеспечить достаточную защиту, чтобы избежать трения, вызванного контактом металл-металл. С другой стороны, применение с высокой нагрузкой может потребовать специальных добавок для защиты от точечной коррозии, царапин и экстремального давления.
Последним параметром трибологической системы является операционная среда оборудования. Если окружающая среда включает влагу или воду, смазка должна обладать хорошими антикоррозионными свойствами, а также стойкостью к стирке или загрязнению водой. Если оборудование работает в полном или частичном вакууме, атмосферное давление оборудования должно находиться в пределах рабочих пределов смазки и выше давления пара при рабочей температуре.
При выборе смазочного материала для подшипника (жидкого или пластичного) следует учитывать, что пластичная смазка сильно повышает момент трения, который существенно увеличивается при понижении температуры. В тех случаях, когда частота вращения подшипника не превышает нескольких сотен мин-1, подшипник необходимо смазывать жидким смазочным материалом (маслом). При скорости, превышающей эту величину, лучше использовать для смазывания высоковязкое масло или, как заменитель, пластичный смазочный материал.
Если оборудование находится в окружающей среде в присутствии паров или химических жидкостей, выбранная смазка должна быть устойчивой к химическим продуктам. Даже в идеальной среде, такой как компьютерный зал или чистая технологическая комната, могут быть особые требования к смазочным материалам, которые уменьшают шум в элементах качения или в подшипниках инструментов.
Теории трибологического анализа. Пять параметров трибологической системы должны быть приняты во внимание и проанализированы, чтобы выбрать наилучшую смазку для оборудования. Однако информация, полученная путем определения параметров трибологической системы, также предоставляет данные для более глубоких аналитических методов.
Таблица 1 . Одноразовое количество смазочного материала (Км), необходимое на заполнение корпуса подшипника и для периодического добавления.
|
d, мм Очень важный тип анализа включает в себя теорию смазки катящихся элементов подшипника. Каждая из переменных в уравнении 2 влияет на оценку толщины пленки. Большинство из этих переменных находятся под контролем проектировщика оборудования, а другие - под управлением инженера по смазке. Один из самых больших интересов инженеров по смазке - это увидеть, как изменение определенной переменной может повлиять на величину толщины пленки. Другой переменной, относящейся к смазке в уравнении 2, является динамическая вязкость η. Динамическая вязкость может быть непосредственно связана с кинематической вязкостью, и если ее умножить на две, она может увеличить толщину пленки на 62 процента. Кроме того, путем умножения скорости прокатки на два, толщина пленки может быть снова увеличена на 62 процента. Инженер по смазке не контролирует скорость оборудования, но знает важность влияния скорости на толщину пленки при выборе смазки, когда оборудование имеет возможность работать с переменной скоростью. Дополнительные переменные оказывают меньшее влияние на толщину пленки смазки. |
К м, г при использовании подшипников серии |
Единовременный расход смазочного материала для периодического добавления |
|||||||||||||||
|
Для мелких прижимных фланцев Толщина пленки и момент трения для базового масла и пяти жиров. Функция скорости подшипника. Из уравнения 3 видно, что если удельная толщина пленки близка к 0, произойдет резкое увеличение контакта металл-металл в точке трения. Это увеличение контакта металл-металл приведет к неприемлемому износу. Именно в этот момент происходит переход от граничной пленки к смешанной пленке. Поскольку удельная толщина пленки увеличивается выше 1 до достижения значений 3, произойдет уменьшение контакта металл-металл с последующим уменьшением износа. Когда λ = 3 или 4 или выше, происходит полное разделение поверхностей, что указывает на смазку толстой пленки без износа. |
Для глубоких прижимных фланцев |
Для крышек с уплотняющим войлоком |
Для разъемных фланцев корпуса |
||||||||||||||
|
1090 Лямбда-значения, превышающие 4, возможны и в некоторых случаях желательны, особенно там, где присутствуют изменения скорости и ударных нагрузок. Однако, если λ увеличивается выше 4, внутреннее трение жидкости будет увеличиваться и вырабатывать избыточное тепло и высокое потребление энергии в зависимости от относительной скорости подшипника и вязкости масла. Например, вводя нижнюю часть графика со средним диаметром подшипника, мы поднимаемся вертикально, пока не найдем скорость подшипника. Рисуя линию слева, мы находим вязкость, необходимую для получения λ = 1 в этом конкретном приложении при определенной рабочей температуре. |
1660 |
||||||||||||||||
|
1210 Если это невозможно, следующая следующая опция - выбрать смазку, обеспечивающую наилучшую защиту оборудования. Если оборудование должно эксплуатироваться в режиме предельной смазки, следует использовать добавки, которые обеспечивают адекватную защиту в точках контакта металла. Если инженер по смазке использует удельную вязкость как часть критериев отбора, следует учитывать допущения, используемые в анализе, а также контролируемые переменные. Следует учитывать два конкретных момента. Масло считается единственным компонентом, который смазывается смазкой. В смазке считается, что загуститель не способствует толщине смазочной пленки. Однако загуститель может оказать значительное влияние на толщину пленки. |
1895 |
||||||||||||||||
|
1410 На рисунке 4 показаны документированные исследования, показывающие влияние загустителя жира на текущую толщину пленки. Верхняя часть показывает, что смазка, утолщенная глиной, уменьшит толщину пленки до почти 50 процентов толщины пленки, поставляемой только базой смазки. Жир, утолщенный сложным бариевым мылом, имеет противоположный эффект увеличения толщины пленки в два раза больше, чем базовые смазки. Однако, как показано в нижней части рисунка 4, преимущество увеличения несущей способности связано с недостатком момента трения. В то время как смазка, утолщенная глиной, уменьшает толщину пленки, она имеет преимущество в уменьшении момента трения в подшипнике. Противоположный эффект наблюдается в жире, утолщенном сложным окрестным мылом. |
2050 |
||||||||||||||||
|
1000 Коэффициент скорости и конструкция подшипника. Скорость - еще один параметр трибологической системы, требующий детального анализа. Расчет коэффициента скорости для подшипника, который определяется как произведение скорости подшипника, умноженного на средний диаметр, не является согласованным для всех подшипников с одинаковыми размерами и скоростью. Инженер по смазке должен применить некоторые поправки к расчетному коэффициенту скорости, который будет зависеть от типа подшипника. Критерии выбора смазки. Анализ трибологической системы для определенного оборудования необходим для выбора подходящей смазки. Диапазон рабочих температур. Коэффициент скорости Гидродинамическая смазка Эластогидродинамическая смазка Экстремальное давление Аварийная смазка Трение. |
1395 |
1170 |
1910 |
2790 |
|||||||||||||
|
1225 |
1120 |
1720 |
1370 |
2230 |
3430 |
11,2 |
11,2 |
||||||||||
|
1480 |
1290 |
2070 |
1470 |
2580 |
4150 |
13,3 |
13,0 |
||||||||||
|
1100 |
1055 |
1650 |
1475 |
2350 |
1800 |
2960 |
4630 |
14,8 |
15,0 |
||||||||
Примечание: d-внутренний диаметр.
Допускаемые скорости подшипников качения при использовании пластичной смазки определяют из соотношения внутреннего диаметра d, мм и частоты вращения ω, мин -1 . Практически же окружная скорость вращения не должна превышать 4-5 м/с. Однако для этой цели существуют определенные формулы.
Подшипниковые узлы необходимо тщательно защищать от попадания пыли, грязи и воды. В противном случае долговечность подшипников резко снижается. Для защиты подшипников разработаны и успешно эксплуатируются специальные уплотнения. В связи с этим следует помнить некоторые рекомендации по ходовым зазорам в лабиринтных и других уплотнениях вала. Они изменяются в зависимости от конструкции и во многом зависят от механической точности, вибрационного перемещения вала в подшипнике и они необходимы во избежание фрикционного контакта на высокой скорости. Для неответственных конструкций подшипниковых опор размер этих зазоров колеблется в пределах от 0,076 до 0,127 мм на радиус и почти столько же в осевом направлении.
При назначении жидкого (подшипников качения) следует иметь в виду, что они весьма чувствительны к количеству подаваемого в них масла и периодичности его подачи в подшипники. Так, для очень низких скоростей при d*ω= 10000 и температуре не выше 50 °С достаточно одной-двух капель масла для нескольких тысяч часов работы подшипника.
Если же требуется достичь минимального значения момента трения (при том же произведении d*ω= 10000), следует использовать масло с меньшей вязкостью, чем это было до этого
Масла для подшипников качения (и скольжения тоже), заключенных в общий картер с зубчатыми передачами (редукторы), подбираются в первую очередь исходя из требований по смазыванию зубчатых передач, однако и с учетом эффективности смазывания подшипников.
Смазывание погружением можно успешно применять до значения d*ω = 100000 (при условии соблюдения необходимого низкого уровня масла в ванне с жидким смазочным материалом) При применении смазывания погружением важно поддерживать в процессе эксплуатации правильный уровень масла в ванне подшипника. Этот уровень должен находиться между 1 /3 и 1/2 высоты нижнего шарика или ролика подшипника, поскольку даже небольшое повышение уровня масла в ванне приводит к повышению коэффициента трения и температуры подшипника. Об этом свидетельствует следующее экспериментальное исследование. Повышение уровня масла в ванне подшипника от центра нижнего шарика до его верхней точки вызывает сильный нагрев подшипника (эквивалентный повышению частоты вращения подшипника в 2-2,5 раза или увеличению радиальной нагрузки от 2 до 6 раз, а иногда и более. При d*ω ≤ 200000 рекомендуется капельное смазывание, при котором к поверхностям трения жидкий смазочный материал подводится в виде капель.
При d*ω ≈ 600000 и когда температура может достигать 150 ˚С многие пластичные смазки оказываются недостаточно работоспособными, а иные могут оставаться годными к работе не более нескольких сотен часов. В связи с этим при высоких скоростях необходимо в зону трения подавать только чистое смазочное масло, питая подшипники методом капельного смазывания или смазывания под давлением, при котором смазочный материал подводится к поверхностям трения под давлением. При необходимости может быть использовано смазывание масляным туманом, при котором смазочный материал подводится к поверхностям трения в виде легкого или густого тумана, обычно образуемого путем введения смазочного материала в струю воздуха или газа. Кроме того, следует предупреждать возникновения разности воздушного давления (в корпусе подшипника и за его пределами), для чего могут потребоваться специальные уплотнения. Следует применять только определенные уплотнения, которые обеспечивают надежную работу подшипников, в частности лабиринтные уплотнения. Необходимо также использовать корпуса подшипников с минимальным воздушным пространством.
Капельное смазывание является наилучшим методом смазывания для подшипниковых опор металлургического оборудования.
Оно обеспечивает довольно устойчивое охлаждение и исключает турбулентное сопротивление подшипника, как весьма ответственного узла оборудования отрасли. Однако если по каким-либо причинам (например, по условиям конструкции) нельзя применить капельное смазывание или смазывание под давлением или смазывание масляным туманом, используют фитильное смазывание, при котором жидкий смазочный материал подводится к поверхности прения с помощью фитиля. При этом масло всасывается через подшипник при помощи маслоотражателей и насосных устройств с целью преодоления сопротивления вращению подшипника.
Часто используют метод фитильного смазывания.
При этом фитили должны иметь определенные размеры, особенно в поперечном сечении. Они всегда должны быть погруженными в масло. Их следует использовать парами и располагать как можно ближе к подшипнику. Если большая площадь фитилей хорошо окружает вал, то они способны вновь поглощать масло, которое при работе отбрасывается от вала. Вязкость смазочного масла должна быть такой, чтобы его можно было подавать к фитилям при низких температурах при давлении ниже атмосферного и пониженных скоростях. При этом маслоотражатели должны пропускать через подшипник масляный туман, а маслосборники должны тщательно охлаждаться.
При больших нагрузках и высоких скоростях (d*ω > 600000) рекомендуют осуществлять капельное смазывание подшипников . Если же имеется источник сухого и чистого воздуха, а некоторая потеря смазочного масла не имеет существенного значения, тогда нужно использовать смазывание подшипников масляным туманом. При этом в линии подачи воздуха в таких системах устанавливают воздухоотделитель и фильтр, для чего необходимо тщательно охлаждать маслосборник, чтобы маслоотражатели легко.
Подшипники в редукторах смазывают тем же маслом, что и детали передач. При картерной смазке колес подшипники качения смазываются брызгами масла. При окружной скорости вращения колес более 1 м/с брызгами масла покрываются все детали передач и внутренние поверхности стенок корпуса. Стекающее масло попадает в подшипники. Если доступ масла к подшипникам из картера затруднен или его вообще нет, как, например, для валов открытых передач, то подшипники смазывают пластичной смазкой. В настоящее время из пластичных смазок наибольшее распространение получили литиевые смазки:
ЦИАТИМ-201 используется в подшипниках с двумя защитными шайбами в случае небольших нагрузок;
ЦИАТИМ-202 используется в подшипниках опор, работающих с повышенными окружными скоростями;
ЦИАТИМ-203 употребляется при низких температурах, например, в оборудовании, работающем на открытом воздухе.
Для защиты подшипникового узла от пыли и влаги извне, а также для предохранения от вытекания смазки из узла применяют уплотнения. В машиностроении наибольшее распространение получили контактные уплотнения:
Уплотнение с войлочными (фетровыми) кольцами применяют только при консистентной смазке. Эти уплотнения предназначены для подшипников, работающих в условиях малой загрязненности и при окружной скорости вала до 5 м/с. В настоящее время их применение очень ограничено;
Манжетные армированные контактные уплотнения (рис. 83). Эти манжеты изготовлены из специальной синтетической маслостойкой резины (севатина). Они обладают относительно малым коэффициентом трения, создают хорошую герметичность. Применяются при жидкой и консистентной смазке. Вал под манжету должен иметь твердость не ниже 50 HRC. Допускаемая окружная скорость до 10 м/с, а при полировке вала – до 15 м/с.
|
Обозначение манжеты: манжета 1-1-608510-1, ГОСТ 8752-79. |
Размеры в мм
Рис. 83. Манжеты резиновые армированные с пружиной типа I, исполнение I по ГОСТ 8752-79: 1 – манжета однокромочная, резина; 2 – каркас, сталь 08; 3 – пружина сталь 65Г; d 1 = d + 1 мм; d 2 =3…4 мм; h =B-3мм (отверстие для демонтажа)
Как указывалось, при окружной скорости зубчатых колес менее 1-3 м/с надежная смазка подшипниковых узлов не обеспечивается. Обычно в этом случае применяется консистентная смазка. Для предотвращения вымывания консистентной смазки жидким маслом, служащим для смазки зацепления, полость подшипника должна быть изолирована от внутренней части корпуса редуктора. Для этого применяют мазе удерживающие кольца (рис. 84), а смазку в полость подшипника набивают через пресс-масленку (рис.85).
|
|
