29.6. Расчет эквивалентной нагрузки при переменных режимах работы

Рис. 29.17. Циклограмма нагружения подшипника

В общем случае подшипники качения реальных узлов могут рабо­тать при различных по величине нагрузках и соответствующих им частотах вращения. Для расчета ресурса подшипников при переменном режиме работы применяют метод суммирования утомленности. Реаль­ный режим нагружения задают циклограммой — графиком изме­нения нагрузки во времени (рис. 29.17). Вычисляют эквивалентную нагрузку R_E, т. е. нагрузку, которая вызывает такой же эффект устало­сти, что и весь комплекс действующих сил.

29.8. Расчет (подбор) подшипников качения на статическую грузоподъемность

Подшипники качения, воспринимающие внешнюю нагрузку в непод­вижном состоянии или при медленном вращении с частотой п < 10 мин^-1, подбирают по статической грузоподъемности С₀, Н.

Базовая статическая грузоподъемность подшипника С₀ —это такая статическая сила в Н (радиальная — для радиальных и радиально-упорных и центральная осевая — для упорных и упорно-радиальных подшипни­ков), которая вызывает общую остаточную пластическую деформацию тел качения и колец (в виде вмятин) в наиболее нагруженной точке контакта, равную 0,0001 диаметра тела качения.

Значения С₀ приведены в каталогах для каждого подшипника и обоз­начены:

C _0r—для радиальных и радиально-упорных подшипников (см. табл. 29.1);

C_0a —для упорных и упорно-радиальных подшипников.

Базовую статическую радиальную грузоподъемность С_0г используют также для проверки подшипников, подобранных по базовой динами­ческой радиальной грузоподъемности С_r и работающих при резкопе-ременной нагрузке.

Условие подбора и проверки

(29.9)

где R_0ER и R_0Ea — статическая эквивалентная нагрузка соответственно радиальная и осевая, Н.

Статическая эквивалентная нагрузка —это такая статическая сила, ко­торая должна вызвать такие же контактные напряжения в наиболее тяжело нагруженной зоне контакта, как и в условиях действительного нагружения.

Для радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников и радиаль­но-упорных роликоподшипников

(29.10)

Здесь R_r и R_a — радиальная и осевая силы, нагружающие подшипник, Н;

Х₀ и Y₀ — коэффициенты радиальной и осевой статических сил (см. каталог). Например, для шариковых радиальных однорядных и двух­рядных подшипников Х₀ = 0,6 и Y₀ = 0,5.

Для упорных подшипников

(29.10а)

Пример 29.3. Ось качающегося рычага нагружена осевой силой F_a= 10 кН и спокойно действующей радиальной силой F_r=30 кН, приложенной посередине между опорами. Подобрать шариковые радиальные однорядные подшипники, если диаметр цапф оси d=35 мм.

Решение. При качательном движении оси подшипник подбираем по базовой статичес­кой радиальной грузоподъемности С_0r.

Радиальная сила, действующая на один подшипник,

Осевая сила, нагружающая подшипник, R_a = F_a= 10 кН.

Статическая эквивалентная радиальная нагрузка для шарикового радиального подшип­ника [формула (29.10) при X₀ = 0,6 и У₀ = 0,5:

29.9. Особенности конструирования подшипниковых узлов

Работоспособность подшипников качения зависит не только от правиль­ного их подбора, но и от рациональности конструкции подшипникового узла.

Выбор типа подшипника. Выбор подшипника зависит от направле­ния и величины действующих на него сил, частоты вращения, режима работы, необходимого ресурса, допустимых размеров, стоимости и осо­бенностей монтажа. При выборе типа подшипников вначале рассмат­ривают возможность применения шариковых радиальных однорядных подшипников, как наиболее дешевых и простых в эксплуатации. Выбор других типов подшипников должен быть обоснован (самоустанавлива-емость, условия монтажа, требование жесткости).

Если нет особых требований к частоте и точности вращения, при­меняют подшипники класса точности 0.

Шариковые подшипники обеспечивают ббльшую точность враще­ния, менее требовательны к смазыванию, но имеют меньшую грузо­подъемность и жесткость, чем роликовые.

Для малых нагрузок и больших частот вращения принимают шари­ковые радиальные однорядные подшипники легких размерных серий. Подшипники более тяжелых серий обладают большей грузоподъемно­стью, но допускаемая частота вращения их меньше. При одновремен­ном действии больших радиальной и осевой сил выясняют, достаточ­но ли одного подшипника в опоре или необходимо, чтобы каждая из нагрузок воспринималась отдельным подшипником (рис. 29.18).

Рис. 29.18. Пример установки вала на

шариковых подшипниках при нагружении

опоры радиальной R_r и значительной осевой R_a

нагрузками постоянного направления

В опорах вала, расположенных в разных корпусах, применяют сфе­рические подшипники (см. рис. 29.6 и 29.7), допускающие значительные перекосы колец для компенсации погрешностей монтажа.

При ударных или переменных нагрузках с большой кратковременной пиковой нагрузкой предпочтительны двухрядные роликовые подшипники (см. рис. 29.7).

Подшипники устанавливают в жестких корпусах, стремясь избежать перекосов колец, которые могут возникнуть вследствие неправильной обработки посадочных мест или при монтаже.

Целесообразно конструировать опоры качения так, чтобы относи­тельно линий действия радиальных нагрузок вращалось внутреннее кольцо подшипника, так как число циклов нагружения щн этом почти в два раза меньше по сравнению со случаем вращения наружного кольца.

Вращающееся относительно нагрузки внутреннее кольцо подшипни­ка соединяют с валом посадкой с натягом во избежание его провора­чивания и обкатывания по посадочной поверхности. Для этого приме­няют поля допусков вала: к6, т6, n6.

Обозначение полей допусков диаметра отверстия подшипника в со­ответствии с классами точности: L0, L6, L5, L4, L2.

Пример обозначения посадки подшипника качения класса точно­сти 0 на вал: 0 50L0/k6.

Установку неподвижных относительно нагрузки колец подшипника осуществляют с зазором для облегчения осевых перемещений колец при регулировании зазоров в подшипнике, а также при тепловых деформациях валов. Для этого применяют поля допусков отверстия корпуса: H7, G7 и др.

Обозначение полей допусков наружного диаметра подшипника в соответствии с классами точности: l0, l6, l5, l4, l2.

Пример обозначения посадки подшипника качения класса точно­сти 0 в корпус: 0 90H7/l0.

При конструировании подшипниковых узлов стремятся к тому, что­бы вал с опорами представлял собой статически определимую систему. В статически неопределимых системах возможно нагружение опор си­лами, во много раз превосходящими внешние расчетные нагрузки. Поэтому в большинстве случаев валы устанавливают на двух опорах.

По способности фиксировать осевое положение вала опоры разделяют на плавающие и фиксирующие.

Плавающие опоры допускают осевое перемещение вала в любом на­правлении для компенсации его удлинения (укорочения) при темпера­турных деформациях. Они воспринимают только радиальную силу. В ка­честве плавающих опор применяют шариковые и роликовые радиаль­ные подшипники, типы которых показаны на рис. 29.5, 29.6, 29.8, а.

Фиксирующие опоры ограничивают осевое перемещение вала в одном или в обоих направлениях. Они воспринимают радиальную и осевую силы. В качестве фиксирующих опор применяют шариковые и роликовые подшипники, типы которых показаны на рис. 29.5, 29.6, 29.10 и 29.11.

На рис. 29.19 показаны основные схемы осевого фиксирования валов.

На схемах 1 и 2 одна опора фиксирующая, вторая плавающая. Фик­сирующая опора ограничивает осевое перемещение вала в обоих на­правлениях. В опоре может быть установлен один (схема 1) или два (схема 2) подшипника, которые закрепляют в осевом направлении с двух сторон как на валу, так и в корпусе. В плавающей опоре внут­реннее кольцо подшипника закреплено с двух сторон на валу, а на­ружное—свободно перемещается в корпусе вдоль оси.

В таком виде вал с опорами представляет собой статически опре­делимую систему и может быть представлен в виде балки с одной шарнирно-неподвижной, а другой шарнирно-подвижной опорами.

Схемы 1 и 2 применяют при любом возможном расстоянии между опорами вала.

Схема 1 Схема J

Рис. 29.19. Схемы осевого фиксирования валов

На схеме 1 вал фиксируется одним радиальным подшипником по рис. 29.5 или 29.6, 29.7, 29.8, в. Осевую фиксацию по этой схеме при­меняют, например, для приводных валов ленточных и цепных конвей­еров, для валов цилиндрических зубчатых передач.

Пример конструкции опор вала, установленного по схеме 1, пред­ставлен на рис. 29.20.

На схеме 2 (см. рис. 29.19) вал фиксируется двумя подшипниками: радиальными по рис. 29.5 или радиально-упорными по рис. 29.10 и 29.11. Эта схема характеризуется большей жесткостью фиксирующей опо­ры; ее применяют для установки валов червяков, конических ше­стерен.

Пример конструкции опор вала, установленного по схеме 2, пред­ставлен на рис. 29.21.

При выборе плавающей и фиксирующих опор по схемам 1 и 2 учиты­вают рекомендации:

1. Подшипники обеих опор должны быть нагружены по возможно­сти равномерно, поэтому если на вал действует осевая сила, то пла­вающей выбирают опору, нагруженную большей радиальной силой. При этом всю осевую силу воспринимает подшипник, нагруженный меньшей радиальной силой.

Рис. 29.20. Пример установки вала на шариковых радиальных

подшипниках {А — фиксирующая опора, В — плавающая опора):

/ — щелевое уплотнение; 2— маслосбрасывающее кольцо

2533

Рис. 29.21. Пример установки вала на сдвоенных радиально-упорных

шариковых подшипниках (фиксирующая опора) и радиальном

шариковом подшипнике (плавающая опора):

/ — манжетное уплотнение

2. При отсутствии осевых сил плавающей выполняют менее нагру­женную опору, чтобы уменьшить сопротивление осевому перемеще­нию подшипника и изнашивание поверхности корпуса.

3. Если входной (выходной) конец вала соединяют с другим валом муфтой, то фиксирующей принимают опору вблизи этого конца вала.

На схемах 3 и 4 (см. рис. 29.19) обе опоры фиксирующие, причем каждая опора фиксирует вал в одном направлении. В опорах этих схем могут быть установлены подшипники: шариковые или роликовые ра­диальные (см. рис. 29.5, 29.6, 29.7 и 29.8, б) и радиально-упорные (см. рис. 29.10 и 29.11).

Схемы 3 и 4 применяют с определенными ограничениями по рас­стоянию l между опорами. Связано это с изменением зазоров в под­шипниках при температурных деформациям валов.

На схеме 3, называемой схемой установки подшипников «враспор» (в сечениях вала между опорами действуют напряжения сжатия от осе­вых сил). Чтобы не происходило защемление тел качения вследствие нагрева при работе, предусматривают осевой зазор а (см. рис. 29.19). Величина зазора должна быть несколько больше ожидаемой тепловой деформации подшипников и вала. Из опыта известно, что в узлах с радиальными шарикоподшипниками при l<300 мм а = 0,2...0,5 мм. Требуемый зазор а создают при сборке с помощью набора тонких металлических прокладок, устанавливаемых между корпусом и крыш­кой подшипника. Для радиальных подшипников рекомендуется l< 10d_n, где d_n — диаметр цапфы.

В опорах схемы 3 могут быть применены и радиально-упорные подшипники, которые более чувствительны к изменению осевых зазо­ров вследствие температурных деформаций. Для таких подшипников рекомендуется l< (6...8) d_n, меньшие значения относятся к роликовым, большие —к шариковым радиально-упорнгым подшипникам. Регули­ровку осевого зазора при сборке выполняют с помощью набора тон­ких (толщиной 0,05; 0,1 мм) металлических прокладок 1 (см. рис. 29.15).

Схема 3 конструктивно наиболее проста, расточку отверстий в кор­пусе выполняют сквозной без уступов, числе» деталей в узле минимально, просты и удобны монтаж и регулировка.

На схеме 4 (см. рис. 29.19), называемой схемой установки подшипни­ков «врастяжку», возможность защемленияг тел качения подшипников вследствие температурных деформаций вала уменьшается, так как в этой схеме при удлинении вала осевой зазор в подшипниках увеличивается (см. также рис. 29.16). По этой причине расстояние между подшипни­ками может быть несколько больше, чем в схеме враспор: l<(8...10)d. Меньшие значения — для роликовых, большие — для шариковых ради-ально-упорных подшипников. Для шариковых радиальных l< 12d_n.

В некоторых конструкциях применяют так называемые «плавающие валы», обе опоры которых плавающие. Осевая фиксация вала в этом случае осуществляется не в опорах, а каким-либо другим элементом конструкции, например зубьями шевронных колес (см. § 14.6) или торцовыми шайбами (см. рис. 29.3).

Для облегчения сборки и регулировки в некоторых конструкциях подшипниковых узлов применяют чугунные стаканы, с помощью ко­торых создают самостоятельные сборочные комплекты вала с подшип­никами. Так, в подшипниковом узле вала-шестерни конической передачи установка стакана 4 является обязательной (см. рис. 29.16). В этой кон­струкции регулировку подшипников выполняют с помощью круглой шлицевой гайки 1, которую стопорят многолапчатой шайбой 2, а ре­гулировку конического зацепления производят с помощью набора тонких металлических прокладок 3.

В зависимости от осевой нагрузки, частоты вращения и принятой конструкции подшипникового узла внутреннее кольцо подшипника на валу крепят различными способами (рис. 29.22): упором в заплечик вала (а), концевой шайбой (б), круглой шлицевой гайкой (в) и др.

о)

Рис. 29.22. Крепление подшипников на валу

Рис. 29.23. Крепление подшипников в корпусе

Наружное кольцо подшипника закрепляют упором в торец крышки подшипника (см. рис. 29.15), между торцом крышки и упорным запле-чиком корпуса (рис. 29.23, а) или упорным плоским пружинным коль­цом 1 (рис. 29.23, б) и др. В конструкциях с разъемными корпусами применяют цельные кольца 3 большого сечения и закладные крыш­ки 2 (рис. 29.23, в).