Глава III валы, оси, подшипники и муфты

§ 6. Валы и оси

В а л ы и о с и поддерживают вращающиеся детали, вал одновременно служит для передачи крутящего момента. Опорные участки осей и валов называются Ц а п ф а м и. Цапфа, расположенная на конце вала, называется ш и п о м, а промежуточная - шейкой (рис. 12). Участки оси или вала, предназначенные для закрепления на них деталей, называются г о л о в к а м и. Цапфа, предназначенная для передачи осевого усилия у осей и валов, расположенных вертикально, называется п я т о й. Шип имеет один или два з а п л е ч и к а (рис. 13), которые служат для восприятия усилия, действующего вдоль оси вала. Чаще применяют шипы с одним заплечиком - это не препятствует прогибу вала.

С целью уменьшения работы силы трения между шипом и подшипником вводится смазка; для ее удержания на рабочих поверхностях необходимо, чтобы удельное давление q между шипом и подшипником не превосходило допускаемого [q]. Условие невыдавливания смазки определяется по формуле

q = P/dl [q], (III.l)

где d и 1- см. на рис. 13, а.

Пяты подразделяются на плоские, кольцевые и гребенчатые, (рис. 14). П л о с к а я пята опирается всей торцевой поверхностью. Опорная поверхность к о л ь ц е в о й пяты - кольцо, г р е б е н ч а т о й - несколько колец, наваренных на вал. Плоская пята характеризуется центральной нагрузкой, вызывающей выдавливание смазки. Кольцевая пята этого недостатка не имеет. Гребенчатая пята отличается развитой опорой поверхностью, чем уменьшается удельное давление.

Оси рассчитываются только на изгиб. Диаметр оси в опасном сечении определяется по формуле:

d =³ М_и /0,1 [ ]_и

где М_и - изгибающий момент:

[ ]_и - допускаемое напряжение на изгиб.

При проверочном расчете определяется напряжение, возникающее в опасном сечении оси по формуле:

_и = М _иW, или _и = М_и /0,1d³ < [ ]_и

где W=0,l d^З - момент сопротивления.

Расчет валов производится на совместное действие изгибающего и крутящего моментов. Диаметр вала (в см) рассчитывается по формуле:

d=³ M_пр / 0,1[ ]_и

где М_нр - приведенный момент, действующий на вал, в кгс/см.

М_пр = M²_и + M²_кр .

При действии на в ал сил, расположенных в различных плоскостях, требуется отдельно определять изгибающие моменты горизонтальной и вертикальной плоскостях и затем находить М_и:

М_и = М²_гор + М²_верт

Ориентировочно диаметр вала может быть определен по крутящему моменту:

d=³ M_кр / 0,2 [ ]_кр

где М_кр - крутящий момент;

[ ]_кр - допускаемые напряжения кручения.

В данной формуле влияние изгибающих нагрузок учитывается пониженным значением допускаемых напряжений кручения. Диаметры участков вала, на которых имеются шпоночные канавки, увеличивают на 8-1 0%.

§ 7. Подшипники

Подшипники служат опорами для валов и вращающихся осей. Подшипники делят на две основные группы: подшипники скольжения и подшипники качения.

П од ш и п н и к и с к о л ь ж е н и я могут быть неразъемными (глухими) и разъемными. Н е р а з ъ е м н ы е, или г л у х и е, подшипники применяются при малой окружной скорости вала или оси, при работе с большими перерывами. Р а з ъ е м н ы е подшипники (рис. 15) состоят из корпуса, разрезного вкладыша, крышки и болтов. Вкладыш неподвижен относительно корпуса и крышки. Смазка из смазочного резервуара (масленки) поступает на трущиеся поверхности через отверстие в крышке. Износ вкладыша компенсируют поджатием крышки корпуса подшипника к основанию, изменяя толщину прокладок.

Разъемные подшипники применяются для валов с d= 50 500 мм и изготовляются с двумя болтами для легких опор (d>80 мм) и с четырьмя болтами для тяжелых (d<80 ММ).

При длинных цапфах (l/d> 1,5) нагрузка по длине вкладыша распределяется неравномерно, что приводит к интенсивному износу вкладыша и его торцов. В этих случаях применяются подшипники с с а м о у с т а н а в л и в а ю щ и м и с я вкладышами. Вкладыши такого типа в средней части имеют сферические выступы, которыми они опираются на сферические поверхности корпуса и могут поворачиваться на них в соответствии с наклоном вала. Смазка таких подшипников обычно кольцевая.

Размеры подшипников скольжения определяются по размерам цапф. Расчет ведется по допускаемому удельному давлению.

Опоры скольжения для восприятия осевых нагрузок (п о д п я т н и к и) обычно объединены в одном общем корпусе с подшипником. Опорная часть подпятника представляет собой кольцо или шайбу с прорезанными по торцу смазочными канавками.

П о д ш и п н и к и к а ч е н и я являются основным видом опор валов и осей, применяемых для всех видов машин. Подшипники качения (рис. 16) состоят из внутреннего и наружного колец, тел качения и сепаратора. Тела качения и кольца изготовляются из высокопрочной закаленной стали. Телами качения могут быть шарики или ролики - цилиндрические короткие, длинные, конические, бочкообразные, витые, игольчатые.

В зависимости от характера (направления) воспринимаемой нагрузки подшипники качения делятся на радиальные, радиальноупорные и упорные; в зависимости от нагрузочной способности - на серии, отличающиеся габаритными размерами при одинаковом диаметре. Кроме того, различают однорядные и двухрядные подшипники. Шариковые и роликовые двухрядные сферические подшипники являются самоустанавливающимися, т. е. допускают наклон оси внутреннего кольца по отношению к оси наружного на 2-3°.

Выбор типа и размеров подшипника зависит от назначения узла, действующих на опору нагрузок, угловой скорости вращающегося кольца подшипника, требуемой долговечности (заданного срока службы) и температурных условий. При малой и средней мощностях и при больших скоростях вращения рекомендуется применять шарикоподшипники, при тяжелых и ударных нагрузках - роликоподшипники.

Если на опору действуют как радиальная, так и осевая нагрузки, применяют шариковые радиальные однорядные подшипники или радиально-упорные (при значительных осевых нагрузках) и роликовые конические (при тяж елых радиальных и осевых нагрузках).

Размеры подшипника выбираются по таблицам соответствующих ГОСТов по предварительно рассчитанному (требуемому) к о э ф ф и ц и е н т у р а б о т о с п о с о б н о с т и. Коэффициент работоспособности характеризует грузоподъемность и долговечность данного подшипника и определяется для радиальных и радиально-упорных подшипников по формуле:

С_треб = Q (nh)^0,3,

где Q - условная нагрузка подшипника;

n - число оборотов в мин вращающегося кольца подшипника; h - желаемая долговечность подшипника в ч.

Обычно принимают долговечность равной 5000 -10000 ч, что связано с периодом времени между капитальными ремонтами машины при одно- двухсменной работе.

Условная нагрузка

Q=(Rk_k+mA)k k_Т

где R - фактическая радиальная нагрузка на подшипник;

т - коэффициент для перевода осевой нагрузки в эквивалентную ей радиальную, зависящий от типа подшипника;

А - фактическая осевая нагрузка;

k - коэффициент безопасности, учитывающий влияние характера нагрузки на долговечность;

k_k - коэффициент, учитывающий долговечность подшипника;

k_T - температурный коэффициент, учитывающий влияние на долговечность

подшипника температурного режима его работы

После выбора типа подшипника и вычисления требуемого коэффициента работоспособности по величинам n и С_треб по каталогу выбирают соответствующий подшипник.