Защита в чрезвычайных ситуациях. ОП.02 Техническая механика

20.02.02 Защита в чрезвычайных ситуациях. ОП.02 Техническая механика

Занятие №37. Тема: «Валы и оси, подшипники скольжения»

Валы и оси. Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.

Вал предназначен для поддержания сидящих на нем дета­лей и для передачи вращающего момента. При работе вал испы­тывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие.

Ось — деталь, предназначенная только для поддержания сидящих на ней деталей. В отличие от вала ось не передает вра­щающего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижными или вра­щаться вместе с насаженными на них деталями (рис. 1).

Рис. 1. Ось тележки

Рис. 2. Прямой ступенчатый вал:

1 — шип; 2 — шейка; 3 — подшипник

По геометрической форме валы делятся на прямые, коленчатые и гибкие. Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не рас­сматриваются.

Оси, как правило, изготовляют прямыми (см. рис. 1). По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.

Прямые валы и оси могут быть гладким или ступенчатыми (см. рис. 2). Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также услови­ями изготовления и удобства сборки.

По типу сечения валы и оси бывают сплошные и по­лые. Полое сечение применяется для уменьшения массы или для размещения внутри другой детали.

Конструктивные элементы валов и осей. Цапфы — участки вала или оси, лежащие в опорах. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты. Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку (см. рис. 2). Шейкой называется цапфа, расположенная в средней час­ти вала или оси. Пятой называют цапфу, передающую осевую нагрузку (рис. 3). Опорами для шипов и шеек служат подшипники, для пят — подпятники.

Рис. 3. Пяты: а – сплошная; б – кольцевая; в – гребенчатая

Рис. 4. Переходные участки вала

При посадках с натягом диаметр поверхностей под ступицы принимают больше диаметра сосед­них участков для удобства напрессовки (см. рис. 2).

Переходные участки между двумя ступенями валов или осей выполняют:

а) с канавкой со скруглением для выхода шлифовально­го круга (рис. 4, а). Эти канавки повышают концентрацию напряжений;

б) с галтель постоянного радиуса (рис. 4, б);

в) с галтелью переменного радиуса (рис. 4, в), которая способствует снижению концентрации напряжений, а потому применяется на сильно нагруженных участках валов или осей.

Галтель — поверхность плавного перехода от меньшего сечения вала к большему.

Материалы валов и осей. Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Валы и оси изготовляют преимущественно из углеро­дистых и легированных сталей. Для валов и осей без термообра­ботки применяют стали Ст5, Ст6; для валов с термообработкой — стали 45, 40Х (справочные данные). Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют из сталей 20, 20Х, 12ХН3А. Цапфы этих валов цементируют для повышения износо­стойкости.

Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последую­щим шлифованием цапф и посадочных поверхностей.

Критерии работоспособности валов и осей.Валы и вращающиеся оси при работе испытывают цикличе­ски изменяющиеся напряжения. Основными критериями рабо­тоспособности являются сопротивление усталости и жесткость. Основными расчетными силовыми факторами являются кру­тящие М_к и изгибающие М_и моменты. Влияние растягивающих и сжимающих сил невелико и в большинстве случаев не учиты­вается.

Проектировочный расчет валов.Проектировочный расчет валов производят условно только на кручение. При этом расчете влияние изгиба, концентрации напряжений и характера нагрузки на прочность вала компенсируется понижением допускаемых напряжений на кручение [t]_к.При этом обычно определяют диаметр выходного конца вала. Промежуточный вал не имеет выходного конца, поэтому для него расчетом определяют диаметр под коле­сом. Остальные диаметры вала назначают при разработке кон­струкции с учетом технологии изготовления и сборки.

Диаметр расчетного сечения вала определяют по формуле, известной из курса сопротивления материалов:

где М_к — крутящий момент, возникающий в расчетном сечении вала и обычно численно равный передаваемому вращающему моменту Т, т. е. М_К=Т;[t]_к — допускаемое напряжение на кручение.

Проверочный расчет валов производится на сопротивление усталости и жесткость, а в отдельных случаях на колебания по его расчетной схеме (рис. 5). При составлении расчетной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах.

При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы, и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой.

Подшипники качения или скольжения, воспринимающие одновременно радиальные и осе­вые силы, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры (рис. 5, а), а подшипники, воспринимающие только радиаль­ные силы, — как шарнирно-подвижные (рис. 5, б).

Рис. 5. Расчетные схемы

Основными нагрузками на валы являются силы от передач, распределяющиеся по длине ступицы. На расчетных схемах эти силы, а также вращающие моменты изображают как сосредото­ченные, приложенные в серединах ступиц (рис. 6, в). Влияни­ем силы тяжести валов и насаженных на них деталей пренебрегают (за исключением тяжелых маховиков и т. п.). Силы трения в опорах не учитывают.

Расчет на сопротивление усталостивыпол­няют как проверочный; он заключается в определении расчетных коэффициентов запаса прочности в предположительно опасных сечениях, предварительно намеченных в соответствии с эпюрами моментов и расположением зон концентрации напряжений.

Расчет на жесткость. Проверочный расчет валов на жес­ткость выполняют в тех случаях, когда их деформации суще­ственно влияют на работу сопряженных с валом деталей.

Подшипники скольжения. Подшипники являются опорами валов и вращающихся осей. Они воспринимают нагрузки, приложенные к валу или оси, и пе­редают их на корпус машины. Качество подшипников в значи­тельной степени определяет надежность и долговечность машин.

В зависимости от вида трения подшипники делятся на подшипники скольжения и подшипники качения.

В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки подшипники бывают:

радиальные — воспринимают радиальные нагрузки, перпендикулярные оси цапфы;

упорные — воспринимают осевые нагрузки;

радиально-упорные — воспринимают радиальные и осевые нагрузки.

Упорные подшипники часто называют подпятниками.

Конструкции подшипников. В большинстве случаев подшип­ники скольжения состоят из корпуса, вкладышей и смазывающих устройств. Конструкции подшипников разнообразны и определя­ются конструкцией машины. В простейшем виде подшипник скольжения представляет собой втулку (вкладыш), встроенную в станину машины (рис. 6). На рис 7 и 8 подшипник имеет отдельный корпус, который крепится на станине машины.

Рис. 6. Неразъемный подшип­ник, встроенный в станину ма­шины:

1 — втулка;

2 — смазочная канав­ка;

3 — стопорный винт;

4 — стани­на машины

Рис. 7. Фланцевый (неразъ­емный) подшипник

Основным элементом подшипника скольжения является вкладыш 3, который устанавливают в корпусе 4 подшипника (рис. 8) или непосредственно в станине или раме машины.

В процессе работы трущиеся поверхности цапфы и вкладыша находятся в состоянии относительного скольжения.

Подшипники скольжения делятся на неразъемные (см. рис. 6 и 7) и разъемные (см. рис. 8).

Неразъемные (глухие) подшипники применяют при ма­лой скорости скольжения с перерывами в работе (механизмы управления и др.).

Разъемные подшипники имеют основное примене­ние в общем и особенно в тяжелом машиностроении. Они облег­чают монтаж валов.

Рис. 8. а — подшипник с разъемным корпусом и вкладышем: 1 – смазочное устройство; 2 – крышка; 3 – вкладыш; 4 – корпус; б — самоустанавливеющий­ся подшипник

При большой длине цапф применяют самоустанавливающиеся подшипники (рис. 8, б). Сферические вы­ступы вкладышей позволяют им самоустанавливаться, устраняя тем самым перекосы цапф от деформации вала и неточностей монтажа, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по длине вкладыша.

Достоинства подшипников скольжения. 1. Надежно работают в высокоскоростных приводах (подшипники качения в этих усло­виях имеют низкую долговечность). 2. Способны воспринимать большие ударные и вибрационные нагрузки вследствие демпфи­рующего действия масляного слоя. 3. Работают бесшумно. 4. Имеют сравнительно малые радиальные размеры. 5. Разъемные подшипники допускают установку их на шейки коленчатых валов; при ремонте не требуют демонтажа муфт, шкивов и т. д. 6. Для тихоходных машин могут иметь весь­ма простую конструкцию.

Недостатки. 1.В процессе работы требуют постоянного надзора из-за высоких требований к смазыванию и опасности перегрева; перерыв в подаче смазочного материала ведет к вы­ходу из строя подшипника. 2. Имеют сравнительно большие осевые размеры. 3. Значительные потери на трение в период пуска и при несовершенной смазке. 4. Большой расход сма­зочного материала.

Применение. 1. Для валов с ударными и вибрационными нагрузками (молоты, поршневые машины и др.). 2. Для коленча­тых валов, когда по условиям сборки требуются разъемные под­шипники. 3. Для валов больших диаметров, для которых отсут­ствуют подшипники качения. 4. Для высокоскоростных валов, когда подшипники качения непригодны (центрифуги и др.) 5. При высоких требованиях к точности работы вала (шпиндели станков и др.). 6. В тихоходных машинах. 7. При работе в воде и агрессивных средах, в которых подшипники качения нерабо­тоспособны.

В массовом производстве вкладыши штампуют из стальной ленты, на которую нанесен тонкий антифрикционный слой (оловянные и свинцовые бронзы, баббиты, фторопласт, нейлон и др.).

Работа подшипников скольжения сопровождается абразив­ным изнашиванием вкладышей и цапф, заеданием и усталостным выкрашиванием.

Расчет подшипников. Ввиду отсутствия теории расчета при ре­жиме несовершенной смазки подшипники рассчитывают условно по среднему давлению р_т и значению р_тu. При этом должны соблюдаться условия:

где R_r — радиальная нагрузка на подшипник; А — площадь проекции цапфы на диаметральную плоскость. Для шипа или шейки A = dl.

Здесь d и l — диаметр и длина шипа (шейки), которые определя­ют при расчете и конструировании вала. Для большинства под­шипников l = (0,5...1,2) d.

Вопросы и задания

1. Что является валом и осью, для чего они предназначены?

2*. Каковы сходства и различия между валами и осями? Найти в тесте все сходства и все различия!

3. Какие существуют конструкции валов?

4. Перечислите, дайте определения и напишите назначение для всех конструктивных элементов валов.

5*. В каком случае и с какой целью диаметр поверхностей под ступицы принимают больше диаметра сосед­них участков?

6**. Какими выполняют переходные участки между двумя ступенями валов или осей?

7**. Что такое галтель и каково ее предназначение?

8*. Из каких материалов изготавливают валы и** почему?

9**. Как обрабатывают валы и оси и упрочняют их элементы?

10. Какие напряжения при работе испытывают валы и каковы их критерии работоспособности?

11*. В чем заключается и как производится проектировочный расчет валов?

12*. В чем заключается проверочный расчет валов?

13**. Для чего используют расчетные схемы и что на них рассматривается?

14*. В чем заключается расчет на сопротивление усталости?

15*. В чем заключается расчет на жесткость?

16. Чем являются подшипники и какими они бывают?

17. Какой конструкции бывают подшипники скольжения и* из каких деталей они состоят?

18. Каковы достоинства и недостатки подшипников скольжения?

19. Какая деталь является основным элементом подшипника скольжения и из чего она изготавливается?

20*. Где применяются подшипники скольжения?

21**. В каких механизмах и машинах пожарно-спасательного оборудования применяются подшипники скольжения?

22**. В чем заключается расчет подшипников?

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров