Материалы и расчетные характеристики подшипников качения для условия сухого трения (стр. 2 из 7)

При выборе материала для подшипников сухого трения основное значение имеет их износостойкость, а, следовательно, срок службы. Износ опорных поверхностей подшипников сверх допустимой величины нарушает точность взаимного расположения вала с рабочими органами и корпуса, приводит его динамической неустойчивости и вибрации, возможности разрушения подшипника на ходу. Износ увеличивается с повышением давления (контактных напряжений), а коэффициент трения снижается либо остается постоянным до критического значения, соответствующего катастрофическому износу. Физико-механические свойства материала подшипника должны обеспечивать наиболее высокую износостойкость и упругий контакт при трении, минимальный коэффициент трения, отсутствие склонности к задиру, хорошую прирабатываемость. Кроме этого, материал должен обладать достаточно механической прочностью, технологичностью и стойкостью к воздействию окружающей среды.

Величина предельно допустимой температуры для выбираемого материала, при которой происходит разрушение или резкое падение механических характеристик, должна быть больше температуры окружающей среды не менее чем на 50 - 80°С. Характер динамической нагрузки должен соответствовать прочностным свойствам выбранного материала. Не допускается применение хрупких материалов, имеющих низкую ударную вязкость (менее 5кгс × см/см²) при ударных и вибрационных нагрузках. Применение материала должно быть экономически обосновано как в сфере изготовления, так и в сфере эксплуатации.

Материал подшипника должен быть малодефицитным, его технологическая обработка проста и доступна. Производство и механическая обработка некоторых материалов для подшипников сухого трения связана со сложной технологией, требующей специального оборудования. Их изготовление возможно лишь на специальных участках. Это необходимо учитывать при конструировании машин, требующих переодических ремонтов в нестационарных условиях.

Для повышения износостойкости подшипников большое значение имеют мероприятия, связанные с обслуживанием и эксплуатацией: подача смазки, отсутствие утечек (плотность системы), соблюдение теплового режима, борьба с абразивным изнашиванием в условиях сухого и граничного трения с принятием мер к устранению абразивных частиц из зоны трения. Тепловой режим должен быть связан с теплостойкостью материала и должен обеспечиваются подачей охлаждающей воды, холодного смазочного вещества, циркуляцией рабочей жидкости, тепловой изоляцией и т.п.

Материалы для подшипников сухого трения выбираются в зависимости от своей рабочей среды, её температуры и давления, от скорости скольжения по валу, от реакции в опоре (нагрузки), от теплоотвода из зоны трения и требующего срока службы в эксплуатации.

Материалы, применяемые для подшипников, подразделяются на следующие группы:

А – металлические материалы (коррозионно-стойкие стали и сплавы, углеродистые и легированные стали, чугуны, цветные металлы, наплавочные сплавы);

Б – материалы на основе углерода;

В – неметаллические высокотвердые материалы;

Г – материалы на основе полимеров, в том числе металлополимерные.

Материалы для подшипников рекомендуется выбирать в следующем порядке, произведя затем проверочный расчет подшипника. В зависимости от значения и химической стойкости в рабочей среде выбирают для элементов трущейся пары материала или группы А с коррозионной стойкостью не ниже 4 балла по ГОСТ 13819-68 (скорость коррозии 0,01 – 0,05 мм/год) или Б,В,Г у которых не более ±3% изменения массы за 1000 часов испытаний в рабочей среде (по ГОСТ 12020-72).

Не допускаются к применению материалы, которые в рабочей среде подвержены коррозионному растрескиванию, межкристаллитной, щелевой и структурной коррозии. Изменение литейных величин образца при испытаниях не должно выводить их за пределы поля допусков, предусмотренного в конструкторской документации, относительное изменение механических свойств при испытаниях в течение 1000ч не должно выходить за пределы ±10%, растрескивание образцов при испытании не допускается.

С технологической точки зрения наиболее эффективным является выбор материала шеек вала с повышенной исходной твердостью и износостойкостью поверхностного слоя, рациональной шероховатостью, высокими жесткостью и усталостной прочностью вала и сохранением соосности опор. Многочисленными исследованиями установлено, что при сухом трении и при работе на малых скоростях скольжения более твердые материалы изнашиваются меньше, чем пластичные.

Ресурс работы подшипника определяется из формулы:

Т = h/u ;

, где h – максимально допустимая величина износа подшипника, устанавливаемая при конструировании машин, мм ; u – скорость изнашивания при промышленных испытаниях, мм/ч.

К подшипникам качения, предназначенным для работы в режиме сухого трения, современная техника предъявляет особые требования. В условиях вакуума, повышенной температуры, коррозионных сред смазывание подшипников минеральными смазывающими веществам невозможно, а материалы подшипников должны дополнительно обладать коррозионной стойкостью в различных жидкостях, парах и газах, не обладающих смазывающими свойствами, но являющихся рабочими средами и проникающие к подшипникам.

5. Основы расчета подшипников сухого трения.

Целью расчета подшипника сухого трения является установление допустимых значений действующей нагрузки, скорости скольжения, температуры и других параметров и их соответствия физико-механическим свойствам выбранных материалов пары трения втулка — вал при принятых геометрических соотношениях, обеспечивающих наибольший срок службы и достаточно высокие антифрикционные свойства. Речь идет о том, чтобы в отсутствии смазывающего материала на трущейся поверхности получить наибольшую износостойкость подшипника и обеспечить минимальное изменение его геометрических размеров во времени с учетом действующих условий эксплуатации. При конструктивной разработке машины или агрегата производится расчет динамической системы вала, в результате которого определяются нагрузка, действующая на подшипник (реакция в опоре), N (кгс), диаметр шейки вала d (в м) и частота вращения вала п (об/мин). Кроме этих величин из технического задания на проектирование известными являются окружающая среда и ее свойства (коррозионная активность, наличие абразивных взвесей и их размеры, вязкость, радиоактивное воздействие и др.), температура окружающей среды, вид нагрузки (спокойная, ударная, вибрационная и т. п.).

Используя имеющиеся данные, а также известные физико-механические свойства материалов, которые могут применяться для подшипников сухого трения, производят предварительный выбор материала подшипника. При выборе материала подшипника руководствуются соображениями, изложенными описанными ранее. Затем определяют геометрические размеры подшипника: длину подшипника l, толщину стенки подшипника s и особенности его конструктивного устройства (вид крепления втулки, установку в металлическую обойму, фаски и т. д.).

Длину подшипника вычисляют по формуле

L=pNn/(600pv)

Полученное значение длины подшипника сопоставляют со стандартными размерами (например, по ГОСТ 1978 73). C другой стороны, длина подшипника зависит от оптимального отношения длины к диаметру l/d, которое устанавливается практикой эксплуатации подшипников.

При выборе длины l необходимо учитывать, что при её, уменьшении снижается несущая способность подшипника. С увеличением длины возрастают потери на трение, увеличивается, неравномерность распределения нагрузки по длине, происходит более сильный нагрев подшипника. Толщина стенки подшипника также выбирается по рекомендациям из соображений конструктивной прочности, технологичности изготовления и лучшего отвода тепла. Последующим расчетом отношение l/d корректируется. В настоящее время предложено несколько методов расчета подшипников сухого трения, изложенных ниже.

5.1 Расчет по критерию прочности.

Этот расчет заключается в обеспечении необходимой прочности подшипника, материал которого подвергается объемному сжатию под действием нагрузки. К таким материалам относятся, например, пластмассы.

За критерий прочности или несущую способность подшипника принимают среднее давление

p = N/S,

где S — расчетная площадь контакта, условно принимаемая равной площади проекции подшипника, см2,

S = ld.

Подставляя (1е) во (2е), имеем

p = N/(ld).

Несущая способность подшипника — величина условная, так как контакт подшипника и вала происходит на дуге менее 180° и фактическая площадь контакта меньше значения, принимаемого в расчете. Точно определить ее расчетным путем сложно из-за ряда факторов, которые трудно учесть в инженерном расчете.

Для подшипников сухого трения с твердосмазочными покрытиями Ю. Н. Дроздовым и С. Л. Гафнером получена формула для определения среднего давления с учетом действительной протяженности контактной зоны подшипника и вала:

P=(N/ld)×(1/sinjо)

где jо — средний полуугол контакта, ... °,

jо=(jон+jок)/2

где jон — начальный полуугол контакта, определяемый по начальным геометрическим размерам подшипника; jок —конечный полуугол контакта, определяемый из условия увеличения радиального зазора на толщину изношенного слоя.

Пренебрегая упругими свойствами покрытия из-за малой его толщины, средний полуугол контакта определяют по формуле

jо=

где μ1 и μ2 — коэффициенты Пуассона для подшипника и вала соответственно; ε — радиальный зазор (назначается по ходовой посадке 2-го класса точности);

ψ = E1/E2

где E1, E2 — модули упругости для подшипника и вала соответственно; k — показатель степени определяется по следующим формулам:

При 10 > ψ > 0,1