Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин Курс «Детали машин» Надежность машин Соединения с натягом Резьбовые соединения Расчет шпоночных соединений Механические передачи Расчет на изгиб Редукторы

Виды разрушения подшипников качения и критерии работоспособности

Основные причины потери работоспособности подшипников качения следующие.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и до­рожек качения колец в виде раковин или отслаивания (шелушения) вследствие циклического контактного нагружения. Усталостное выкра­шивание является основным видом разрушения подшипников при хорошем смазывании и защите от попадания абразивных частиц. Обычно наблюдается после длительной работы и сопровождается повышенным шумом и вибрациями.

Смятие рабочих поверхностей дорожек и тел качения (образование лунок и вмятин) вследствие местных пластических деформаций под действием вибрационных, ударных или больших статических нагрузок.

Абразивное изнашивание вследствие плохой защиты подшипника от попадания абразивных частиц (строительные, дорожные, сельскохо­зяйственные машины,кацкие станки). Применение качественных конструкций уплотнений подшипниковых узлов уменьшает износ ра­бочих поверхностей подшипника.

Разрушение сепараторов от действия центробежных сил и воздей­ствия на сепаратор разноразмерных тел качения. Этот вид разрушения является основной причиной потери работоспособности быстроходных подшипников.

Разрушение колец и тел качения вследствие перекосов колец или вследствие перегрузок ударного характера (скалывание бортов, раска­лывание колец и др.).

Внешними признаками нарушения работоспособности подшипников являются: потеря точности вращения, повышенные шум и вибрации, повышенное сопротивление вращению.

Критерии работоспособности. Основными критериями работоспособно­сти подшипников качения являются сопротивление контактной устало­сти и статическая контактная прочность.

29.5. Расчет (подбор) подшипников качения на заданный ресурс

Показателем сопротивления контактной усталости служит ресурс — продолжительность работы подшипника до появления первых призна­ков усталостного разрушения материала колец или тел качения. Ресурс обозначают буквой L и выражают числом миллионов оборотов (млн. об.) или часами работы (ч).

При проектировании машин подшипники качения не конструиру­ют, а подбирают по таблицам каталога. Методы расчета (подбора) стандартизованы.

Опустив индекс /, получают формулу для вычисления ресурса L (млн. об.) в зависимости от действующей на подшипник нагрузки С (Н) в общем виде:

L = (C/RE)P. (в)

Нагрузку С (Н) называют динамической грузоподъемностью подшипника.

Подбор подшипников на сопротивление контактной усталости выпол­няют по базовой динамической расчетной грузоподъемности.

Базовая динамическая радиальная (или осевая) расчетная грузо­подъемность представляет собой постоянную радиальную (или осе­вую) силу в Н, которую подшипник может воспринимать при базовом расчетном ресурсе, составляющем 106 оборотов одного кольца относи­тельно другого.

Базовую динамическую расчетную грузоподъемность обозначают:

радиальную — Сr для радиальных и радиально-упорных подшипников;

осевую — Ca для упорных и упорно-радиальных подшипников.

Значения Сr и Сa для каждого подшипника заранее определены и приводятся в справочной литературе (каталоге).

Базовый расчетный ресурс L10 — ресурс в млн. об., соответствую­щий 90 %-ной надежности для конкретного подшипника, изготовлен­ного из обычного материала с применением обычной технологии и ра­ботающего в обычных условиях эксплуатации (в обозначении Ll0 при 90 %-ной надежности индекс 10=100-90).

При отличии свойств материала или условий эксплуатации от обычных, а также при повышенных требованиях к надежности опреде­ляют скорректированный расчетный ресурс Lsa в млн. об. или Lsah в ч.

В соответствии с формулой (в) скорректированный по уровню на­дежности и условиям применения подшипника расчетный ресурс Lsah в часах (ч):

(29.1)

где р — показатель степени кривой усталости (рис. 29.13, а); P=3 для шариковых и P = 3,33 для роликовых подшипников.

Вместо индекса s в обозначении ресурса записывают цифру s= 100 - Р, где Р— надежность при определении ресурса (см. § 1.4). Так, при 90 %-ной надежности — Ll0ah, при 95 %-ной — L 5ah, при 97 %-ной — L 3ah.

В формуле (29.1) обозначены:

С— базовая динамическая расчетная грузоподъемность (радиальная Сг или осевая Са), Н;

RE — эквивалентная динамическая нагрузка (радиальная REr или осевая REa), Н (см. ниже);

n —частота вращения кольца, мин-1;

а1 — коэффициент надежности. При определении ресурса, соответ­ствующего 90 %-ной надежности, коэффициент а1 = 1, при 95 %-ной надежности а1 = 0,62, при 97 %-ной надежности а1= 0,44;

а23 — коэффициент, учитывающий совместное влияние на долго­вечность особых свойств металла колец и тел качения (обычная плав­ка, вакуумный или электрошлаковый переплав), условий эксплуата­ции (перекосы колес, наличие гидродинамической пленки масла в контакте колец и тел качения).

Для обычных условий применения подшипников (материал обычной плавки, наличие перекосов колец, отсутствие надежной гидродинами­ческой пленки масла) значения коэффициента a23:

Для шарикоподшипников (кроме сферических)  0,7...0,8

Для роликоподшипников конических 0,6...0,7

Для роликоподшипников цилиндрических,

шарикоподшипников сферических двухрядных 0,5...0,6

Для роликовых радиальных двухрядных

сферических подшипников 0,3...0,4

Условие пригодности подшипника:

 Lsah>L`sah (29.2) 

где Lsah — расчетный ресурс, ч; L`sah — заданный ресурс, ч.

Обычно L`sah соответствует ресурсу машины или наработке между плановыми ремонтами. В зависимости от типа машины и условий экс­плуатации L`sah = 4000... 100 000 ч.

Формула (29.1) справедлива при эквивалентных нагрузках, не пре­вышающих 0,5 С и n>10 мин -1.

Эквивалентная нагрузка. В большинстве случаев радиальные и радиаль-но-упорные подшипники подвержены совместному действию радиальной и осевой сил. Кроме того, условия работы подшипников разнообразны и могут различаться по величине кратковременных перегрузок, рабочей температуре, вращению внутреннего или наружного кольца. Влияние всех этих факторов на работоспособность подшипников учитывают введением в расчет эквивалентной динамической радиальной нагрузки.

Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка REr для радиаль­ных и радиально-упорных подшипников — это такая постоянная радиаль­ная сила, под действием которой подшипник качения будет иметь такой же ресурс, как и в условиях действительного нагружения:

REr=(XVRr+YRa)KБKT. (29.3)

Для упорных и упорно-радиальных подшипников соответственно будет REa— постоянная центральная осевая сила:

REa=RaKБKT, (29.4)

где Rr — радиальная сила, действующая на подшипник (суммарная опорная реакция), Н;

Ra — осевая сила, Н;

V—коэффициент вращения, учитывающий зависимость ресурса подшипника от того, какое из колец вращается: V= 1 при вращении

внутреннего кольца подшипника относительно направления радиаль­ной нагрузки и V =1,2 при вращении наружного кольца;

KБ — динамический коэффициент, учитывающий влияние эксплу­атационных перегрузок на долговечность подшипника (табл. 29.2):

KT — коэффициент, учитывающий влияние температуры на долго­вечность подшипника:

при t, 0C <100 125 150 175 200 250

KT  1.00 1.05 1.10 1.15 1.25 1.4

Х, Y— коэффициенты радиальной и осевой динамических нагрузок (приводятся в каталоге, см. также табл. 29.3); зависят от типа и кон­структивных особенностей подшипника, а также от соотношения осе­вой и радиальной сил Ra / VRr.

Осевая сила Ra влияет на ресурс подшипника. При действии этой силы кольца подшипника смещаются относительно друг друга в осе­вом направлении. Происходит выборка радиального зазора между коль­цами и телами качения, что до некоторого значения Ra способствует более равномерному распределению нагрузки по телам качения.

Осевая сила Ra не уменьшает ресурс подшипников, пока отноше­ние Ra /( VRr) не превысит значения е — параметра осевого нагружения (приводится в каталоге, см. также табл. 29.3). При Ra /( VRr) < е коэффи­циенты Х= 1 и Y= 0, т. е. при определении RE силу Ra не учитывают [см. формулу (29.3)].

При увеличении силы Ra, т. е. при Ra/VRr>e, ухудшаются условия работы тел качения и колец подшипника, снижается его ресурс, что и учитывает параметр е при выборе значений коэффициентов X и Y (см. табл. 29.3).

При установке вала на шариковых радиальных подшипниках осевая сила Ra нагружающая подшипник, равна внешней осевой силе Fa, дей­ствующей на вал: Ra = Fa. Силу Fa воспринимает подшипник, ограничи­вающий осевое перемещение вала под действием этой силы.

Таблица 29.2. Значения динамического коэффициента КБ

Характер нагрузки

КБ

Область применения

Спокойная нагрузка без толчков

Легкие толчки; крат­ковременные перегрузки до 125%

Умеренные толчки; кратковременные пере­грузки до 150%

Значительные толчки; кратковременные пере­грузки до 200%

Сильные удары; крат­ковременные перегрузки до 300%

1,0

1,0... 1,2

1,3...1,5

1,8...2,5

2,5...3,0

Механизмы ручных кранов, блоков, лебедок

Металлорежущие станки (кроме долбежных, строгальных). Механизмы подъема кранов. Гиро­скопы

Зубчатые передачи. Редукторы всех типов. Механизмы передвижения крановых тележек и по­ворота кранов

Кривошипно-шатунные механизмы. Валки прокатных станов. Дробилки. Копры. Мощные вентиляторы

Тяжелые ковочные машины. Лесопильные рамы. Рабочие роликовые конвейеры блюмингов и слябингов

Таблица 29.3. Коэффициенты X, Y и параметр е для шариковых однорядных подшипников (выборка)

Тип

a, град

Ra/С0r

Ra /(YRr )>е

подшипника

(рис. 29.10)

е

X

Y

Шариковые

0,014

0,19

2,30

радиальные

0,028

0,22

1,99

подшипники

0,056

0,26

1,71

0,084

0,28

1,55

0

0,110

0,30

0,56

1,45

0,170

0,34

1,31

0,280

0,38

1,15

0,420

0,42

1,04

0,560

0,44

1,00

26

0,68

0,41

0,87

36

0,95

0,37

0,66

При установке вала на радиально-упорных подшипниках осевые си­лы Ra, нагружающие подшипники, находят с учетом осевых состав­ляющих Rs, возникающих под действием радиальных сил Rr из-за наклона контактных площадок (рис. 29.15 и 29.16). Эти подшипники при монтаже регулируют так, чтобы осевой зазор в них при устано­вившемся температурном режиме был бы близок к нулю. В этом случае под действием радиальной нагрузки Rr находятся около полови­ны тел качения (см. рис. 29.2), а суммарная осевая составляющая Rs равна:

для шариковых радиально-упорных подшипников с малым углом (а < 18°) контакта, изменяющимся под действием осевой силы,

(29.5)

Rs = e'Rr

где значения параметра е/ принимают в зависимости от отношения Rr/C0r

Рис. 29.15. Пример установки вала на роликовых конических подшипниках «враспор»

Рис. 29.16. Пример установки вала-шестерни конической зубчатой передачи на конических роликоподшипниках «врастяжку»

Так, для подшипника с углом контакта а = 15°:

при Rr/C0r

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

е'

0,42

0,50

0,56

0,58

0,60

для шариковых радиально-упорных подшипников с большим углом (а>18°) контакта, не изменяющимся под действием осевой силы,

Rs= eRr

Значения параметра е указаны в каталоге, см. также табл. 29.3;
для конических роликовых подшипников 

Rs =0,83еRг.

Величина Rs представляет собой минимальную осевую силу, которая должна действовать на радиально-упорный регулируемый подшипник при заданной радиальной нагрузке.

Для нормальных условий работы осевая сила Ra, нагружающая подшипник, должна быть не меньше минимальной: Ra>Rs.

Расчетную осевую силу Ra на каждый из двух радиально-упорных подшипников вала (рис. 29.15 и 29.16) определяют по формулам из табл. 29.4, полученным из условия равновесия всех осевых сил, действу­ющих на вал.

В некоторых случаях в одной опоре устанавливают два одинаковых радиально-упорных однорядных подшипника, образующих один под­шипниковый узел. При этом пару подшипников рассматривают как один двухрядный подшипник. В этом случае при определении ресурса по формуле (29.1) вместо Сr подставляют базовую динамическую радиальную грузоподъемность Сгсум комплекта из двух подшипников: для шарикоподшипников С rсум= 1,625 Сг, для  роликоподшипников

С rсум = 1,714Сг.

Базовая статическая радиальная грузоподъемность С0 rсум такого ком­плекта равна удвоенной номинальной грузоподъемности одного одно­рядного подшипника С0гсум = 2С0г.

В этом случае при определении эквивалентной нагрузки RE значе­ния коэффициентов X и У принимают как для двухрядных подшип­ников.

Сдвоенная установка радиальных подшипников не рекомендуется.

Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятиях. ГОСТ 2.101–68 устанавливает следующие виды изделий: 1) детали; 2) сборочные единицы; 3) комплексы; 4) комплекты. Изделия, в зависимости от наличия или отсутствия в них составных частей, делятся: 1) на неспецифицированные (детали) — не имеющие составных частей; 2) на специфицированные (сборочные единицы, комплексы, комплекты) — состоящие из двух и более составных частей. Составными частями машины являются: деталь, сборочная единица (узел), комплекс и комплект. Деталь — изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций.
Расчет на прочность сварных соединений