Підшипники ковзання

Підшипник ковзання підтримує цапфу вала поверхнею вкладиша. Під час роботи між поверхнями бажано сформувати мастильну плівку, яка розділяє їх і переносить навантаження гідродинамічним або гідростатичним тиском.

Конструкція

Вузол містить корпус, вкладиш або втулку, систему подавання мастила та ущільнення. Вкладиш може бути суцільним або рознімним. Робочий антифрикційний шар часто наносять на міцну сталеву чи бронзову основу.

Режими тертя

• сухе тертя - мастильного шару немає;
• граничне - поверхні розділяє дуже тонка адсорбована плівка, але мікронерівності контактують;
• змішане - навантаження сприймають і плівка, і контакт виступів;
• гідродинамічне - рух поверхонь сам створює тиск у клиноподібному шарі;
• гідростатичне - тиск подається зовнішнім насосом навіть за нульової швидкості.

Середній тиск і швидкість

Для радіального підшипника діаметром \(d\) і довжиною \(\ell\):

$$p=\frac{F}{d\ell}.$$

Швидкість поверхні цапфи:

$$v=\frac{\pi dn}{60}.$$

Для попереднього вибору матеріалу перевіряють

$$p\le[p],\qquad v\le[v],\qquad pv\le[pv].$$

Критерій \(pv\) приблизно характеризує інтенсивність тертя й тепловиділення, але не замінює гідродинамічного розрахунку.

Утворення мастильного клина

Під навантаженням центр цапфи зміщується відносно центра вкладиша. Зазор стає клиноподібним. Рухома поверхня затягує мастило в звужувальну частину, де виникає тиск. У стаціонарній ізов’язкій моделі Рейнольдса:

$$\frac{\partial}{\partial x}\left(h^3\frac{\partial p}{\partial x}\right)+\frac{\partial}{\partial z}\left(h^3\frac{\partial p}{\partial z}\right)=6\eta U\frac{\partial h}{\partial x},$$

де \(h\) - товщина плівки, \(\eta\) - динамічна в’язкість, \(U\) - швидкість поверхні. Інтегрування тиску по площі має дати реакцію, рівну зовнішньому навантаженню.

Зазор і мінімальна товщина плівки

Радіальний зазор \(c=R-r\), ексцентриситет \(e\), відносний ексцентриситет \(\varepsilon=e/c\). Мінімальна товщина:

$$h_{min}=c-e=c(1-\varepsilon).$$

Для оцінки розділення поверхонь використовують параметр плівки:

$$\lambda=\frac{h_{min}}{\sqrt{R_{q1}^2+R_{q2}^2}}.$$

Мале \(\lambda\) означає змішаний або граничний режим; достатньо велике - повноплівкове змащування.

Число Зоммерфельда

Режим радіального підшипника характеризують безрозмірним параметром:

$$S=\frac{\eta\omega}{p}\left(\frac{r}{c}\right)^2.$$

Зі збільшенням в’язкості та швидкості несуча плівка формується легше; зі збільшенням навантаження й зазору - складніше. За \(S\) та відношенням \(\ell/d\) визначають ексцентриситет, коефіцієнт тертя й витрату мастила.

Тертя і тепловий баланс

Потужність тертя:

$$P_f=fFv.$$

В усталеному режимі тепло має відводитися корпусом і мастилом:

$$P_f=Q_m\rho c_p\Delta T+k_tA\Delta T_s.$$

Зі зростанням температури в’язкість зменшується, що змінює товщину плівки. Тому гідродинамічний і тепловий розрахунки взаємопов’язані.

Матеріали вкладишів

Застосовують бронзи, бабіти, антифрикційні чавуни, спечені пористі матеріали, полімери та багатошарові композиції. Матеріал має поєднувати зносостійкість, припрацьовуваність, здатність утримувати мастило, теплопровідність і стійкість до заїдання.

Типові пошкодження

• задир і заїдання через руйнування плівки;
• абразивне спрацювання від забруднення;
• втомне викришування антифрикційного шару;
• перегрів і окиснення мастила;
• кавітаційна ерозія;
• крайове навантаження від перекосу вала.

Послідовність розрахунку

1. Задати \(F\), \(d\), \(n\), режим і температуру.
2. Призначити \(\ell/d\), зазор, матеріал і мастило.
3. Перевірити \(p\), \(v\) та \(pv\).
4. Визначити \(S\), ексцентриситет і \(h_{min}\).
5. Перевірити тертя, витрату мастила й тепловий баланс.
6. Узгодити канавки, підведення мастила, корпус і ущільнення.