Реферат: Материалы и расчетные характеристики подшипников качения для условия сухого трения

--PAGE_BREAK--5.3 Расчет по критерию теплостойкости.

Нормальный тепловой режим при установившейся работе подшипника обеспечивает стабильность физико-механических свойств материалов пары трения геометрических размеров подшипника и является основным фактором надежности, долговечности и необходимого срока службы.

Количество выделившегося при работе подшипника тепла находится по формуле

Q1 = F·v/427

где F— сила трения, кгс; v — скорость скольжения шейки, м/с; 1/427 — тепловой эквивалент механической энергии, ккал/(кгс-м).  

Q1 = (l·df/427)pv

Если принять, что коэффициент трения при установившемся движении величина постоянная, то из этого выражения следует

Q1 = C·p·v

где

С = (l·df/427) = const

Из формулы видно, что важным критерием при расчете подшипников сухого трения является критерий теплостойкости — допускаемое значение произведения давления на скорость скольжения [pv], кгс·м/(смІ·с), которое характеризует увеличение температуры вследствие тепловыделения во время трения. При повышенной температуре подшипники допускают меньшие давления и скорости, их срок службы уменьшается.

Следовательно, критерии теплостойкости [pv] определяет долговечность работы подшипника.

Поскольку количество тепла Q1, пропорционально длине подшипника l, то для уточнения выбранной длины l требуется соблюдение условия

pv ≤ [pv].

Значение [pv] получают экспериментально в определенных условиях теплоотвода и при соответствующей им температуре подшипника. Испытания образцов материалов и подшипников производят на машинах трения и специальных стендах со ступенчатым повышением нагрузки при постоянной скорости скольжения. С увеличением нагрузки наступает такой момент, когда не могут быть получены устойчивые значения температуры в зоне контакта или коэффициента трения при продолжении эксперимента или наблюдаются признаки катастрофического изнашивания. Максимальное давление, умноженное на скорость скольжения, принятую в данном эксперименте, соответствует допускаемой величине критерия теплостойкости [pv], в связи с чем эта формула действительна только при соблюдении, подобных условий теплоотвода для проектируемого подшипника. Значение [pv] для каждого материала обычно приводится в виде справочных данных для расчета. При расчете подшипника, используя некоторые соотношения, корректируют размеры подшипника I и d в указанных пределах l/d, оптимальные значения которых определены из практики эксплуатации. Если оптимальные соотношения l/d не выполнены для выбранного материала подшипника, материал подшипника подбирается заново и расчет повторяется.

Есть метод расчета срока службы Т подшипника с использованием критерия [pv] и эмпирических коэффициентов. Этот метод расчета основан на использовании результатов испытаний подшипников сухого трения па износ в стендовых условиях максимально приближенных к производственным испытаниям. На основании проведенных испытаний устанавливают эмпирическую связь между долговечностью подшипника до выхода из строя и величиной допустимого значения коэффициента [pv].

Эмпирические формулы для расчета долговечности (ч) металлофторопластовых подшипников, изготовленных из спеченной ленты, в зависимости от условий работы в режиме сухого трения имеют следующий вид: 

в условиях колебательного движения

T = A / [pv]2

, где A — эмпирический коэффициент (А = 2000 для упорных шайб и тяжело нагруженных радиальных подшипников А = 5000 для небольших мало нагруженных радиальных подшипников); [pv] = 1,4 — 2,2 кгс-м/(см2с) (меньшие качения для тяжело нагруженных подшипников); в условиях вращательного движения

Т = 250/(pv),

где pv > 2,86 кгс·м/(см2·с) для давлений р = 0,84 ч 22,4 кгс/см2 и скоростей скольжения 0,2-2,5 м/с; на более легких режимах при pv ≤ 2,07 кгс·м/(см2·с)

в условиях вращающейся относительно подшипника нагрузки при pv > 3,2 кгс·м/(см2·с)

T = (5/ pv)8 

при pv < 3,2 кгс·м/ (см2·с)

T = (4,5/ pv)16

А. Д. Мошковым выведены эмпирические формулы для. расчета пористых подшипников из материала на основе железа при их работе без подвода смазывающего вещества извне, но с пропиткой маслом индустриальное 20 в диапазоне скоростей скольжения 0,5—3,0 м/с. Расчет произведен исходя из установившегося режима работы (теплового баланса) с учетом температуры подшипника, не превышающей 60—70 °С, и допустимого коэффициента [pv], равного 7,0 кгс·м/(см2·с). Для отношения l/d = 1 (диаметр подшипников составлял 25—50 мм) допустимое давление на вкладыш вычисляется по формуле

[р] = 3,67d0,165 v-0,962

где d — внутренний диаметр вкладыша, мм; v — скорость скольжения, м/с.

Внутренний диаметр вкладыша

d = 0,38· 10-3 p6,06 v5,83

где р — давление на вкладыш, кгс/см2.

Коэффициент трения определяется из формулы

f = 6-1 d-0,485 v0,376

В большинстве случаев условия отвода тепла для проектируемого подшипника отличаются от условий, имевшихся при проведении эксперимента. Кроме того, может быть неизвестно, при какой температуре подшипника величина [pv] была получена. Поэтому необходимо произвести дополнительный тепловой расчет проектируемого подшипника, поскольку температура его трущейся поверхности определяется соотношением выделенного и отведенного тепла.

5.4. Расчет теплового баланса подшипника.

Тепло, выделившей и в подшипнике без смазки, может быть отведено во внешнюю среду через корпус подшипника и вал в случае, если материалы вала и подшипника обладают высокой теплопроводностью. Поскольку теплоотвод через корпус подшипника значительно выше, чем через вал, то в расчете ограничиваются вычислением теплоотвода через корпус. Такой же расчет производят, когда шейка вала выполнена из материала с низкой теплопроводностью. Если же вкладыш подшипника толстостенный и выполнен из материала, плохо проводящего тепло, то отводимое тепло рассчитывают через вал.

Количество тепла, отводимое через корпус подшипника, в общем виде находят по формуле:

Q2 = k(tп — tв)F',

где k — коэффициент теплопередачи, ккал/(м2·ч·°С); tn — температура рабочей зоны подшипника, °С; tв — температура окружающей среды, °С; F' — наружная теплоотдающая поверхность корпуса подшипника, м2.

Коэффициент теплопередачи может быть определен так:

<img width=«103» height=«78» src=«ref-1_807355096-541.coolpic» v:shapes="_x0000_s1028">


где δi — толщина слоя материала подшипника, м; λi —коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности подшипника в окружающую среду, ккал/(м2·ч·°С).

Для подшипников с металлическими вкладышами величина

<img width=«47» height=«78» src=«ref-1_807355637-442.coolpic» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1029">

пренебрежимо мала по сравнению 1/αв, поэтому можно принимать k = αв. При охлаждении корпуса подшипника воздухом для необдуваемых подшипников, к = 8 ч 14 ккал/(м2·ч·°С), меньшие значения относятся к подшипникам с затрудненным теплоотводом, а для обдуваемых — к = 14 √vв, vв —скорость воздуха, м/с.

<img width=«156» height=«48» src=«ref-1_807356079-377.coolpic» v:shapes="_x0000_s1030">
При установившемся режиме Q1 = Q2 температура в рабочей зоне подшипника будет

<img width=«199» height=«48» src=«ref-1_807356456-455.coolpic» v:shapes="_x0000_s1031">
При отводе тепла из рабочей зоны подшипника через вал температура в рабочей зоне подшипника будет

где G и F' — масса (кг) и площадь поверхности (м2) той части длины вала, которая расположена по обе стороны от подшипника и равна (3 ч 4) d; с— теплоемкость материала вала [для стали принимают 0,12 ккал/(кг·°С)]; k —коэффициент теплопередачи к воздуху [принимают в пределах 8—12 ккал/(м·ч· С) в зависимости от подвижности воздуха]; Т1, — общее время работы подшипника в течение смены (с перерывами), ч; Т — время работы подшипника, ч.

Температуру tп (°С) сравнивают с предельно допустимой температурой [t] для выбранного материала так, чтобы выдерживалось соотношение 

tп ≤ [t]

Если это условие не соблюдается, то необходимо усилить теплоотвод от подшипникового узла путем увеличения теплоотдающей поверхности или применения искусственного охлаждения, например водой.

Значения допускаемых величин [р], [v], [рv] н [t] для различных подшипниковых материалов при сухом трении приведены в таблице.

Допускаемый режим работы и области применения подшипниковых материалов при сухом трении.



Материал

[p]

кгс/см3

[v],

м/с

[pv]

кгс·м/

(см2·с)

[t], °С

Область применения

Графит

Графит, пропитанный металлами

Графит, пропитанный смолами

Углепластик



3 — 5

5 — 10

10 – 35

–

1,5

2,5 – 3

1.5

1,5 — 2

10

15

–

–

400

200-300

140

200

Подшипники центробежных

и ротационных газодувных машин, дымососов, электрошпинделей, а также подшипники механизмов, работающих в среде агрессивных жидкостей и газов при высоких температурах без вибрационных и ударных

нагрузок.

Полиамидные смолы

30

0,2

1-1,5

75

Втулки, ролики ленточных транспортеров, вкладыши редукторов, подшипники сельскохозяйственных, швейных, текстильных

и бытовых машин

Полиамидные покрытия с наполнителями

50-70

0,5

1.5

140

































Фенолформальдегидная смола, армированная волокнами и с

Наполнителями

5,0

1,0

10

40 — 80

Подшипники дорожных и сельскохозяйственных машин в условиях жаркого климата и запыленности, дендвудные подшипники судов, подшипники для химического оборудования и прокатных станов





























Фторопласт

5—7

0.5

0,4—0 6

120

Подшипники насосов, аппаратов с перемешивающими устройствами в среде агрессивных жидкостей и газов, подшипники для приборов, оборудования для криогенных жидкостей, медицинской техники,

текстильных машин.

Фторопласт с наполнителем

10—25

1,0

2—4

120

Фторопластовая облицовка (ткань) при вклеивании

50

1,0

3 — 5

От -25

до +135














































Металлокерамика, пропитанная фторопластом

100-300

5

1,5 — 2

От -200

До +200

Подшипники автомобильных подвесок и систем управления, сельскохозяйственных и текстильных машин, бытовых приборов, электродвигателей, в узлах

трения вертолетов и самолетов.























Металлокерамика, пропитанная маслом

180-250

4-6

7-10

70—80

















Металлокерамика на стальной основе (металлофторопластовая лента)

100-300

5

4

От-200

до +280































Металлокерамические твердые сплавы

300

15

10—15

300

Подшипники погружных герметических насосов, реакторов и других механизмов химического оборудования









Минералокерамика

5

2

10

500

Карбидокремниевые композиции

60

15



400

Прессованная древесина, пропитанная маслом

30

1

25

80

Втулки, вкладыши, подпятники для сельскохозяйственных машин и оборудования пищевых производств, бегунки транспортеров, дейдвудные подшипники

судов, подшипники лебедок

Прессованная древесина, непропитанная

25

0,5

12

50



















































Твердые смазочные покрытия на металле

До предела текучести металла

2,5

0,5 — 3

250—300

Подшипники для приборов бытовой и вакуумной техники и др.



    продолжение
--PAGE_BREAK--