Технічна характеристика установки

Лабораторна робота ДМ-6

Вивчення конструкції підшипників ковзання і дослідження їх роботи

Мета роботи. Вивчення конструкції підшипників ковзання і дослідження залежності коефіцієнту тертя від величини навантаження і швидкості обертання валу.

Теоретичні відомості

Підшипники ковзання – це опори деталей, які обертаються та працюють в умовах відносного ковзання поверхонь цапфи (частина вала, яка спирається на підшипник) і підшипника, які розділені шаром мастила.

В останній час в машинобудуванні підшипники ковзання при можливості заміняються підшипниками кочення. Однак в ряді конструкцій машин і механізмів підшипники ковзання замінити неможливо або нераціонально. Це опори колінчастих валів, валів які працюють з ударними та вібраційними навантаженнями, великими швидкостями (V > 30 м/c), в агресивних середовищах, у воді, валів великого діаметру, а також валів, які потребують особливо точного напрямку і точної роботи (шпинделі верстатів).

В залежності від напрямку навантаження підшипники ковзання поділяють на радіальні (рис.6-1; 6-2; 6-3), радіально-упорні (рис.6-5), упорні, які називаються підп’ятниками (рис.6-4).

В найпростішому вигляді підшипник ковзання являє собою втулку 1 (вкладиш) (рис.6-2) вмонтовану в станину (раму) 4 машини, або тільки отвір в станині.

Підшипники ковзання поділяються на рознімні (рис.6-1) та не рознімні (рис.6-2; 6-3; 6-5).

Нероз’ємні підшипники застосовуються при малій швидкості ковзання з перервами в роботі (шарніри важелів керування машинами і ін.).

Рознімні підшипники складаються з основи корпуса 1 (рис.6-1), кришки корпуса 2, нижнього 3 і верхнього 4 вкладишів, мастильних 5 та захисних пристроїв, набору прокладок 6 між кришкою і корпусом. Ці підшипники полегшують монтаж валів, допускають регулювання зазорів зближенням кришки і корпуса за рахунок зменшення товщини прокладок, застосовуються у важкому машинобудуванні, в двигунах внутрішнього згоряння, компресорах, насосах і ін.

При великій довжині цапф застосовують самоустановні підшипники (рис.6-3).

Вкладиші підшипників виготовляють із бронзи, чавуну, пластмаси, гуми, деревини, бабіту, металокераміки.

Вкладиші із бабітів і свинцевих бронз виготовляють біметалічними. В них тонкий антифрикційний шар наплавляють на стальну, чавунну або бронзову основу.


Рис. 6-1. Підшипник з рознімним корпусом і вкладишем	Рис.6-2. Нероз’ємний підшипник: 1-втулка; 2-мастильна канавка;3-стопорний гвинт; 4-станина машини

Вкладиші із олов’яних, кремнієвих і інших бронз виконують найчастіше суцільними, однорідними.

Бронзові вкладиші мають високу міцність, жорсткість, добре працюють при ударах, але погано припрацьовуються.


Рис. 6-3. Самоустановний підшипник (1 – бабітова заливка)	Рис. 6-4. Підп’ятник	Рис. 6-5. Радіально-упорний підшипник

Вкладиші із бабітовою заливкою добре припрацьовуються, стійкі проти заїдання, спрацьовування цапф приних мінімальне. Металокерамічні вкладиші, які виготовляють із порошків заліза або бронзи з добавками графіту шляхом пресування і спікання при високій температурі (до І200°С), мають велику пористість (до 40%), тому гарно пропитуються мастилом. Пластмасові вкладиші виготовляють із деревошарових пластиків (ДШП), текстоліту, поліамідів, фторопластів і ін. Ці вкладиші добре припрацьовуються, змащуються водою і іншими рідинами, не допускають заїдання вала. Вкладиші підшипників, що працюють у воді, виконують із гуми і твердих порід деревини.

Робочі поверхні цапфи валу або осі і підшипника ковзання в процесі роботи знаходяться в умовах відносного ковзання. Сили тертя, які виникають при цьому, приводять до зношення поверхонь цапфи і підшипника, а також викликають допоміжні втрати потужності в механізмі (знижують к.к.д.). Зменшення зносу і втрат забезпечується раціональним вибором матеріалів, відповідних розмірів деталей пари тертя, забезпеченням достатнього змащення робочих поверхонь. Мастило повинно бути маслянистим і в’язким. Маслянистість – це здатність мастила утворювати на поверхні тертя стійкі абсорбовані плівки. В’язкість – властивість шарів мастила чинити опір відносному зрушенню.

В усіх гідродинамічних розрахунках змащення використовують динамічну в’язкість (Па.с). У технічних характеристиках мастила, які наведені в стандартах, вказується кінематична в’язкість v (м²/с).

Для підшипників ковзання частіше застосовують мастила нафтового походження, використовують також синтетичні мастила, яким властива висока термостійкість. Чим менше залежність в’язкості мастила від температури, тим більше сталий режим роботи у вузлах тертя.

У підшипниках ковзання розрізняють таки види тертя: напівсухе, напіврідинне і рідинне, які переходять послідовно одне в інше в міру зростання кутової швидкості валу від нуля до відповідної величини.

У період пуску, коли швидкість ковзання мала, велика частина поверхонь вала і підшипника не розділена змащенням і тертя буде напівсухе. При збільшенні швидкості цапфа як би спливає і товщина шару, що змазує, збільшується, але окремі виступи тертьових поверхонь залишаються не розділеними змащенням. Тертя в цьому випадку буде напіврідинне. При подальшому зростанні кутової швидкості і дотриманні визначених умов з'являється суцільний стійкий шар змащення, цілком роз’єднуючи поверхні: виникає рідинне тертя.

При рідинному терті робочі поверхні вала і вкладиша розділені шаром мастила, товщина h якого більше суми висот R_z нерівностей поверхонь (на рис 6-6 поділяючий шар мастила зображений товстою чорною лінією)

h>R_z1 + R_z2

(6-1)

При даній умові мастило сприймає зовнішнє навантаження чим запобігає безпосереднє зіткнення робочих поверхонь і їхній знос. Опір руху в цьому випадку виникає тільки від внутрішнього тертя у мастильній рідині. Величина коефіцієнта рідинного тертя знаходиться в межах 0,001…0,005 (ця величина може бути менше коефіцієнта тертя кочення).

При напіврідинному терті умова (6-1) не виконується, у підшипнику буде змішане тертя – одночасно рідинне і сухе. Величина коефіцієнта напіврідинного тертя залежить не тільки від якості мастила, але також і від матеріалу поверхонь тертя. Для розповсюджених антифрикційних матеріалів коефіцієнт напіврідинного тертя коливається від 0,008 до 0,1.

Напіврідинне тертя супроводжується зносом поверхонь тертя.

Для роботи підшипника самим сприятливим режимом є режим рідинного тертя. Утворення режиму рідинного тертя є основним критерієм розрахунку підшипників ковзання. При цьому одночасно забезпечуються критерії працездатності по зносу і заїданню.

Дослідження режиму рідинного тертя в підшипниках засновано на гідродинамічній теорії змащення. Основоположником цієї теорії є Н. П. Петров (1883 р.) Ця теорія базується на рішеннях диференціальних рівнянь гідродинаміки в’язкої рідини, які зв'язують тиск, швидкість і опір в’язкому зрушенню. На рис. 6-7 показані дві пластини А и Б, залиті олією і навантажені силою F. Під дією сили Q пластина А рухається відносно Б зі швидкістю V. Якщо швидкість V мала (рис. 6-7,а), пластина А вичавлює змащення з пластини Б. Поверхні пластин безпосередньо стикаються. При цьому утвориться напіврідинне тертя.

При досить великій швидкості V (рис.6-7,б) пластина А піднімається в масляному шарі і приймає похиле положення, подібно тому, як піднімається глісер або водяні лижі, що ковзають по воді.

а) б)

Рис.6-7.

Між пластинами утворюється звужуючий зазор. В’язке і липке мастило безупинно нагнітається в цей зазор. Протікання мастила через звужуючий зазор супроводжується утворенням тиску р (рис.6-7,б), який врівноважує зовнішнє навантаження F. У цьому випадку рух продовжується в умовах рідинного тертя. Перехід до режиму рідинного тертя відбувається при деякій швидкості, названою критичною V_кр.

Гідродинамічна теорія змащення доводить, що гідродинамічний тиск може розвиватися тільки в звужуючому зазорі, який прийнято називати клиновим. У нашому прикладі початковий клиновий зазор утворюється за допомогою скошеної крайки пластини А.

У радіальних підшипниках клинова форма зазору властива самій конструкції підшипника. Вона утворюється за рахунок зсуву центрів цапфи вала і вкладиша (рис.6-8,а).

При кутовій швидкості ω ≥ω_кр цапфа спливає в мастилі і трохи зміщається убік обертання по траєкторії, зазначеній на рис. 6-8,б. Зі збільшенням кутової швидкості збільшується товщина поділяючого масляного шару h, а центр цапфи зближається з центром вкладиша. При ω → ∞ відстань між центрами е → 0. Повного збігу центрів бути не може, тому що при цьому порушується клинова форма зазору, як одне з умов режиму рідинного тертя.

Дослідження показують, що для підшипників із визначеними геометричними параметрами товщина масляного шару h є функцією характеристики робочого режиму підшипника:

h=Ф(μω/p),

(6-2)

де μω/p — характеристика робочого режиму підшипника; μ — абсолютна в'язкість мастила (опір відносному зрушенню шарів рідини), Па.с; ω = πņ/30 — кутова швидкість цапфи; p=R/ld - умовне навантаження підшипника (R- радіальне навантаження на підшипник).

Товщина масляного шару зростає зі збільшенням в'язкості мастила і кутової швидкості цапфи. Зі збільшенням навантаження товщина масляного шару зменшується. Таким чином, для утворення режиму рідинного тертя необхідно дотримувати наступні основні умови:

1. Між ковзними поверхнями повинний бути зазор клинової форми.

2. Мастило відповідної в'язкості повинне безупинно заповнювати зазор.

3. Швидкість відносного руху поверхонь повинна бути достатньої для того, щоб у масляному шарі створився тиск, здатний зрівноважити зовнішнє навантаження.

Підшипники, що працюють при напіврідинному терті (підшипники грубих тихохідних механізмів, машин з частими пусками і зупинками, несталим режимом навантаження, поганими умовами підведення змащення і ін.) розраховують:

а) по тиску, що допускається у підшипнику

р = R /(ld)≤ [ р ];

(6-3)

б) по добутку тиску на швидкість

pV ≤[ pV ],

(6-4)

де R — радіальне навантаження на підшипник; d — діаметр цапфи (вала); l — довжина підшипника; V —колова швидкість цапфи.

Розрахунок по [ рV ] передбачає попередження інтенсивного зносу, перегріву і заїдання.

Велике значення для нормальної роботи сполучення має величина відношення довжини підшипника l до номінального діаметру цапфи d. Збільшення довжини підшипника приводить до зменшення середнього тиску в ньому. Зменшення відношення l/d нижче деякої межі приводить до посиленого витікання мастила через торці підшипника і до зниження його несучої здатності. Оптимальне значення l/d для більшості підшипників різних машин лежить у межах 0,6…1,0.

Коефіцієнт рідинного тертя визначається по формулі

0,55 ,

(6-5)

де

y=s/d – відносний діаметральний зазор між цапфою і підшипником;

s – діаметральний зазор;

μ – динамічна в’язкість, ;

ω – кутова швидкість;

р – середній тиск, Па;

m = 1,5, якщо l ≤ d, і m = 1,0, якщо l > d.

При визначенні середнього тиску р між цапфою і вкладишем беруть відношення радіального навантаження R опори до площини проекції опорної поверхні на діаметральну площину d х l:

.

(6-6)

При відомому моменті Т_тp або силі F_тр тертя в підшипнику коефіцієнт тертя (експериментальний) визначається по формулі

.

(6-7)

Обладнання

Дослідження проводяться на установці типу ДМ-29М (рис 6-9).

Випробуваний підшипник ковзання являє собою алюмінієву обойму 18 із бронзовим вкладишем 17, установлену консольна на кінці шпинделя 16. Пристрій, що навантажує, включає маховик 9 із гвинтом 11 і різьбову втулку 10 з ковзною шпонкою, динамометр 12, шарнірно зв'язаний з різьбовою втулкою і тягою 14. Вимірювальний пристрій складається з важеля 6 і встановлених на корпусі нерухомого кронштейна 7 з індикатором 5 і хитного кронштейна 3 з вимірювальною пружиною 4 і індикатором 2. Ніжка верхнього індикатора упирається у важіль, а нижнього — у вимірювальну пружину 4, зв'язану з п'ятої важеля.

Хитний кронштейн закріплений на стійці на осі і може повертатися гвинтом 1. Для зрівноважування важеля служить вантаж 15, що переміщається за допомогою різьбі по штанзі, закріпленої з іншої сторони обойми.

Змащення підшипника ковзання здійснюється з бачка 13, розташованого у верхній частині корпусу 8.

На вимірювальній пружині наклеєні тензодатчики опору з виведенням на клеми, розташовані на панелі, що дає можливість вимірювати момент тертя методом электротензометриї. Для цього необхідно додаткове устаткування: тензопідсилювач і вимірювальний прилад.

Для виміру температури підшипника до торця вкладиша 17 приварена термопара, з'єднана з градуйованим міліамперметром 19 або переносним потенціометром 20.

Схема (рис. 6-9) установки для випробування підшипників ковзання:

1 — гвинт; 2, 5 — індикатори; 3 — хитний кронштейн; 4 — вимірювальна пружина; 6-важіль; 7 — кронштейн; 8 — корпус; 9 -маховик; 10 — втулка; 11 — гвинт; 12 — динамометр; 13 — бачок; 14 — тяга; 15 — вантаж 16 — шпиндель; 17 — вкладиш; 18 — обойма; 19 — міліамперметр; 20 — потенціометр

Технічна характеристика установки

1. Підшипник ковзання:

- діаметр d =60мм;

- довжина l =60мм;

- діаметральний зазор s =0,06мм;

- матеріал втулки – бронза Бр.ОЦС-5-5-5;

- твердість шийки вала HRC 30…35.

2. Зусилля навантаження R =0,5…5,0 кН.

3. Кутова швидкість валу , рад/с: 80; 141; 251 при відповідній частоті обертів валу n, об/хв: 760; 1350; 2400.

4. Рекомендовані змащуючи масла – індустріальне И-20A; И-30A; И-40A.

5. Метод виміру навантаження R – за допомогою динамометра типа ДПУ-0,5.

6. Метод виміру моментів – індикаторами годинникового типу або тензодатчиками опору.

7. Живлення від мережі – трьохфазним струмом напругою 380В.

8. Привід – електродвигун АО-12-4 потужністю 0,8 кВт і номінальною частотою обертів 1350 об/хв (кутовою швидкістю -141рад/с ).

Характеристика індустріальних мастил

№ п/п Марка Кінематична в'язкість ν, сСт (мм²/с), при 50⁰С Динамічна в’язкість μ, Густина ρ, кг/м³

И-20A 17...23 0,020

И-30A 28...33 0,024

И-40A 35...45 0,042

Рис.6-10.Тарувальний графік плоскої пружини установки

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з пристроєм і визначити матеріали цапфи і вкладиша підшипника, його номінальні розміри d і l, зазор по діаметру s, частоту обертання шпинделя n, кутову швидкість w, найменування і марку мастила, її динамічну в'язкість m.

2. Визначити середній тиск у підшипнику р для навантаження R =0,5...5 кН з інтервалом 0,5 кН.

3. Підрахувати теоретичний коефіцієнт рідинного тертя f^т ( ф. 6-5) для визначених в п.2 значень р при заданих кутових швидкостях цапфи.

4. Побудувати графік залежності f_р^т від р та w.

5. Навантажити підшипник зусиллям 200Н, переміщая при цьому обойму підшипника вздовж валу.

6. Виставити обойму підшипника з важелем в горизонтальне положення. При цьому зазор між важелем і жорстким упором повинен бути більше 2мм.

7. Підвести маховичком рухомий кронштейн так, щоб вимірювальна пружина зіткнулася з п’ятою важеля.

8. Поставити рухливу шкалу верхнього індикатора на 0 з попереднім натягом у чотири оберти, а рухливу шкалу нижнього індикатора на 0 з попереднім натягом в один оберт.

9. Подати краплями масло в підшипник, ввімкнути електродвигун установки (швидкість обертання шпинделя n =760об/хв). При цьому слід звернути увагу на те, щоб вал обертався проти годинникової стрілки.

10. Провести коректування нульового положення індикаторів за допомогою рухомих шкал.

11. Підсилити навантаження до 500 Н (фіксувати по динамометру) і дати попрацювати установці 3...4 хв. (При обертанні шпинделя проти годинникової стрілки обойма під дією моменту тертя буде повертатися в тому же напрямку, а важіль - надавлювати на пластинчасту пружину, деформацію якої показує нижній індикатор).

12. Розвантажити підшипник до 200Н.

13. Провести коректування нульового положення індикаторів за допомогою рухомих шкал.

14. За допомогою гвинта хитного кронштейна вивести стрілки верхнього індикатора на 0 і записати покази нижнього індикатора. За тарувальним графіком пружини (рис.6-10) визначити силу тертя F_тр у підшипнику.

15. Збільшувати ступінями через 500 Н зусилля навантажень до різкого зростання моменту тертя (але не більш 5000 Н) — підшипник працює в режимі напіврідинного тертя. При цьому на кожній ступіні навантаження за допомогою гвинта хитного кронштейна треба вивести стрілки верхнього індикатора на 0, записати покази нижнього індикатора і за графіком визначити силу тертя в підшипнику. Результати занести до таблиці звіту.

16. Вимкнути електродвигун, встановити наступну швидкість обертання шпинделя, перекидаючи клиновий пас на відповідні канавки шківів. Визначити силу тертя в підшипнику для різних значень кутової швидкості цапфи при заданому середньому тиску р у підшипнику.

17. Визначити коефіцієнт тертя для усіх випадків виміру.

18. Побудувати графіки залежності f^е від р і від w.

19. Порівняти значення розрахункового (теоретичного) й експериментально отриманого коефіцієнтів тертя в умовах рідинного тертя і результати занести до таблиці звіту.

20. Скласти звіт про роботу.

Контрольні запитання

1. Як змінюється зі збільшенням середнього тиску в підшипнику сила тертя?

2. Як змінюється коефіцієнт тертя в підшипнику зі зміною середнього тиску?

3. Як змінюється товщина масляного шару зі збільшенням тиску?

4. Як можна визначити значення f, F_тр і р?

5. Які будова і принцип роботи установки ДМ-29М?

Література

1.С.И.Алаи, П.С.Моргулис, Н.Ф.Суворов. Практикум по машиноведению. –М.: Просвещение, 1979.

2.М.Н.Иванов.Детали машин. –М.: Высшая школа,1984.

Звіт

з лабораторної роботи ДМ – 6

Дослідження підшипника ковзання

Студент________________________Курс__________________Група___________

1. Схема установки

Схема установки

2. Дані установки:

Підшипник ковзання:

- діаметр d =______ мм

- довжина l =______ мм

- діаметральний зазор s = _______ мм

- відносний діаметральний зазор ψ = s/d =_________________

- матеріал вкладиша - __________________________________.

Зусилля навантаження від _____ кН до ______ кН.

Частота обертання валу

n1 =_______ об/хв; n2 = _____ об/хв; n3 = ____ об/хв.

. Кутова швидкість обертання валу

ω1 = ___ рад/с; ω2 = ___ рад/с; ω3= _____ рад/с.

Мастило, яке змащує підшипник:

- марка_____________________________________.

- густина ρ = [кг/м3];

- кінематична в’язкість ν = ____________ [сСт(мм²/с)];

- динамічна в’язкість μ = _____________ (Па×с).

Теоретичне значення коефіцієнту тертя f^т (ф. 6-5)

Навантаження R, кН Тиск p, Па (Н/м²) Теоретичний коефіцієнт тертя f^т при кутовій швидкості ω рад/с (ф. 6-5)

ω1 =80 ω2 =141 ω3 =251

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Результати досліджень

Навантаження R, кН Кутова швидкість ω, рад/с

ω1 =80 ω2 =141 ω3= 251

Покази індикатора , мм Сила тертя F_тр, Н (з тарувального графіка) Коефіцієнт тертя f ^e=F_тр / R Покази індикатора , мм Сила тертя F_тр, Н (з тарувального графіка) Коефіцієнт тертя f ^e=F_тр / R Покази індикатора , мм Сила тертя F_тр, Н (з тарувального графіка) Коефіцієнт тертя f ^e=F_тр / R

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Графік залежності коефіцієнтів тертя теоретичного f^т і експериментального f^е від навантаження R та кутової швидкості ω

f ^т, f ^е

R, кН

Висновки ______________ _____________________________________________________________________

Студент_________________________ Викладач_______________________

“____”__________________200___р. “____”___________________200___р.