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 обеспечиваться подачей охлаждающей воды, холодного смазочного вещества, циркуляцией рабочей жидкости, тепловой изоляцией и т. п.

Материалы для подшипников сухого трения выбираются в зависимости от свойств рабочей среды, ее температуры и давления, от скорости скольжения по валу, от реакции в опоре (нагрузки), от теплоотвода из зоны трения и требующегося 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 металлополнмерные.

Материалы для подшипников рекомендуется выбирать в следующем порядке, производя затем проверочный расчет подшипника по методикам, изложенным в п. 3. В зависимости от назначения и химической стойкости в рабочей среде выбирают для элементов трущейся пары материалы или группы А с коррозионной стойкостью не ниже 4 балла по ГОСТ 13819-68 (скорость коррозии 0,01-0,05 мм/год) или групп Б, В, Г, у которых не более ±3% изменения массы за 1000 ч испытаний в рабочей среде (испытания по ГОСТ 12020-72), учитывая сортамент выпускаемых промышленностью заготовок, размеры которых приведены в справочнике [34].

Не допускаются к применению материалы, которые в рабочей среде подвержены коррозионному растрескиванию, меж-кристаллитной, щелевой и структурной коррозии. Изменение линейных величин образца при испытаниях не должно выводить их за пределы поля допусков, предусмотренного в конструкторской документации, относительное изменение механических свойств при испытаниях в течение 1000 ч не должно выходить за пределы ±10%, растрескивание образцов при испытаниях не допускается. В соответствии с выбранной группой материала выбирают конкретный материал контртела в зависимости от предельных допустимых параметров пары трения.

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 проч*

ностью 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 [52]. Валы из закаленной стали в условиях трения с малыми скоростями скольжения менее подвержены пластическому деформированию и менее склонны к схватыванию, так как для этого нужны большие нагрузки, чем в сталях мягких. Особенно эффективно твердое хромирование [24, 34].

Для валов применяют сталь 45 с HRC 54-62 после термообработки с нагревом т. в. ч., сталь 45Г2 (лучше прокаливается, чем сталь 45). Сталь 50 и 50Г более склонна к трещинооб-разованию от терморастрескивания прн трении, поэтому высокая твердость еще не обеспечивает долговечности. Таким образом, лучше применять сталь 40X{HRC 50-52) и магниевый перлитный чугун ВЧ 50-15 (ЯБ 207-241) с более низкой твердостью. Износостойкость повышается пластической деформацией поверхности трения у аустенитных сталей, азотированием и другими способами [34, 52].

При выборе и применении материалов-заменителей дефицит-" ных металлов и сплавов для изготовления подшипников надлежит руководствоваться действующи.ми положениями, по которым подшипники и подшипниковые узлы в целом, изготовленные из материалов, не содержащих никеля, олова, вольфрама и молибдена, медных сплавов или содержащих их значительно меньше, не должны иметь показатели по качеству, надежности и долговечности ниже, чем у ранее изготавливаемых с большим содержанием этих дефицитных металлов, а себестоимость их не должна превышать существующую. Следовательно, учитывая все эти требования, материал подшипника для конкретных условий работы следует выбирать прежде всего по его коррозионной стойкости в условиях воздей.:твия технологической агрессивной среды, в зависимости от температуры окружающей среды, давления на пару трения, скорости скольжения по сопряженной детали и скорости абразнвосодержащего потока и наличия абразива в рабочей среде, от теплоотвода из зоны трения и требующегося срока службы подшипникового узла. Более подробные рекомендации изложены в отраслевом стандарте ОСТ 2G-01-76-78.

Наиболее просто решается вопрос с выбором материала подшипников, когда имеются опытные данные по их эксплуатации в условиях, близких к заданным. В этом случае используются ранее установленные характеристики и зависимости между нагрузочным режимом и геометрическими соотношениями. Однако пыбор материалов в условиях эксплуатации требует длительного времени и значительных затрат. Поэто.му при новых разработках, не имеющих близких аналогов, материалы пары трения подбн])ают путем проведения специальных экспериментов

(с учетом конкретной конструкции, окружающей среды, частоты вращения, нагрузки и других условий) в три этапа: лабораторных, стендовых и эксплуатационных.

Лабораторные испытания проводятся на машинах трения в условиях, близких эксплуатационным по температурам, давлениям, скорости скольжения, смазыванию (или без смазки), на образцах материалов с физико-механическими свойствами и рельефом поверхности трения такими же, как в реальных подшипниковых узлах. В результате лабораторных испытаний определяется коэффициент трения и скорость изнашивания материалов пары трения, их склонность к заеданию и схватыванию с целью выбора оптимальной пары трения, обладающей лучшими антифрикционными свойствами из ряда предложенных материалов. Методики проведения лабораторных испытаний разрабатываются применительно к каждой машине трения, имеющей конструктивные особенности и свою схему испытания образцов. Общими положениями для этих методик являются такие как тщательная очистка и обезжиривание образцов перед испытаниями и определение коэффициента трения и скорости изнашивания, которое производится при установившемся режиме, исключая приработку, не менее трех раз через равные промежутки времени.

Стендовые испытания проводятся на экспериментальных стендах в условиях, имитирующих эксплуатационные (чаще всего на рабочих средах - имитаторах), с целью определения работоспособности материалов в реальной конструкции подшипникового узла. При стендовых испытаниях определяются изменения во времени геометрических размеров подшипника и вала, температуры в зоне трения, скорости изнашивания трущихся элементов. Полученные результаты позволяют произвести предварительный расчет срока службы подшипникового узла. Температура в зоне трения измеряется на расстоянии не более 2 мм от поверхности трения.

Эксплуатационные испытания подшипниковых узлов проводятся в промышленных условиях на действующем оборудовании с целью определения ресурса их работы, составления графика необходимых ремонтов и расчета потребности в запасных деталях. Эксплуатационные испытания продолясаются в течение времени, необходимого для установления ресурса работы подшипников и максимально допустимой величины износа. При отсутствии заметного износа в течение длительного времени промышленные испытания ограничиваются временем, необходимым для получения скорости изнашивания, равной или меньше допустимого значения.

Ресурс работы подшипника определяется из формулы

где h - максимально допустимая величина износа нодшипника, устанавливаемая при конструировании машины, мм; и - скорость изнашивания при промышленных испытаниях, мм/ч.

3. 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 в п. 2. Затем определяют геометрические размеры подшипника: длину подшипника /, 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

/ = я,¥А1/(600ру). (15)

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

При выборе длины / необходимо учитывать, что при ее 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 кор-. ректируется. В настоящее время предложено несколько методов расчета подшипников сухого трения, изложенных ниже.

Расчет по критерию прочности. Этот расчет заключается в обеспечении необходимой прочности подшипника, материал ко-, торого подвергается объемному сжатию под действием нагрузки. К таким материалам относятся, например, пластмассы.

За критерий прочности или несущую способность подшипника принимают среднее давление

P = W5, (16)

где S - расчетная площадь контакта, условно принимаемая равной площади проекции подшипника, см,

S = ld. (17)

Подставляя (17) в (16), имеем

P = NI{ld),

(18)

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. Пример расчета пластмассовых подшипников приведен в литературе [70].

Для подшипников сухого трения с твердосмазочными покрытиями Ю. Н. Дроздовым и С. Л. Гафнером [25] получена формула для определения среднего давления с учетом действительной протяженности контактной зоны подшипника и вала

где фо - средний полуугол контакта, ...

Фо==(Фо+Фо)/2. (20)

где фо-начальный полуугол контакта, определяемый по начальным геометрическим размерам подшипника; фо-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

о=о,зи{[±(-):,(;--)ч.

где pi, \i2 - коэффициенты Пуассона для подшипника и вала соответственно; е - радиальный зазор (назначается по ходовой посадке 2-го класса точности);

= £,/£2. (22)

где Е\, Е2 - модули упругости для подшипника и вала соответственно; k - показатель степени определяется по следующим формулам:

При 10 > г!) > 0,1

= miHi+т2Ц2 + «о. (23)

где mi = 0,08 -0,05 Ig г]); Ша = 0,20-f 0,211g г]); /Iq -коэффициент, определяемый по графику (рис. 2);

при \) > 10 при \) < 0,1

/5 = 0,4112 + 0,448; А; = 0,16ц,+ 0,554.

0,52

0,48

(21)

Критерий прочности (кгс/см2) определяется зависимостью

Р<[р], (24)

где [р] - предельно допускаемое давление для выбранного материала подшипника.

Величина предельно допускаемого давления для каждого материала определяется экспериментально и характеризует начало катастрофического разру- г,„ шения, сопровождающегося интенсивным износом при принятой постоянной скорости скольжения. Как показывают испытания с увеличением скорости скольжения предельно допускаемое давление падает в основном из-за повышения температуры в зоне контакта и изменения, вследствие этого, физико-механических свойств материала. Поэтому несущая

способность подшипника ограничивается также предельно допускаемой скоростью скольжения [и]. Несущая способность р = 0, когда скорость скольжения

V > [V]. (25)

Величина [v] для каждого материала также определяется экспериментально и наряду с [р] характеризует его антифрикционные свойства. Для нормальной работы подшипника сухого трения необходимо соблюдение условия

0J 0,2 0,5 10 2,0 5.0 10

Рис. 2. Зависимость коэффициента «о от параметра

(26)