7. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПОР
Основное назначение опоры — поддерживать ось в определенном положении. Опоры применяют в исполнительных устройствах, следящих приводах, измерительных и других устройствах систем управления в качестве элементов собственно исполнительного двигателя или некоторой механической передачи. Технические требования, предъявляемые к опорам, определяются условиями работы устройства. Так, в машиностроении опоры воспринимают большие нагрузки, поэтому они должны быть прочными и износостойкими.
Опоры в приборостроении, например в измерительных устройствах, должны иметь минимальный момент трения для обеспечения точности измерения. Такие опоры должны быть устойчивыми к тряске и вибрации, хорошо работать в агрессивных средствах, при высоких и низких температурах, в вакууме и т. д.
В зависимости от способа перемещения подвижного элемента относительно неподвижного и от вида трения опоры бывают: скольжения, качения, на упругих элементах, жидкостные или газовые, магнитные.
Опоры скольжения и качения имеют специфическую нелинейную характеристику, связывающую линейную или угловую скорость перемещения подвижного элемента опоры относительно неподвижного. Эта в общем случае нестационарная нелинейность приводит к нелинейным связям через механическую нагрузку, которые оказывают существенное влияние на статические и динамические характеристики устройства или системы в целом.
Опоры скольжения широко используются во всех областях техники для тяжелонагруженных быстроходных валов и для особолегких малонагруженных медленно вращающихся осей, в условиях вибрации, в агрессивных средах и для обеспечения очень точного напряжения вращения. Они надежны и долговечны, бесшумны, просты и компактны. Основными их недостатками являются износ и значительный момент сопротивления из-за сухого трения. Применяются цилиндрические, торцовые, конические, шаровые и опоры на кернах.
Некоторые типы конструкций и расчетные формулы приведены в табл. XV.4.
Опоры качения. Различают опоры на ножах, шариковые и роликовые подшипники. Первые являются опорами наиболее чистого качения, но они не могут работать в условиях вибрации и при больших углах отклонения. В шариковых опорах нельзя полностью исключить проскальзывание, поэтому они имеют значительно больший момент трения.
Шариковые опоры могут быть стандартными и нестандартными. К последним относятся насыпные, прецизионные и скоростные подшипники. По характеру воспринимаемой нагрузки стандартные шарикоподшипники делятся на радиальные, радиально-упорные и упорные.
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
По сравнению с опорами скольжения стандартные шарикоподшипники имеют меньший момент трения, менее требовательны к уходу и смазке. Их недостатки: меньший ресурс работы, менее плавный и более шумный ход, значительно большие габариты в радиальном направлении.
Примеры конструкций и расчеты формулы для опоры качения приведены в табл. XV.4.
Для уменьшения трения в опорах скольжения и качения иногда используют метод принудительного движения подшипника относительно цапфы. В гироскопических устройствах, например, применяются трехколечные шарикоподшипники с принудительным циклическим движением средних колец. Экспериментально установлено, что в опорах скольжения с принудительным движением подшипника момент сухого трения уменьшается в 10—14 раз, а момент трогания — примерно в 20 раз. В опорах качения момент трения уменьшается в 8—9 раз, а момент трогания в 10 раз.
Опоры на упругих элементах применяются в основном для подвижных элементов, измерительных устройств, имеющих колебательное движение. Такая опора представляет собой ленту или проволоку, закрепленную на неподвижном основании, на которой подвешена подвижная часть прибора. В этом случае имеет место только гистерезисное молекулярное трение, возникающее в материалах при изменении напряжения их волокон. Это трение мало по сравнению с другими видами трения. Опоры на упругих элементах удовлетворительно работают в условиях вибрации, но имеют невысокую точность направления, чувствительны к температурным изменениям.
Известны следующие типы опор на упругих элементах: ленточный шарнир, перекрестный шарнир, двухленточный шарнир, двойной двухленточный шарнир, трехленточный шарнир, уголковый шарнир, торсионы, подвесы и растяжки.
Примеры конструкций и расчетные формулы для опор на упругих элементах приведены в табл. XV.4.
Жидкостные и газовые опоры. В таких опорах цапфа, или заменяющая ее деталь, поддерживается за счет подвода к опорному узлу жидкости или газа под давлением. При этом трение скольжения полностью заменено вязким трением в слое жидкости или газа. Момент сопротивления от вязкого трения значительно меньше момента трения скольжения (или сухого трения). Момент трогания почти не отличается от момента сопротивления при движении.
Жидкостные опоры почти не нагреваются и не изнашиваются, они долговечны и обладают большой несущей способностью, хорошими амортизационными свойствами, могут работать при различных скоростях.
Основные недостатки: необходимость точной обработки цапф и втулок увеличивает их стоимость; наличие специальных устройств для обеспечения подвода жидкости или газа.
Для газовых опор рабочим телом является воздух или водород, для жидкостных опор — керосин или ртуть.
В зависимости от угловой скорости вращения вала различают медленно вращающиеся и высокоскоростные опоры, а по форме цапф — сферические, конические, цилиндрические, плоские, специальные.
Жидкостные опоры широко применяются в станках, дробилках руды, газовые опоры — в гироскопии.
Некоторые параметры конструкций и расчетные формулы приведены в табл. XV.4.
Магнитные опоры. В таких опорах для поддерживания вращающихся деталей используется взаимодействие магнитных полей постоянных магнитов или электромагнитов. Магнитные опоры подразделяются на опоры с силами притяжения и с силами отталкивания. Для центрирования используют цапфы малого диаметра, вставленные во втулки из графита, искусственных или естественных минералов, или растяжки.
Магнитные опоры имеют малые моменты сопротивления, они просты в эксплуатации, не требуют смазки, долговечны, могут работать в условиях вибрации, в вакууме, во влажной среде. Недостатки: сложность изготовления и сборки, высокая стоимость.
Магнитные опоры применяются в измерительных устройствах. В приборах с малой массой подвижного элемента, например в поплавковых гироскопах, в качестве магнитной опоры можно использовать индуктивные датчики (датчики углов или моментов).
Примеры конструкций и расчетные формулы приведены в табл. XV.4.
