Цапфы и шипы

Цапфы и шипы, части машин, представляющие собой тела вращения, охватываемые подшипниками (смотрите Подшипники) или втулками и образующие с последними вращательную пару. Цапфы и охватывающие их подшипники оказывают давление друг на друга. В зависимости от направления давления на цапфу она носит название собственно цапфы или пяты. В первых давление направлено перпендикулярно к оси цапфы, во вторых—по направлению оси; в соответствии с этим и для частей, охватывающих цапфу, обычно применяют название подшипника или подпятника. Иногда давление на цапфу направлено под углом.

Фигура 1.

к оси ее и дает как составляющую, перпендикулярную к оси, так и параллельную оси; в таком случае название цапфы или пяты применяют в зависимости от направления главной составляющей давления. Цапфы называются шейками, если они расположены не на конце вала, а в какой-либо его части, удаленной от конца. Примеры цапф показаны на фигуре 1 (а—цилиндрич. цапфа, Ь—шаровая цапфа, е—шейка, d—пята, е—гребенчатая пята). Цапфы и пяты бывают исполнены за одно целое с валом или делаются вставными из другого материала, например железные цапфы в деревянных валах. К вставным цапфам применялось преимущественно название шипы.

Расчет цапф. Расчет цапф производится на прочность, на удельное давление между цапфой и подшипником и на удаление теплоты, которая возникает вследствие работы трения. Удельное давление не должно доходить до того предела, при котором происходит выдавливание слоя смазочного материала между цапфой и подшипником

и возникает сухое трение. Температура цапфы и подшипника не должна превосходить известного предела.

Цилиндрическая цапфа (фигура 2,Ь). Обозначения: Р—усилие, передаваемое на цапфу в килограммах, d—диам. цапфы в ем, I—длина цапфы в см, к_ъ—допускаемое напряжение материала цапфы на изгиб в килограммах/см² и к—допустимое удельное давление на опорной поверхности в килограммах/см². Цри равномерном распределении давления по длине цапфы имеем условие прочности на изгиб цапфы:

Р · 0,5. г=одм^з. (1)

Условие предельного давления будет

Р=kid. (2)

Соединение этих ур-ий дает:

т-Утг· ⁽³>

Это отношение берется для цапф валов от 1,5 до 2; для цапф кривошипов берут от

0,9 до 1,3. Величины к_ъ для различных материалов берутся следующие: литая сталь 400— 600 килограмм/см², литое железо 300—500 килограмм/см², чугун 150—250 килограмм/см², стальное литье 250—400 килограмм/см². Величины к (кг/см²) по Баху для различных случаев устройства цапф даны в таблице.

Наименование машин	Цапфы коренных подшипни ков	Цапфы кривоши пов	Цапфы крейц копфов
Двигатели внутрен	1	1
него сгорания. Одноцилиндровые па	от зо	ОТ 90	ДО 150
ровые машины. Многоцилиндр. пар.	20	70	90
маш.	16	60	80
Насосы. Компрессоры и воз	10	45	60
духодувки.	14	50	60

В паровозах берут к до 150 килограмм/см² для цапф кривошипов и до 350 килограмм/см² для крейцкопфных пальцев. Гарбе дает для цапф кривошипов значения 115—170 килограмм/см², а для крейцкопфных цапф—310—387 килограмм/см². Для наружных подшипников паровых машин рекомендуется брать значения коэфииента к значительно меньшие, чем для коренных подшипников, а в тех случаях, где усилия действуют с перерывами (например в дыропробивных прессах),— бблыние, чем в непрырывном действии.

Мощность трения А в килограммахм[ск м. б. выражена следующей ф-лой

А=Ρμν₉ (4)

где V—окружная скорость на поверхности цапфы в м/ск, а μ—коэф. трения.

Мощность трения, приходящаяся на единицу площади сечения цапфы А₂ в килограммахм/см“ ск, будет

^ “ Id — Id ⁹ { ^}

где I и d выражены в см. Имеем

dnn

V =-,

• 6 000 ⁷где d в см. Поэтому будет А=^ρν^{πη z} 6 ооо Г

Эта мощность не должна превышать известного предела; следовательно

Ρμπη

6 0001 ^ ’

или

Ρμπη

Полагая

6000А

μπ

-=W,

6 000 Λ

получим

(6)

Это уравнение при соответственном выборе величины гг является третьим условием для расчета цапф.

Имеем еще зависимость

^ Л W

μ ^ 6 000 1 910 -

Эта зависимость дает связь между величиной произведения kv и величиной гг. Величина гг колеблется в очень широких пределах в зависимости от характера работы машины, конструкции и исполнения цапф. Бах дает следующие средние значения для гг и kv: 1) Цапфы кривошипов паровых машин: нормально /сг=35-р40, гг ^ 70 000; наибольшее значение kv=50, гт=95 000. 2) Цапфы коренных валов без охлаждения воздухом: Тег=8, гг=15 000; при применении белого металла и тщательной конструкции допускают kv=21 гг =40 000. 3) Для выносного подшипника берут kv=15, w =28 000; при искусственном охлаждении допускаются большие значения. 4) В двигателях внутреннего сгорания берут (по Гюльднеру): для вкладышей красного литья kv — 25, w== 48 000; для вкладышей бронзовых &г<28, гг=53 000; для вкладышей с заливкой из белого металла kv 30, гг=57 000; для цапф коренного вала kv < 15, гг=29 000. У машин с большим числом оборотов автомобильных и авиационных двигателей (Клименко [⁶]), паровых турбин (Цитеман [⁷]) берут kv до 150 и даже до 200; гг=286 000 (при этом предполагается непрерывное охлаждение циркулирующим маслом). Также велики значения kv и гг для ж.-д. механизмов; для ж.-д. вагонов kv до 100; гг до 190 000; для паровозов гг до 250 000. Последовательность расчета цапф следующая: по ур-ию (3) при выбранных значениях k_b и к находят значение ^. Затем по уравнению (2) определяют величину диаметра d и по найденному раньше значению находят величину I. Эту величину проверяют затем по ур-ию (6) при выбранном значении гг. Если проверка даст неудовлетворительный результат, то задаются величиной I по ур-ию (6) и находят d по ур-ию (1). Для полых цапф (Й—

внешний диам., d_x—внутренний; четные ф-лы принимают вид:

pi n(dt-d )

Т ⁼ —32 d

7„

16 k ^Kt>

d_x^ad) рас-

(8.)

(9)

Шаровая цапфа. Размеры шаровой цапфы (фигура 2,а), соответствующей цилиндрической, показанной на фигуре 2,Ь, определяются следующими соотношениями:

^а — 45°; В=1,4 d d_x=0,63 Π; h=0,5 D; b=0,7 D,

где d—эквивалентный диам. цилиндрич. цапфы. Расчеты на прочность ведутся для наименьшего диаметра шейки. Назвав этот диам. d_x, получим

М^Р^кгсм) k_b=^; W=0,1 d см³;

к_ъ берется для литой стали до 650 килограмм/см² (Р— полное давление на цапфу). Условие удаления тепла дает

где гг можно принимать по Баху равным 30 000 и выше, смотря по достоинству выполнения цапфы. Шаровые цапфы являются формами не конструктивными и не м. б. применяемы при значительных нагрузках.

Шейки имеют обыкновенно диам. меньше, чем вал (фигура За), но иногда они берутся одинакового диаметра (фигура 36). Расчет шейки на

Фигура За.

прочность производится, как и других частей вала (смотрите Вал), на кручение и изгиб по сложному моменту.

Конические цапфы в виду малой конусности м. б. рассчитываемы как цилиндрические, относя нагрузку к среднему диаметру [²].

Вставные цапфы. В случае, если цапфа делается из другого материала, чем вал, ее приходится делать вставной; также вставными делаются цапфы. кривошипа. Расчет хвостовых вставных цапф—см. [²].

Цапфы кривошипов делают стальными. Укрепление цапф кривошипа см. Коленчатые валы, фигура 2. Цапфа, соединенная с контркривошипом, см. Паровоз, фигура 125. Расчет цапф кривошипа производится на изгиб по ф-лам

^Мь=РТ’

W=0,1 d³ см³,

h=w «г/с-и².

где Р—нагрузка на цапфу, %—длина цапфы, d—диаметр цапфы. Допустимое напряжение на изгиб к_ъ берут 500—700 ш]см². Давление на единицу площади цапфы к=берется в пределах, указанных выше. Для предупреждения нагревания цапф исходят из величин к и гг, указанных выше.

Пяты. Для плоской кольцевой пяты получается выражение для среднего давления:

JCn —

1Р

n{d*-diy

кг/ом²,

где Р—нагрузка на пяту, d—внешний диам. пяты, d_x—внутренний диам. пяты. Для выяснения возможности удаления тепла пользуются величиной произведения &₀г>₀, причем принимают [²] ·

b> /Q1 —— _fl_.

^K°^v° 3ooo(cf—d_x) ’

где

do ί d + d

V₀=ω ~ И d₀=——A

Для величины k₀ даются следующие значения [²] в килограммах/см²:

Сталь на бронзе..50—75

Сталь по стали..до 100

Железо по бронзе..30—40

» » чугуну..20—25

» » бакауту..20—25

Значения 7ΐ₀ν₀ по тому же источнику в килограммахм!см²ск:

Среднего размера пяты. до 20

При хорошей смазке. 40—80

В специальных конструкциях. до 150 Гребенчатые опоры пароходных валов.. 5—10

Гребенчатые пяты применяются в тех случаях, когда вдоль вала передается значительное усилие, так что размеры простой пяты оказались бы слишком значительными. В этом случае на валу образуют ряд кольцевых выступов, каждый из которых упирается в соответствующую часть подпятника. Назовем внешний диам. кольца d, диам. впадины—d₀, ширину кольца—δ; размеры их определяются следующими соотношениями:

d=(l,2-M,6)d₀, δ=(0,1 -Г 0,19) d.

При числе колец z и действующем вдоль вала усилии Р получим для сопротивления на выжимание смазки

Ρ=ζπ

d²~dp

2ο·.

Величину q₀ принимают равной при малом числе оборотов 10—20 килограмм)см², при большом числе оборотов 3—10 килограмм/см². При значительном числе оборотов размеры гребенчатой пяты проверяются на отвод тепла. Последний является затрудненным, почему приходится прибегать к воздушному или водяному охлаждению. Гребенчатые пяты судовых машин—см. [⁵]. Пяты и подшипники Митчеля—см. Турбины паровые, см. также Пята.

Лит.: !)Б ах К., Детали машин, пер. с нем., т. 2, стр. 3—64, Л.—М., 1930; ²)Б обарыков И., Детали машин, ч. 1—2, М.—Л., 1926—27; ^Конструирование и расчеты (пер. с нем. Н. Haeder, Konstruieren u. Rechnen), т. 2, Л., 1929; ⁴)Г юльднерГ., Двигатели внутреннего сгорания, пер. с нем., М., 1928; &)Б а у э р Б., Судовые паровые машины, М.—Л., 1932; е)К л и м е н к о Л., Проектирование быстроходных двигателей, Л., 1930; ⁷)Ц и т е м а н, Паровые турбины, Л., 1933; ⁸) Н ut t е, Справочная книга для инженеров, 25 изд., Берлин, 1926;») Rotscher F., Die Maschinenelemente, В. 1—2, В., 1927—28. А. Радциг.