Что значит гидродинамический подшипник на кулере. Шпиндельные узлы с гидродинамическими опорами. из пористого материала

В гидродинамическом подшипнике отсутствует прямой контакт между трущимися поверхностями, так как зазор между ними под действием гидродинамических сил заполняется смазывающей жидкостью.

Использование гидродинамического подшипника позволяет заменить трение скольжения на жидкостное трение , и снизить потери энергии.

В гидродинамическом подшипнике нагрузку воспринимает и передает на опору тонкий слой жидкости.

Условия возникновения жидкостного трения

Для работы гидродинамического подшипника необходимо создание гидродинамического слоя смазки, для этого нужно обеспечить следующие условия:

смазывающая жидкость должна удерживаться в зазоре (например между валом и корпусом подшипника)
в смазывающей жидкости должно поддерживаться давление достаточное для уравновешивания нагрузки
жидкость должна полностью разделять скользящие поверхности, а значит ее слой должен быть выше, чем сумма шероховатостей поверхностей
толщина слоя жидкости должна быть больше минимального значения

Принцип работы гидродинамического подшипника

Рассмотрим схему работы гидродинамического подшипника.

Вал установлен в корпусе заполненном маслом с зазором, под действием нагрузки прижимается к нижней поверхности корпуса. Получается, что в начальном положении вал расположен в корпусе с эксцентриситетом.

При вращении вала, небольшой слой жидкость за счет адсорбции приходит в движение и увлекается вслед за поверхностью вала. Последующие слои также могут увлекаться во вращательное движение за счет вязкости рабочего масла. Получается, что вал выполняет роль насоса, создавая поток рабочей жидкости, и нагнетая ее в клиновидную щель между корпусом и валом. В результате воздействия вращающегося вала масло стремится заполнить клиновидную щель и поднять вал, с другой стороны этому препятствует нагрузка действующая на вал.

При создании достаточного для того, чтобы приподнять вал, и обеспечить протекание масла по всей окружности наступает равновесное состояние.

Гидродинамический подшипник с клиновыми расточками вкладыша

Для обеспечения высоких антивибрационных свойств используют гидродинамический подшипник с клиновыми расточками, в котором цапфа вала опирается на несколько масляных клиньев. Это снижает вероятность возникновения вибраций.

Расчет гидродинамического подшипника

Условие обеспечения жидкостного трения:

H≥1,1(R z1 +R z2 +y)

где h - толщина слоя смазки
R z1 шероховатость детали 1
R z2 шероховатость детали 2
y - стрела прогиба шипа (вала)

Наименьшее отношение относительного эксцентриситета можно вычислить по формуле:

Х=1-(h/0,5s)

где s - средний зазор
х - относительный эксцентриситет х = e / 0,5 s

Необходимую вязкость жидкости, при которой удастся достичь режима жидкостного трения можно определить по формуле:

μ=PΨ 2 /ωldФр

l - длина вала, м
d - диаметр вала, м
ω - угловая скорость вращения вала
P - величина нагрузки
Ψ - относительный зазор Ψ = s/d
Фр - безразмерный коэффициент несущей способности

При работе гидродинамического подшипника скольжения масло будет нагреваться, а значит его вязкость будет изменяться. Зависимость вязкости от температуры рабочей жидкости отражена в . В случае если начальная температура масла неизвестна расчет производят методом последовательных приближений, задаваясь начальным значением - 50 °С.

Достоинства гидродинамических подшипников

высокий ресурс
низкий уровень шума
малые вибрации при работе
демпфирование ударных нагрузок

Недостатки гидродинамических подшипников

возможность работы только при высоких частотах вращения
влияние температуры на режим работы, характеристики

Гидродинамический, или, как часто его называют, гидравлический подшипник – это машиностроительный узел, в котором рабочим телом, непосредственно воспринимающим нагрузку вала механизма, является тонкий слой изолирующей смазывающей жидкости, нагнетаемой в конструкцию при помощи смазываемого вала.

История изобретения подшипника

История изобретения подшипника насчитывает не одну тысячу лет. Первые примитивные подшипники скольжения относятся к эпохе неолита. Люди изготавливали их из камней и использовали в сверлильных приспособлениях для добывания огня и различных приспособлениях для прядения. С развитием человеческой цивилизации примитивные подшипники скольжения начали применяться во многих механизмах, использующих принцип колеса: в повозках, для изготовления глиняной посуды круглой формы при помощи гончарного круга, в ветряных мельницах для подъёма воды и привода жерновов.

Первые сведения о подшипниках качения относятся к 330 году до н.э. В этот период древнегреческий инженер Диад разработал конструкцию тарана для разрушения крепостных стен. В этой конструкции подвижная часть передвигалась на специальных роликах по направляющим.

Впервые металлический подшипник качения был изготовлен в ХУ111 веке в Англии для ветряной мельницы. Конструктивно он состоял из двух чугунных колец, представлявших собой направляющие, между которыми было помещено до сорока чугунных шаров.

В ХХ веке работы учёных О.Рейнолдса и Н.П.Петрова, работавших независимо друг от друга, привели к замечательному открытию. Они установили, что если скорость вращения машинного вала в подшипнике скольжения, наполненном смазкой, достаточно велика, то на валу создаётся как бы искусственная невесомость, при которой вал перестаёт давить на подшипник. Техническое применение этого открытия привело к разработкам подшипников скольжения, обладающих весьма малыми коэффициентами трения. Дальнейшие разработки открытия привели к созданию подшипников, в которых смазывающая рабочая среда нагнетается снаружи при помощи специального насоса.

Особенности применения гидродинамических подшипников

Современные гидродинамические подшипники используются в разнообразных прецизионных механизмах, когда обычные шарико- или роликоподшипники не удовлетворяют необходимым требованиям, предъявляемым к работе тех или иных конструкций и узлов. Например, при необходимости обеспечения минимальной вибрации, малого уровня шума, минимальных габаритов в стеснённых эксплуатационных условиях, достаточно большого срока службы. В процессе дальнейших разработок и усовершенствований такие подшипники становятся всё более и более конкурентоспособными в связи с уменьшающейся себестоимостью изготовления.

Отличие гидростатических подшипников от гидродинамических заключается в том, что в первых необходимое рабочее давление жидкости создаётся при помощи специального насоса, а в последних самосмазывание обеспечивается рабочим валом при его вращении. Следует учитывать, что эффект самосмазывания имеет достаточную эффективность только при достижении паспортных скоростей вращения вала, в противном случае прослойка смазки под валом имеет недостаточную толщину, а это неизбежно приводит к возрастанию сил трения и, как правило, к преждевременному износу механизма. Поэтому, для предотвращения подобных случаев, которые могут происходить достаточно часто, например, при пусках и остановках механизмов, бывает целесообразно предусмотреть специальный «пусковой» насос, который будет использоваться только при вышеупомянутых переходных режимах.

Эксплуатационные достоинства гидродинамических подшипников

Конструктивно гидродинамические подшипники достаточно просты и надёжны.Как правило, они состоят из внешнего и внутреннего колец тороидальной формы, имеющих герметичные уплотнения в местах стыков. Эксплуатационные затраты минимальны или вообще отсутствуют. Подшипники обладают практически, неограниченным сроком службы. Требования к точности их изготовления гораздо ниже, чем к точности изготовления шарико- или роликоподшипников. Уровень шума от таких подшипников гораздо ниже шума, создаваемого подшипниками качения. Вибрации минимальны. Исходя из конструктивных особенностей, подшипники в ряде случаев обладают огромной демпфирующей способностью.

Недостатки гидродинамических подшипников

Нельзя не отметить недостатки гидродинамических подшипников.

Они обладают значительными потерями энергии. Эти потери варьируются в связи с наружными температурными режимами, что значительно затрудняет проведение необходимых температурных расчётов. Гидродинамические подшипники чаще подвержены внезапным авариям при внештатных ситуациях. Подшипники весьма чувствительны к неточностям изготовления валов и их аксессуаров. Возможны утечки рабочей среды в процессе эксплуатации. Поэтому достаточно часты практики установки двух и более цапф в подшипниках для предотвращения утечек с одной стороны.

Область применения

Подшипники применяются, чаще всего, в компьютерных установках, для жёстких дисков, для вентиляторов охлаждения персонального компьютера. Возможно применение для металлообрабатывающих станков, для ядерных реакторов.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в упорных и опорных подшипниках с гидродинамическим смазочным слоем для машин и, в частности, для опор прокатных станов, где имеют место высокие окружные скорости и удельные нагрузки. Гидродинамический подшипник содержит карманы, выполненные на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой. При этом все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, а карманы, начиная с подающего, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками. Технический результат - увеличение минимальной толщины смазочного слоя, уменьшение тепловыделения, увеличение несущей способности подшипника, уменьшение износа. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в упорных и опорных подшипниках с гидродинамической (жидкой или газовой) смазкой для различных машин и в частности для опор прокатных станов, где имеют место высокие окружные скорости и удельные нагрузки. Известны устройства упорных и опорных подшипников с гидродинамической смазкой и вязкостным смазочным слоем, работающие по принципу Рейнольдса-Митчела, в которых образующие слой движущаяся и неподвижная рабочие поверхности выполнены гладкими, установлены между собой под некоторым углом, а давление в жидком (газовом) смазочном слое между ними создается благодаря затягиванию смазки в тонкий сужающийся слой клиновидной формы силами вязкости (силами жидкостного трения), создаваемыми движущейся рабочей поверхностью. На слой действуют и силы трения со стороны неподвижной поверхности, но они являются реакцией на движение слоя. При этом движении в слое возникают и силы инерции массы потока смазки, вызванные резким изменением (в том числе и перераспределением по сечению слоя) скоростей этого потока, в основном, под действием сил жидкостного трения со стороны неподвижной рабочей поверхности во входном участке слоя, однако эти силы существенны только у самого входа в слой на его длине (в направлении движения рабочей поверхности) не более 2 мм. Далее по длине слоя быстрых изменений скорости не происходит и существенные силы инерции не возникают. Поэтому в подшипниках, работающих по принципу Рейнольдса-Митчела, силы инерции практически не влияют на образование давления в смазочном слое. Тем более не влияют силы инерции, возникающие за смазочным слоем в его спутном потоке (в затопленной струе) в связи с ускорением вытекающей из слоя жидкости, приторможенной в нем неподвижной рабочей поверхностью. Следовательно, в смазочном слое Рейнольдса- Митчела практически действуют только вязкостные силы и вызванные ими силы гидродинамического давления. Последние раздвигают рабочие поверхности и создают между ними слой смазки определенной толщины. Недостатком подшипников, работающих по принципу Рейнольдса-Митчела, является то, что силы трения, действующие со стороны неподвижной рабочей поверхности в области слоя, где давление по его длине возрастает, непрерывно тормозят смазку при ее движении в слое. Это препятствует поступлению смазки в слой и дальнейшему ее там движению, т.е. уменьшает в нем скорости и расход смазки, что в свою очередь уменьшает минимальную толщину смазочного слоя, повышает его температуру и снижает несущую способность подшипника. Увеличивать угол клина (величину масляного зазора) для уменьшения указанного торможения - нельзя, т.к. любое его увеличение приводит к увеличению боковых утечек смазки из слоя, а увеличение угла клина свыше определенного размера - даже к возникновению у неподвижной рабочей поверхности обратного движения смазки в направлении к подающему карману (углублению в неподвижной рабочей поверхности, откуда смазка подается в слой). Известны устройства упорных (А. Камерон, "Теория смазки в инженерном деле" с. 67, Машгиз, М., 1962) и опорных подшипников, у которых на одной из образующей гидродинамический смазочный слой поверхностей выполнены масляные карманы в виде канавок, например, как у принятого за прототип устройства по авторскому свидетельству СССР N 796508, кл. F 16 С 33/04. В таких устройствах, вследствие увеличения толщины слоя в масляных карманах и уменьшения там по этой причине сил трения со стороны неподвижной рабочей поверхности, поток в карманах ускоряется (и завихряется) подвижной поверхностью, что улучшает смазку на пусковых режимах и при не высоких удельных нагрузках уменьшает выделение тепла. Но инерционные силы в этих устройствах подшипников также не способствуют повышению давления в слое, поскольку там карманы по длине слоя разделены между собой частями неподвижной рабочей поверхности, длина которых много больше длины входных участков, на которых еще существенны силы инерции, и они не в состоянии способствовать преодолению сопротивления протяженного участка слоя между карманами и увеличению расхода, смазки. Следовательно, из-за торможения со стороны этих частей поверхности полностью гасятся силы инерции и ускоренный в карманах поток смазки не сохраняет полученную в предыдущем кармане дополнительную скорость до следующего кармана. Поэтому, занимая полезную площадь рабочей поверхности, где образуется давление, такие карманы при высоких удельных нагрузках снижают рост давления в слое и уменьшают его минимальную толщину. Цель изобретения - увеличение несущей способности, снижение энергозатрат и износа подшипников. Указанная цель достигается тем, что, как и в прототипе, на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой, выполнены масляные карманы, не сообщающиеся между собой. Но кроме того, согласно изобретению, все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, а карманы, - начиная с подающего кармана, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя только перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками. Также, согласно изобретению, размер карманов по ширине слоя больше, чем по длине. Кроме того, по ширине слоя между карманами имеются промежутки. Расстояния по ширине слоя от края рабочей поверхности до карманов возрастают по длине слоя. Размер карманов по длине слоя и величина заглубления уплотняющей кромки увеличиваются тем более, чем ближе расположен данный карман к подающему. Примыкающий к гребню слой смазки в карманах, начиная с подающего кармана, не испытывая в них большого торможения со стороны неподвижной рабочей поверхности, ускоряется движущейся рабочей поверхностью и приобретает дополнительные скорости по всей своей толщине. Далее, этот слой попадает в уплотнительную щель между карманами (между уплотняющей кромкой перегородки и другой рабочей поверхностью). Вследствие малой длины этой щели поток смазки проходит в ней путь меньший, чем длина входного участка, и силы инерции в слое, наиболее существенные именно в начальной части этого участка, преодолевая на этом малом пути силы трения со стороны кромки уплотнительной перегородки и перепад давления между карманами, в значительной степени способствуют сохранению до следующего кармана тех величин дополнительных скоростей по толщине слоя, которые были приобретены в предыдущем кармане. Таким образом обеспечивается увеличение расхода смазки в слое. Вследствие того, что аналогично сужающемуся клину толщины уплотнительных щелей на выходе из карманов меньше, чем на входе - увеличенные расходы смазки при тех же толщинах слоя создают и увеличенные в нем давления, а при той же нагрузке на подшипник - увеличивают толщину слоя. Следовательно, при всех прочих равных условиях, в смазочном слое подшипника согласно изобретению средняя скорость смазки, ее расход и минимальная толщина смазочного слоя (или давление) будут больше, чем в слое Рейнольдса-Митчела и в слое прототипа. Поскольку размер кармана по длине слоя выбирается не более такого, который требуется для восстановления в кармане части скорости потока, потерянной на преодоление сопротивления на пути между карманами в уплотнительной щели, то количество карманов по длине слоя будет оптимально большим, обеспечивающим многократное (многоступенчатое) использование инерционных сил для повышения скоростей смазки в слое. В области слоя, где давление не возрастает (достигло максимума или падает), в связи с отсутствием там карманов неподвижная поверхность максимально тормозит поток смазки, как это и требуется для уменьшения падения давления. Кроме того, расположение карманов вне зоны максимального износа, происходящего в месте минимальной толщины слоя, существенно снижает износ тонких вершин перегородок между карманами. Участки рабочей поверхности между карманами и у краев слоя в области расположения карманов в основном служат уплотнениями, уменьшающими боковые утечки, а образование в слое давления обеспечивается при переходе потока смазки через уплотняющие щели из одного кармана в другой. Поэтому заглубление уплотняющих кромок относительно уровня рабочей поверхности дает возможность образовывать различные толщины слоя в уплотнительных щелях и у рабочих поверхностей и создавать оптимальные их величины как для уменьшения боковых утечек, так и для увеличения расхода смазки. Кроме того, обеспечение увеличения ширины рабочей поверхности у краев слоя, по мере роста давления по его длине, уменьшает боковые утечки. В результате общего влияния указанных конструктивных факторов увеличивается более, чем в 2 раза, минимальная толщина смазочного слоя. Следовательно, во столько же раз уменьшается тепловыделение (энергозатраты) и более, чем в 4 раза возрастает несущая способность подшипника, а также уменьшается его износ. На фиг. 1 изображена в изометрии втулка опорного подшипника с рабочими поверхностями в промежутках, разделяющих карманы по ширине слоя. На фиг. 2 показано поперечное сечение втулки, изображенной на фиг. 1, и сечение вала. На фиг. 3 показано сечение по длине смазочного слоя Рейнольдса-Митчела и распределение скоростей смазки по толщине слоя. На фиг. 4 показано сечение по длине смазочного слоя подшипника согласно изобретению и распределение в нем скоростей по толщине слоя. На фиг. 5 изображена в плане подушка упорного подшипника с переменной шириной рабочей поверхности у краев слоя в области расположения карманов. На фиг. 6 показан разрез по А-А подушки на фиг. 5. На фиг. 7 показан разрез по Б-Б подушки на фиг. 5. На фиг. 8 показан разрез по А-А втулки на фиг. 2. На изображенной на фиг. 1 и 2 втулке 1 опорного подшипника показаны: карманы 2, рабочая поверхность 3 втулки, расположенная в области, где карманы отсутствуют" перегородки 4 между карманами и участки рабочей поверхности 5 и 6, расположенные соответственно по краям втулки и между карманами по ширине втулки, уплотняющие кромки 7, выполненные на заостренных вершинах перегородок 4 и имеющие размер 8 притупления или закругления. Размер карманов по ширине слоя больше, чем по длине, и больше, чем размер по ширине слоя участков рабочей поверхности в промежутках между карманами. На сечении, изображенном на фиг. 2, дополнительно показаны: вал 9, вращающийся с окружной скоростью 10 и имеющий рабочую поверхность 11, образующую с внутренними поверхностями втулки 1 части смазочного слоя 12 и 13 соответственно в области расположения карманов 2 и вне ее, и подающий карман 14. Также показана эпюра 15 распределения давлений в смазочном слое по его длине, угол 16 - центральный угол между местом расположения максимума давления в смазочном слое и перегородкой у подающего кармана и угол 17 - центральный угол, в пределах которого расположены карманы. На фиг. 3 показано сечение по длине смазочного слоя Рейнольдса-Митчела, образованного между неподвижной рабочей поверхностью 18 упорной подушки и движущейся со скоростью 10 рабочей поверхностью 11 упорного подшипника. В слое образуется давление, у которого эпюра 19 распределения аналогична эпюре в слое опорного подшипника без карманов. До точки 20 эпюры 19 давление возрастает, а далее - падает. Перед слоем в пространстве 22 между упорными подушками (или в подающем кармане опорного подшипника), откуда смазка подается в слой, по толщине потока, равной максимальной толщине 23 смазочного слоя, эпюра 24 распределения скоростей имеет прямоугольную или близкую к ней форму. В слое, пройдя его входной участок 25, поток приобретает достаточно установившееся (медленно изменяющееся по длине слоя) распределение скорости по толщине слоя, как это показано на эпюре 26. Такое изменение формы эпюры во входном участке (от 24 до 26) происходит вследствие торможения потока неподвижной рабочей поверхностью 18, что изменяет эпюру до треугольной формы 27, и из-за торможения образующимся в слое давлением, дополнительно изменяющим эпюру до формы вогнутого треугольника 26. Как видно из сравнения эпюр 24 и 26, площадь эпюры 24, а следовательно, и расход смазки перед входом в слой, более, чем в 2 раза превосходит площадь эпюры 26 и расход смазки в слое. Следовательно, поток смазки толщиной 23 не весь входит в слой, а большая часть его расхода, соответствующая разности площадей эпюр скоростей 23 и 26, остается в подающем кармане и уносится циркулирующим там вихрем 21. Далее, при движении потока в слое, форма эпюры его скоростей, медленно изменяясь, приобретает треугольную форму 28 в месте, где давление достигает максимума, и затем в области падения давления в слое - форму выпуклого треугольника 29, в связи с тем, что там давление ускоряет движение потока. Если не учитывать течение в слое по его ширине (боковые утечки), то все площади эпюр 26, 28, 29 и соответствующие расходы смазки - равны. В смазочном слое прототипа (в подшипнике с карманами), при входе потока в слой из каждого кармана, имеет место процесс, аналогичный рассмотренному выше при входе из подающего кармана в смазочный слой. Там, перед входом в смазочный слой распределение скоростей такое же, как в подающем кармане, соответствующее эпюре 24, а в слое между карманами, поскольку длина этого слоя больше длины входного участка, устанавливается распределение скоростей, соответствующее эпюре 26. Таким образом, в прототипе во всех карманах большая часть смазки прилегающего к гребню потока толщиной, равной толщине слоя, также не входит в него, а завихряется и остается в карманах. Недостатком подшипников, работающих по принципу Рейнольдса-Митчела, в том числе и подшипников прототипа, является то, что силы трения, действующие со стороны неподвижной рабочей поверхности в области слоя, где давление по его длине возрастает, непрерывно тормозят смазку при ее движении в слое. Это препятствует поступлению смазки в слой, т.е. уменьшает скорости и расход смазки в слое, что в свою очередь уменьшает минимальную толщину смазочного слоя, повышает его температуру и снижает несущую способность подшипника. Увеличивать угол клина (величину масляного зазора) для уменьшения указанного торможения - нельзя, т.к. любое его увеличение приводит к увеличению боковых утечек смазки из слоя, а увеличение свыше определенного размера - даже к возникновению у неподвижной рабочей поверхности обратного движения смазки в направлении к подающему карману. Что же касается области слоя, где давление не возрастает (достигло максимума или падает), то там торможение со стороны не подвижной рабочей поверхности полезно, т.к. оно снижает не только боковые, но и концевые утечки, препятствует уносу смазки из слоя рабочей поверхностью. На фиг. 4 в развернутом разрезе смазочного слое опорного подшипника согласно изобретению, изображенного на фиг.1 и фиг. 2 (изложенное ниже также справедливо и для упорного подшипника), показаны: втулка 1 опорного подшипника, несообщающиеся между собой карманы 2, которые размещены только в части 12 области слоя, где давление по длине слоя увеличивается. Кроме того, эти карманы, начиная с подающего кармана 14, из которого смазка подается в слой, разделены между собой по длине слоя не участками рабочей поверхности, тормозящими смазку, а только перегородками 4, имеющими заостренные вершины, заканчивающимися уплотняющими кромками 7, выполненными заподлицо с рабочей поверхностью 5 или заглубленными относительно этого уровня на величину 30 так, чтобы на входе смазки в карман толщина щели между уплотняющей кромкой 7 и другой рабочей поверхностью 11 была больше, чем эта толщина на выходе из кармана. Размер масляных карманов 31 и 32 по длине слоя должен быть не меньше величины, при которой поток, вошедший в карман из щели между уплотняющей кромкой и другой рабочей поверхностью 11, приобретает, пройдя карман, среднюю скорость больше 2/3 скорости движущейся рабочей поверхности. Это соответствует эпюре 34. Уплотняющие кромки имеют притупления или закругления размером 8, обеспечивающим минимальное торможение потока благодаря тому, что этот размер выполнен минимальным, не больше 2 мм и меньше величины, при которой средняя по толщине слоя скорость потока в щели уменьшается на выходе из нее до величины не меньше 1/2 скорости движущейся рабочей поверхности. Это соответствует эпюре 33. Размер карманов по длине слоя (расстояние между уплотнительными перегородками) увеличивается от величины 31 до величины 32 у подающего кармана. Величина заглубления уплотняющей кромки увеличивается тем более, чем ближе расположен данный карман к подающему. Там же показаны: рабочая поверхность 3 втулки, расположенная в области 13 слоя, где карманы отсутствуют; плоскость 6, соединяющая уплотняющие кромки и показывающая контур основного ламинарного потока; рабочие поверхности 5, расположенные по краям втулки и между карманами по ширине втулки, могут совпадать с плоскостью 5, как это показано на фиг. 1 и фиг. 2; вал 9, вращающийся с окружной скоростью 10, и имеющий рабочую поверхность 11, образующую с внутренними поверхностями втулки 1 части смазочного слоя 12 и 13. Также показана эпюра 15 распределения давлений в смазочном слое по его длине, где максимум давления расположен в точке, заданной углом 16. Аналогичный вид имел бы и смазочный слой упорного подшипника согласно изобретению. Если карманы с такими перегородками разместить и в области 13, где давление падает, то это также уменьшит торможение потока, но будет способствовать уносу смазки из слоя, а это не целесообразно. Поэтому карманы следует располагать только в той области слоя, где давление по его длине возрастает. Устройство согласно изобретению работает следующим образом. Смазка в подающем кармане, как и в рассмотренном выше слое Рейнольдса-Митчела, ускоряется движущейся рабочей поверхностью 11 и прилегающий к ней поток толщиной 23, равной максимальной толщине смазочного слоя, приобретает дополнительные скорости, как это показано на эпюре 24. При этом процесс передачи кинетической энергии смазке от гребня происходит с максимальной эффективностью, так как слой по всей его толщине 23 приобретает максимально возможную скорость (скорость движущейся поверхности). Далее этот поток попадает в область 12 (где расположены карманы) смазочного слоя, который согласно изобретению представляет из себя клиновой зазор между поверхностью 11 и поверхностью 5, а также плоскостью 6. Затем смазка попадает в карманы 2 и далее в слой области 13, где карманы отсутствуют. В области 12 поток сначала попадает в зазор между уплотняющей кромкой 7 первой перегородки и рабочей поверхностью 11 (зазор между карманами). Вследствие влияния этой кромки, несмотря на малую ее поверхность трения (малую величину 8 ее притупления или закругления), а также из-за перепада давления между первым карманом 2 и подающим карманом 4, изменяются скорости потока таким образом, что эпюра 24 этих скоростей перед уплотняющей кромкой преобразуется в эпюру 33 за уплотняющей кромкой. Как видно из сравнения этих эпюр, в устройстве согласно изобретению неподвижная деталь подшипника (втулка или упорная подушка) также оказывает какое-то сопротивление потоку, но это сопротивление, как видно из сравнения эпюры 33 на фиг. 4 и эпюры 26 на фиг. 3, существенно меньше сопротивления, которое оказывает потоку неподвижная деталь в слое Рейнольдса-Митчела и в слое прототипа, поскольку площадь первой эпюры при той же скорости 10 движущейся рабочей поверхности 11 существенно больше площади второй эпюры. Следовательно, расход смазки, вносимой из подающего кармана 4 в слой подшипника согласно изобретению, существенно (более, чем в два раза) больше, чем у подшипника Рейнольдса-Митчела и у прототипа. Хотя и не весь поток смазки, толщиной 23 входит из подающего кармана в слой, а часть его, соответствующая разности площадей эпюр скоростей 24 и 33, остается в подающем кармане в составе вихря 21. Далее в первом кармане поток, аналогично, как и в подающем кармане, ускоряется и по толщине потока (толщине между плоскостью 6 и поверхностью 11) эпюра скоростей приобретает перед второй перегородкой форму 34. Эта форма не является полным прямоугольником, как форма эпюры 24, вследствие меньших, чем у подающего кармана длины и глубины карманов 2. Эти размеры кармана и особенно его длина должны быть оптимальными, чтобы количество карманов не было очень малым, но и чтобы эпюра 34 скоростей потока приобрела в кармане достаточную полноту с целью накопления им кинетической энергии для преодоления сопротивления следующего зазора между карманами без большой потери расхода. Эта потеря все же имеет место и соответствует разности площадей эпюр скоростей по обе стороны от уплотняющей щели. Смазка, не вошедшая в уплотняющую щель, остается в кармане и циркулирует там в составе вихря, аналогично вихрю 21 в подающем кармане. Увеличение давления в карманах 2 происходит потому, что зазор между уплотняющей кромкой 7 и рабочей поверхностью (толщина уплотняющей щели) на выходе из карманов меньше, чем на входе. Таким образом, увеличение расхода смазки, вносимой движущейся поверхностью, а следовательно, и рост давления в слое согласно изобретению по сравнению со слоями Рейнольдса-Митчела и прототипа происходит в основном по двум причинам: во-первых, размер 7 притупления или закругления уплотняющей кромки выполняется существенно меньшим, чем длина входного участка, поэтому гидравлическое сопротивление уплотняющей щели между карманами будет меньше настолько, что эпюра скоростей потока еще не приобретет установившуюся форму, аналогичную 26 на фиг. 3, и силы инерции помогают преодолевать сопротивление этой уплотняющей щели; во-вторых, размеры карманов по длине слоя 31 и 32 выполняется такими, чтобы поток при его движении в каждом кармане успел приобрести увеличенные скорости по всей толщине указанной щели для преодоления ее сопротивления с максимальным расходом смазки, но эти размеры также должны быть по возможности меньшими для увеличения количества карманов, чтобы процесс ускорения потока в карманах был более многократным на всем протяжении слоя, где давление повышается. Рассмотренный принцип создания давления в смазочном слое согласно изобретению аналогичен принципу образования давления в роторной турбомашине: там в каждой ступени движущимся ротором передается рабочему телу кинетическая энергия, и далее, в неподвижном направляющем аппарате эта энергия преобразуется в энергию давления. Подобно этому процессу, в смазочном слое согласно изобретению в каждом кармане на протяжении его длины движущейся рабочей поверхностью передается потоку смазки кинетическая энергия, и далее, в уплотняющих щелях между карманами эта кинетическая энергия преобразуется в энергию давления в следующем кармане, поскольку в этом зазоре силы инерции потока и силы гидродинамического трения со стороны подвижной поверхности действуют против сил давления, соответствующих перепаду давления между карманами. Участки 5 рабочей поверхности между карманами и у краев слоя в основном служат уплотнениями, уменьшающими боковые утечки, образование в слое давления обеспечивается разностью толщин уплотняющих щелей на входе и выходе из карманов. Поэтому заглубление уплотняющих кромок относительно уровня рабочей поверхности дает возможность образовывать различные толщины слоя в уплотнительных щелях и у рабочих поверхностей и создавать оптимальные их величины как для уменьшения боковых утечек, так и для увеличения расхода смазки. Для чего, толщина смазочного слоя между поверхностями 5 и 11 принимается минимальной, меньшей на величину 30, чем толщины уплотняющих щелей. Такая конструктивная мера снижает боковые утечки, увеличивая при этом количество смазки, перемещаемой движущейся рабочей поверхностью. В области слоя, где давление не возрастает (достигло максимума или падает), в связи с отсутствием там карманов неподвижная поверхность максимально тормозит поток смазки, как это и требуется для уменьшения падения давления. Кроме того, расположение карманов вне зоны максимального износа, происходящего в месте минимальной толщины слоя, существенно снижает износ тонких уплотнительных перегородок между ними. В области расположения карманов ширина рабочей поверхности у краев слоя может возрастать по длине слоя, по мере роста давления в слое, что еще больше уменьшает боковые утечки. На фиг. 5 изображена в плане подушка упорного подшипника, у которой в области расположения карманов ширина рабочей поверхности у краев слоя возрастает по длине слоя. На фиг. 6 и фиг. 7 показаны сечения этой подушки соответственно по АА и по ББ. На этих фигурах показаны: область 12, где расположены карманы 2; область 13 на выходе из слоя, где карманы отсутствуют; эпюра 15 распределения давления по длине слоя; наименьший 35 и наибольший 36 размеры ширины рабочей поверхности у краев слоя; наименьший 37 и наибольший 38 размеры кармана по длине слоя (длина кармана); размер 39 кармана по ширине слоя (ширина кармана), эпюра 40 распределения давления по ширине слоя. На фиг. 8 показано сечение по АА (фиг. 2) по ширине втулки опорного подшипника, у которой кроме участков рабочей поверхности у краев слоя, имеющих размер 41, карманы 2 разделены между собой по ширине слоя участками рабочей поверхности, имеющими размер 42. Там же показана эпюра 43 распределения давления по ширине слоя. Устройство согласно изобретению, изображенное на фиг. 5-8, работает как и показанное на фиг. 4. Дополнительно к изложенному выше следует отметить, что увеличение ширины рабочей поверхности по длине слоя у его краев от размера 35 до размера 36 (фиг. 5) уменьшает величину утечек из слоя, поскольку большая ширина создается в месте возникновения большего давления (см. эпюру 15 на фиг. 6). Кроме того, увеличение размеров карманов по длине слоя от величины 37 до величины 38 (фиг. 6) у подающего кармана обеспечивает оптимальные условия для восстановления в карманах скоростей потока, уменьшенных в уплотняющих щелях на входе в карманы, поскольку, чем больше толщина щели (толще вносимый в карман поток), тем больше необходимо расстояние между уплотняющими щелями для восстановления скоростей потока. Из этого условия, а также учитывая реальные размеры толщин уплотнительных щелей и целесообразность образования, большего количества карманов, размеры карманов 39 (фиг. 7 и фиг. 8) по ширине слоя должны быть больше, чем по длине. Что же касается соотношения между размерами 39 (фиг. 8) карманов и размерами 42 участков рабочей поверхности в промежутках между карманами, то учитывая, что эти участки предназначены только для уменьшения перетекания смазки по ширине слоя из кармана в карман, - размеры 32 должны быть меньше размеров 39. В результате общего влияния указанных конструктивных факторов более, чем в 2 раза увеличивается минимальная толщина смазочного слоя. Следовательно, во столько же раз уменьшается тепловыделение (энергозатраты) и более, чем в 4 раза возрастает несущая способность подшипника, а также уменьшается его износ.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Гидродинамический подшипник, в котором на одной из рабочих поверхностей, образующих гидродинамический смазочный слой, выполнены масляные карманы, отличающийся тем, что все карманы размещены только в части или по всей области слоя, где давление по длине слоя увеличивается, в карманы, начиная с подающего, из которого смазка поступает в слой, разделены между собой по длине слоя перегородками, имеющими заостренные вершины, заканчивающиеся уплотняющими кромками. 2. Подшипник по п. 1, отличающийся тем, что размер карманов по ширине слоя больше, чем по длине. 3. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что по ширине слоя между карманами имеются участки рабочей поверхности. 4. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что расстояние по ширине слоя от края рабочей поверхности до карманов возрастают по длине слоя. 5. Подшипник по п. 1, отличающийся тем, что размеры карманов по длине слоя увеличиваются тем более, чем ближе расположен данный карман к подающему.

Содержание статьи

ПОДШИПНИК, конструктивный узел машин и механизмов, поддерживающий или направляющий вращающийся вал или ось. Если шейка вала в подшипнике скользит непосредственно по опорной поверхности, то он называется подшипником скольжения. Если же между шейкой вала и опорной поверхностью имеются шарики или ролики, то такой подшипник называется подшипником качения. Назначение подшипника – уменьшать трение между движущейся и неподвижной частями машины, так как с трением связаны потери энергии, нагрев и износ.

Подшипники скольжения.

Подшипник скольжения представляет собой массивную металлическую опору с цилиндрическим отверстием, в которое вставляется втулка, или вкладыш, из антифрикционного материала. Шейка, или цапфа, вала с небольшим зазором входит в отверстие втулки подшипника. Для уменьшения трения и износа подшипник обычно смазывается, так что вал отделен от втулки пленкой вязкой маслянистой жидкости. Рабочие характеристики подшипника скольжения определяются его размерами (длиной и диаметром), а также вязкостью смазки и скоростью вращения вала.

Смазка.

Для смазки подшипника скольжения можно использовать любую достаточно вязкую жидкость – масло, воду, бензин и керосин, водные и масляные эмульсии, а в некоторых случаях даже газы (например, нагретый воздух и продукты сгорания в реактивных двигателях) и жидкие металлы. Применяются также пластичные и твердые («консистентные») смазки, но их смазывающие свойства отличны от свойств жидкостей и газов. В тех случаях, когда естественной циркуляции смазки в подшипнике недостаточно для его охлаждения, предусматривают систему принудительной циркуляции с теплоизлучающими радиаторами и теплопоглотителями.

Гидростатические подшипники.

Подшипник скольжения, в который смазка подается под давлением (обычно масляным насосом) из внешнего источника, называется гидростатическим подшипником. Несущая способность такого подшипника определяется в основном давлением подаваемой смазки и не зависит от окружной скорости вала.

Гидродинамические подшипники.

Подшипник скольжения, работающий со смазкой, можно рассматривать как насос. Для того чтобы перемещать вязкую среду из области низкого давления в область высокого давления, необходимо затрачивать энергию внешнего источника. Смазка, прилипшая к контактным поверхностям, при вращении вала сопротивляется полному стиранию и выдавливается в область, где давление повышается, благодаря чему поддерживается зазор между этими поверхностями. Подшипник скольжения, в котором описанным образом создается область повышенного давления, удерживающая нагрузку, называется гидродинамическим.

Подшипники качения.

В подшипнике качения трение скольжения заменяется трением качения, благодаря чему снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ.

Шарикоподшипники.

Наиболее распространенным подшипником качения является шарикоподшипник. Форму канавок (беговых дорожек) внутреннего и наружного колец подшипника качения необходимо очень точно контролировать при изготовлении, чтобы, с одной стороны, не было проскальзывания шариков относительно кольца, а с другой – они имели достаточно большую площадь опоры. Сепаратор задает точное положение шариков и предотвращает их взаимное трение. Кроме однорядных шариковых подшипников выпускаются подшипники с двумя и несколькими рядами шариков (двухрядные, многорядные), а также подшипники других конструкций.

Роликоподшипники.

В роликовых подшипниках элементами качения являются ролики – цилиндрические, бочкообразные, конические, игольчатые или витые. Конструкции роликоподшипников тоже разнообразны.

Смазка.

Срок службы подшипника качения определяется усталостным износом шариков (роликов) и беговых дорожек в кольцах.Такие подшипники тоже требуют смазки для уменьшения трения и износа. Важное значение имеет рабочая температура, так как при повышенных температурах не только сказывается неодинаковое тепловое расширение элементов подшипника, что ведет к увеличению проскальзывания, а следовательно и износа, но и уменьшается твердость материалов подшипника.

Подшипниковые материалы.

Подшипники скольжения изготавливаются из различных металлов, сплавов, пластмасс, композитов и других материалов. Длительное время основным подшипниковым материалом был баббит, запатентованный А.Баббитом в 1839. Этот сплав на основе олова или свинца с небольшими добавками сурьмы, меди, никеля и др. допускает ряд вариантов состава, различающихся относительным содержанием компонентов. Сплавы баббита стали как бы эталоном для оценки других подшипниковых материалов, среди которых – сочетания материалов, хорошо зарекомендовавших себя по отдельности: баббит и сталь; баббит, сталь и бронза; свинец с индием; серебро и сталь; графит и бронза. Среди пластмассовых материалов для подшипников скольжения выделяются найлон и тефлон, не требующие смазки. В качестве материалов втулок подшипников скольжения применяются также углеграфиты, металлокерамики и композиты.

Статья написана исключительно для ознакомления интернет-пользователей с основными разновидностями подшипников. Будет полезна студентам ВТУЗов и, возможно, молодым специалистам.

Мы не несем ответственности за непосредственный, опосредственный или непреднамеренный ущерб, нанесенный в результате использования информации представленной в данной статье.

Постоянный адрес статьи:

При любом использовании данного материала ссылка на него обязательна!

Вы также можете принять участие в написание статьи, оставив свои дополнения , замечания и комментарии на электронном адресе: Указание имени автора того или иного изменения гарантируется!

Внимание! Доступна новая версия статьи! Подробнее: http://www.prompk.ru/ntn-snr/e/about_bearings/about_bearing.htm

Обсуждение новой версии статьи: http://www.liveinternet.ru/users/prompk_ru/post205546614/

Основные разновидности подшипников

Подшипники - это технические устройства , являющиеся частью опор вращающихся осей и валов. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу или оси, и передают их на раму, корпус или иные части конструкции. При этом они должны также удерживать вал в пространстве, обеспечивать вращение, качание или линейное перемещение с минимальными энергопотерями. От качества подшипников в значительной мере зависит коэффициент полезного действия, работоспособность и долговечность машины.

В настоящее время широко находят применение подшипники:

контактные (имеющие трущиеся поверхности) - подшипники качени я и скольжения ;

бесконтактные (не имеющие трущихся поверхностей) - магнитные подшипники .

По виду трения различают:

подшипники скольжения , в которых опорная поверхность оси или вала скользит по рабочей поверхности подшипника;

подшипники качения , в которых используется трение качения благодаря установке шариков или роликов между подвижным и неподвижным кольцами подшипника.

Подшипники скольжения

Принципиальная схема опоры с подшипником скольжения

Подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала (часто используются цветные металлы), и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, который позволяет свободно вращаться валу. Для успешной работы подшипника зазор предварительно рассчитывается.

В зависимости от конструкции, окружной скорости цапфы, условий эксплуатации трение скольжения бывает:

жидкостным, когда поверхности вала и подшипника разделены слоем жидкого смазочного материала , непосредственного контакта между этими поверхностями либо нет, либо он происходит на отдельных участках;

граничным – поверхности вала и подшипника соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, причем смазочный материал в виде тонкой пленки ;

сухим – непосредственный контакт поверхностей вала и подшипника по всей длине или на участках большой протяженности , жидкостной или газообразный смазочный материал отсутствует;

газовое – поверхности вала и подшипника разделены слоем газа , трение минимально.

Виды смазки подшипников скольжения

Основные виды смазки	Смазочные материалы и материалы для создания смазочных покрытий. Варианты смазки
	В наноструктурном состоянии: С, BN , MoS 2 и WS 2 ; В виде нанокомпозиционных покрытий: WC / C , MoS 2 / C , WS 2 / C , TiC / C и наноалмаза; В виде алмазных и алмазоподобных углеродистых покрытий: пленок из алмаза, гидрогенизированного углерода ( a - C : H ), аморфного углерода ( a -С), нитрида углерода ( C 3 N 4 ) и нитрида бора ( BN ); В виде твердых и сверхтвердых покрытий из VC , B 4 C , Al 2 O 3 , SiC , Si 3 O 4 , TiC , TiN , TiCN , AIN и BN , В виде чешуйчатых пленок из MoS 2 и графита; В виде неметаллических пленок из диоксида титана, фтористого кальция, стекла, оксида свинца, оксида цинка и оксида олово, В виде пленки из мягких металлов: свинца, золото, серебра, индия, меди и цинка, В виде самосмазывающихся композитов из нанотрубок, полимеров, углерода, графита и металлокерамики, В виде чешуйчатых пленок из углеродных составов: фторированного графита и фторид графита; Углерод; Полимеры: PTFE, нейлон и полиэтилен, Жиры, мыло, воск (стеариновая кислота), Керамика и металлокерамика.
Жидкостная	Гидродинамическая смазка: толстослойная и эластогидродинамическая; - гидростатическая смазка; - смазка под высоким давлением.
Тонкопленочная	Смешанная смазка (полужидкостная); Граничная смазка.
	Газодинамическая смазка

Существует большое количество конструктивных типов подшипников скольжения : самоустанавливающиеся, сегментные, самосмазывающиеся и т.д.




г )

а - внешний вид,

б - типичный шарнирный подшипник с поверхностью скольжения типа " металл-металл",

в - типичный шарнирный подшипник с самосмазывающейся поверхностью,

г - благодаря возможности самоустановки и восприятия больших нагрузок шарнирные подшипники находят применение в узлах тяжелой техники (например, в гидроцилиндре экскаватора)

Шарнирные подшипники скольжения - одни из немногих типов подшипников скольжения, которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно

Подшипники скольжения имеют следующие преимущества:

допускают высокую скорость вращения;

позволяют работать в воде, при вибрационных и ударных нагрузках;

экономичны при больших диаметрах валов;

возможность установки на валах, где подшипник должен быть разъемным (для коленчатых валов);

допускают регулирование различного зазора и, следовательно, точную установку геометрической оси вала.

а - двигатель шпинделя HDD c подшипником качения,

б - двигатель шпинделя HDD c гидродинамическим подшипником скольжения,

в - расположение гидродинамического подшипника скольжения в HDD (Hard Disk Drive)

Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных HDD (Hard Disk Drive ) дает возможность регулировать скорость вращения шпинделейв широком диапазоне (до 20 000 об/мин), уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств, тем самым позволив увеличить скорость передачи данных, обеспечить сохранность записанной информации и срок службы устройства в целом (до 10 лет), а также - создать более компактные HDD ( 0,8-дюймовые )

Сравнение типов подшипников используемых в шпинделях HDD (Hard Disk Drive)

Требования к HDD	Требования к подшипнику	Подшипник качения	Гидродинамический подшипник		Типичное применение
Требования к HDD	Требования к подшипнику	Подшипник качения	из твердого металла	из пористого материала*	Типичное применение
Большой объем хранения данных	Однократные биения				Персональный компьютер, сервер
Большой объем хранения данных	Высокие скорости вращения
Низкий уровень шума	Низкий уровень шума				Пользовательский компьютер (нетбуки, SOHO)
Низкое потребление тока	Низкий крутящий момент
Устойчивость к ударам	Устойчивость к ударам				Мобильные компьютеры (ноутбуки)
Безотказность	Устойчивость к заклиниванию				Все компьютеры
Жесткость	Жесткость

Примечание:

* - данные приведены для NTN BEARPHITE;

** - обозначения: ++ - очень хорошо, + - хорошо, о - посредственно.

Недостатки подшипников скольжения:

высокие потери на трение и, следовательно, пониженный коэффициент полезного действия (0,95... 0,98);

необходимость в непрерывном смазывании;

неравномерный износ подшипника и цапфы;

применение для изготовления подшипников дорогостоящих материалов;

относительно высокая трудоемкость изготовления.

Подшипники качения

Принципиальная схема опоры с подшипником качения

Подшипники качения работают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения , сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба – дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

а)

б)

в)

г) д)

а - с шариковыми телами качения, б - с короткими цилиндрическими роликами, в - с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами, г - с коническими роликами ,

д - с бочкообразными роликами

Примечание: приведены только некоторые виды тел качения

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм

В некоторых узлах машин в целях уменьшения габаритов, а также повышения точности и жесткости , применяются так называемые совмещенные опоры: дорожки качения выполняются непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали. Некоторые подшипники качения изготовляют без сепаратора. Такие подшипники имеют большое число тел качения и, следовательно, большую грузоподъемность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Для сокращения радиальных размеров и массы используются “безобоемные” подшипники

Сравнение подшипников качения по эксплуатационным характеристикам

Тип подшипника	Высокая частота вращения	Восприятие перекоса
Тип подшипника	Высокая частота вращения	Восприятие перекоса	радиальная	осевая	комбинированная
Шариковый радиальный
Шариковый радиальный двухрядный сферический
Радиально-упорный однорядный шариковый
Радиально-упорные шариковые двухрядный и однорядный сдвоенный ("спина к спине")
Шариковый с четырехточечным контактом
С коротким цилиндрическими роликами без бортов на одном из колец
С коротким цилиндрическими роликами с бортами на противоположных сторонах наружного и внутреннего колец
Радиальный игольчатый
Сферический роликовый
Конический роликовый
Упорный шариковый
Упорный с коническими роликами
Упорно-радиальный роликовый сферический

Примечание:

* - обозначения: +++ - очень хорошо, ++ - хорошо, + - удовлетворительно, о - плохо, х - непригодно.

По сравнению с подшипниками скольжения имеют следующие преимущества:

значительно меньше потери на трение, а, следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;

в 10...20 раз меньше момент трения при пуске;

экономия дефицитных цветных материалов, которые чаще всего используются при изготовлении подшипников скольжения;

меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

простота обслуживания и замены;

меньше расход смазочного материала;

невысокая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников;

простота ремонта машины вследствие взаимозаменяемости подшипников.

e )

а - повреждение внутреннего кольца сферического роликового подшипника, вызванное чрезмерным натягом при посадке ;

б - фреттинг-коррозия внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием вибрации ;

в - повреждение внутреннего кольца радиального шарикового подшипника, вызванное действием чрезмерной осевой нагрузки ;

г - повреждение внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием чрезмерной радиальной нагрузки ;

д - следы ржавчины на поверхности ролика сферического роликового подшипника, вызванные попаданием воды внутрь подшипника ;

e - повреждение сепаратора роликового конического подшипника, вызываемое действием больших нагрузок и/или вибраций , и/или неправильным монтажом, и/ или смазыванием, и/или работойна высоких частотах вращения

Повреждения подшипников качения

Недостатками подшипников качения являются:

ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

шум во время работы, обусловленный погрешностями форм;

сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

повышенная чувствительность к неточности установки;

высокая стоимость при мелкосерийном производстве уникальных по размерам подшипников.

Магнитные подшипники

Принцип работы магнитного подшипника (подвеса) основан на использовании левитации, создаваемой электрическими и магнитными полями. Магнитные подшипники позволяют без физического контакта осуществлять подвес вращающегося вала и его относительное вращение без трения и износа.

Детская игрушка Левитрон наглядно демонстрирует, на что способны электромагнитные поля

Электрические и магнитные подвесы, в зависимости от принципа действия, принято разбивать на девять типов:

Электростатические;

на постоянных магнитах;

активные магнитные;

LC- резонансные;

индукционные;

кондукционные;

диамагнитные;

Сверхпроводящие;

Магнитогидродинамические.

Принципиальная схема типичной системы на основе активного магнитного подшипника (АМП)

Наибольшую популярность в настоящее время получили активные магнитные подшипники. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Полный неконтактный подвес ротора может быть осуществлен с помощью либо двух радиальных и одного осевого АМП, либо двух конических АМП. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и электронный блок управления, соединенный проводами с обмотками электромагнитов и датчиками. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов.

Принципиальная схема управления типичной системы на основе активного магнитного подшипника

Основными преимуществами АМП являются:

относительно высокая грузоподъемность;

высокая механическая прочность;

возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела;

возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах;

возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, высоких и низких температурах, стерильных технологиях...


а)

а - схема компрессора с подшипниками качения,

б - схема компрессора с магнитными подшипниками

Применение магнитных подшипников дает возможность сделать конструкцию более жесткой, что, например, позволяет уменьшить динамический прогиб вала при высоких частотах вращения

В настоящие время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

АМП могут эффективно применяться в следующем оборудовании :

Турбокомпрессоры и турбовентиляторы;

Турбомолекулярные насосы;

Электрошпиндели (фрезерные, сверлильные, шлифовальные);

Турбодетандеры;

газовые турбины и турбоэлектрические агрегаты;

инерционные накопители энергии.

Шпиндели для вакуумных машин с активными магнитными подшипниками

Однако АМП требуют сложную и дорогостоящую аппаратуру управления, внешнего источника электроэнергии, что снижает эффективность и надежность всей системы. Поэтому идут активные работы по созданию пассивных магнитных подшипников (ПМП), которые не требуют сложных систем регулирования: например, на основе высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB (неодим-жедезо-бор).

Пассивный магнитный подшипник на основе высокоэнергетических постоянных магнитов

1 ) Albert Kascak , Robert Fusaro & Wilfredo Morales. Permanent Magnetic Bearing for Spacecraft Applications. NASA/TM-2003-211996;
2) Ball and Roller Bearings. Сat. №2202. NTN, 2001; 3) Care andMaintenanceof Bearings. Сat. № 3017. NTN;
4) Henrik Strand. Design, Testing and Analysis of Journal Bearings for Construction Equipment. Department of Machine Design. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2005;

5) ISO Standardization for Active Magnetic Bearing Technology. Published 2005 ;

6) Kazuhisa Miyoshi. Solid Lubricants and Coatings for Extreme Environments: State-of-the-Art Survey. NASA, 2007 ;
7) Needle Roller Bearings. Cat.№ 2300-VII/E. NTN;
8) Needle Roller Bearing Series General Catalogue. IKO;

10 ) Lei Shi, Lei Zhao, Guojun Yang и др. DESIGN AND EXPERIMENTS OF THE ACTIVE MAGNETIC
BEARING SYSTEM FOR THE HTR-10. 2nd International Topical Meeting on HIGH TEMPERATURE REACTOR TECHNOLOGY . Beijing, CHINA, September 22-24, 2004;
11) Linear Motion Rolling Guide Series General Catalogue , IKO ;
12 ) Precision Rolling Bearings. Cat .№ 2260-II/E. NTN; 13 ) Spherical Plain Bearings. Сat.№5301-II/E. NTN;

14) Torbjorn A. Lembke. Induction Bearings. A Homopolar Concept for High Speed Machines. Electrical Machines and Power Electronics. Department of Electrical Engineering. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2003 ;
15 ) Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001;
16) Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003 ;
17 ) Орлов П.И. Основы конструирования/Справочно-методическое пособие в 2-х книгах. М.: Машиностроение, 1988;

18) Черменский О.Н., Федотов Н.Н. Подшипники качения. Справочник-каталог. М: Машиностроение, 2003.