Другие виды
В классических подшипниках вращения присутствует трение между внешним кольцом и вращающимся элементом – шариком, цилиндром, усеченным конусом или иглой, а также вращающимся элементом и внутренним кольцом подшипника. Для уменьшения трения используются смазки разнообразных рецептур. Но в любом случае физический контакт поверхностей направляющих бороздок на кольцах и вращающихся элементов приводит к физическому износу их поверхностей. При достижении предельного износа подшипник необходимо заменить.
В определенных случаях можно использовать конструкции подшипников, в которых трение твёрдых поверхностей друг об друга отсутствует.
Устранение физического контакта твердых поверхностей и уменьшение трения достигается за счёт того, что между поверхностями колец располагается слой жидкости или газа. Также разработаны подшипники, в которых соприкосновению оси и ротора препятствует магнитное (электромагнитное) поле.
В действительности подшипники скольжения классов 4 и 5 – это гидростатические подшипники: в стационарном режиме контакт твёрдых поверхностей вкладыша и цапфы отсутствует или «почти отсутствует».
Идея «плавающей оси» оказалась очень плодотворной. Были разработаны решения, в которых роль смазки играет вода (водные растворы), газы и даже магнитное (электромагнитное) поле.
Заменив баббитовый или бронзовый вкладыш на газ или жидкость, мы получаем подшипник скольжения, но с другими, неожиданными свойствами.
Рассмотрим подробнее принцип действия некоторых из этих «бесконтактных» конструкций.
Газостатические подшипники
Принцип устройства такого подшипника достаточно прост.
Представим неподвижное внешнее кольцо подшипника с системой отверстий, через которые подаётся сжатый газ. Газ попадает в зазор между внешним кольцом и цапфой.
При выборе подходящей системы канавок на внутренней стороне внешнего кольца - вкладыша и на поверхности цапфы, а также давления нагнетаемого газа, можно обеспечить режим вращения цапфы и связанного с ней вала, при котором не будет «физического» контакта поверхностей вкладыша и цапфы.
Трение между ними при переходных процессах при «раскрутке» подшипникового механизма будет ограничено по времени, а дальнейший их износ будет минимален. Можно уменьшить вибрации и шум, издаваемый подшипниковым узлом даже в случае, если оно работает на больших оборотах.
Зарегистрировано множество патентов на устройство газостатических подшипников. Патенты, собственно говоря, не претендуют на физический принцип использования «газовой подушки».
Они предлагают различные схемы подачи и распределения газа, формы, размер и направления каналов - бороздок, что, в совокупности, обеспечивает устойчивость вращающегося вала в подшипниковом механизме без физического контакта твёрдых поверхностей.
В качестве примера рассмотрим газостатический подшипник, рисунок ДП-1.
Рисунок ДП-1. Газостатический подшипник. Состоит из камеры (1), пористых вставок (2),
подводящей магистрали (3), корпуса (4). газонепроницаемой втулки (5).
Цапфа на рисунке не показана.
Вкладыш состоит из втулки (5) и пористых вставок (2).
В цилиндрический зазор между цапфой и вкладышем, в нескольких точках через пористые ставки (2) под давлением подается воздух или газ. Возникает газовая смазка. Поверхности вала и опоры в установившемся режиме не контактируют. Подшипник обладает минимальным моментом трения. Применяются для опор с малыми нагрузками и высокими скоростями скольжения.
Такая конструкция оказалась востребованной при создании компьютерных лентопротяжек, т.к. для них требуется высокая скорость вращения валов, но обеспечить равномерность радиальных усилий на вал для них невозможно, в силу «бокового тренда», связанного с наличием усилия на плече сматывания (наматывания) магнитной ленты.
В то же время газостатический подшипник не обеспечивает никакого противодействия силам, направленным вдоль оси вращения. Поэтому соответствующий «фиксирующий шип» создаётся в таких механизмах за счёт механического контакта по центру оси вала.
Подшипник такого типа не применим (или почти не применим) для механизмов с большой массой движущихся частей: предотвращение физического контакта в этом случае требует недопустимо большого давления газа, а это означает, что экономия за счёт снижения трения с лихвой гасится затратами на энергопитание компрессора, подающего газ в подшипник.
Газодинамические подшипники
Если есть газостатический подшипник, так почему бы не сделать газовый подшипник без компрессора, нагнетающего газ в зазор между кольцами? Если скорость вращения вала велика, а в подшипнике на кольцах проложены бороздки, или созданы лопасти (лепестки), которые будут засасывать или сжимать газ так, чтобы создавалась «воздушная (газовая) подушка» между валом (цапфой) и статической частью подшипникового механизма, то подшипник «почти без трения» становится реальностью, рисунок ДП-2.
Рисунок ДП-2. Схема газодинамического лепесткового подшипника.
Газодинамический подшипник - подшипник, несущая способность которого может составлять до десятков кгс на см2 за счёт газовой смазки. Газовая смазка возникает при увеличении частоты вращения вала (гидродинамический эффект), его отрыва от поверхности скольжения и последующего «всплытия».
Сложности возникают в силу того, что «всплытие» возможно лишь при высокой скорости вращения вала. Пока всплытия не возникло, работают вкладыши, т.е. подшипник в этом режиме фактически является подшипником скольжения. Но это не так критично. В одном из экспериментов ротор разгонялся до 90 000 оборотов в минуту, а затем сила разгона устранялась, ротор предоставлялся самому себе до полного останова. Вкладыши подшипника скольжения выдержали цикл запуска – останова почти 3000 раз.
Газодинамические подшипники автономны, для их работы не требуются компрессоры или другие источники нагнетания газа. Если использовать в качестве смазки воздух, то конструкция будет экономична и проста. Хороший теплоотвод в высокоскоростных приводах обеспечивают водород, гелий или смесь других инертных газов с высокой теплопроводностью. В этом случае конструкция подшипникового механизма выполняется герметичной, с газонаполненным корпусом.
Разработаны конструкции газодинамических подшипников с вращающимся шипом и неподвижной втулкой, и конструкции обращенного типа, т.е. конструкции, в которых вращается втулка, а шип (т.е. цапфа) неподвижен.
Гидростатический подшипник
Гидростатический подшипник, рисунок ДП-3 – это, по сути, подшипник скольжения, в который смазка подается под давлением (как правило, масляным насосом) из внешнего бака. Мы рассмотрели подшипники скольжения выше. Подшипники скольжения классов 4 и 5 в большинстве случаев являются гидростатическими. Несущая способность такого подшипника определяется, главным образом, давлением, под которым подаётся смазка и слабо зависит от окружной скорости поверхности вала.
Рисунок ДП-3. Гидростатический подшипник, (1) – ротор, (2) – Статическая часть подшипникового механизма, (З) – система подачи смазывающей жидкости под давлением. Смазывающая жидкость обеспечивает отсутствие прямого физического контакта между ротором и статором.
Гидростатические подшипники по принципу физического устройства практически ничем не отличаются от газостатических. Но при численном расчёте тех и других всё равно встанет вопрос, какими членами системы общих газодинамических уравнений Навье – Стокса можно пренебречь, и как сформулировать граничные условия для того или иного вида поверхностей, свойств используемых газов или жидкостей.
Даже при современных вычислительных мощностях и продвинутых численных методах решения уравнений в частных производных «математически» спроектировать гидростатический подшипник затруднительно.
Требуются макетирование и сложные экспериментальные работы.
Гидродинамические подшипники
Такой подшипник скольжения похож на насос. Для того чтобы перемещать вязкую жидкость из области с низким давлением в область с высоким давлением, необходима внешняя энергия. Смазка, прилипшая к твердым поверхностям подшипника, при вращении вала сопротивляется перемешиванию из-за своей вязкости, и выдавливается в область повышенного давления. В результате смазка обеспечивает зазор между твердыми поверхностями деталей подшипника.
Гидродинамическим называется подшипник (по сути – подшипник скольжения), в котором создается область повышенного давления, удерживающая нагрузку. Внешний масляный насос не требуется.
Гидродинамические подшипники нашли широкое применение в системах охлаждения космических аппаратов. Отсутствие силы веса позволило разработать конструкции перекачивающих насосов, в которых турбина – ротор легко «всплывает» в потоке жидкости и далее вращается без физического контакта с элементами подающего и отводящего трубопровода. Роль смазки при этом выполняет сама перекачиваемая жидкость.
Магнитные подшипники
Магнитный подшипник в качестве «смазки» используют электромагнитное поле. Электромагнитная левитация обеспечивает полное отсутствие трения между подвижными частями механизма.
Магнитные подшипники подразделяются на пассивные и активные.
Пассивные магнитные подшипники – это подшипники на постоянных магнитах, например, неодимовых.
Неодимовые магниты обладают удивительной силой сцепления или отталкивания. В отличие от статических или динамических газовых и гидравлических подшипников это их свойство позволило создать подшипник, который не утрачивает своих свойств при любой скорости. Всё же возможности пассивных подшипников невелики, их использование носит «исследовательский» характер. Пассивный магнитный подшипник прекрасно работает, удерживая одну сторону оси вала без контакта со втулкой. Но так как он не в состоянии создать осевых усилий стабилизации, с другой стороны оси требуется радиально-упорный подшипник.
Активный магнитный подшипник может не только обеспечить отсутствие физического контакта между вращающейся осью и статором, но и одновременно приводить ротор в движение.
Активные магнитные подшипники – это подшипники с изменяющимся магнитным полем, порождаемым якорем и обмоткой.
Активный магнитный подшипник – электронное устройство, использующее принцип обратной связи, рисунок ДП-4.
Рисунок ДП-4. Активный магнитный подшипник. Схема управления.
Магнитные подшипники позволяют полностью исключить наличие смазки и, следовательно, систему смазки в целом.
Ротор (ось) «висит» как в случае, если она не вращается, так и в случае вращения с любым количеством оборотов, доступных ротору в силу его конструктивных особенностей.
Единственный, но существенный недостаток магнитного подшипника – сложность компенсации усилий, приложенных вдоль оси.
Поэтому магнитный подшипник обычно используется только в паре с упорным, радиально – упорным, упорно – радиальным.
Создание магнитного подшипника – это один из технологических прорывов, порождённых гонкой ядерных вооружений.
Для получения оружейного урана было необходимо разработать приемлемые по стоимости методы разделения изотопов урана.
Оказалось, что лучшим вариантом является использование центрифуг. Но при этом внутренняя поверхность ротора центрифуги, для того, чтобы процесс разделения изотопов урана «пошел», должна двигаться с линейной скоростью свыше 600 метром в секунду по отношению к статическому корпусу.
Обеспечить такие скорости движения оказалось возможным при создании особо точных и особо прочных конструкций и подходящих подшипников.
Если говорить о подшипниках, то нижний выполнен в виде иглы, изготовленной из окиси алюминия, Al2O3, т.е. корунда. В кристаллическом виде корунд – это рубин, один из самых драгоценных камней на планете.
Корундовая игла является главной частью нижнего подшипника, обеспечивающего принятие осевых усилий в центрифуге.
Верхний подшипник – магнитный, он практически без трения обеспечивает вращение ротора в разреженной среде шестифтористого урана.
Сверхпрочный нижний корундовый подшипник трения и верхний, магнитный, работающий практически без трения, позволяет центрифуге работать десятки лет без останова. Батареи из тысяч центрифуг обеспечивают разделение изотопов и получение сырья для тепловыделяющих элементов атомных электростанций и для ядерных боеголовок.
Кто мог предположить, что, придумав колесо, жернов, ветряк, догадавшись смазать их оси свиным жиром или дёгтем, человек вышел на путь безграничного технического прогресса, одной из ступеней которого стало создание атомной бомбы.