Гидравлические и пневматические подшипники

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Устройство для демонстрации гидродинамического подшипника

Гидравлические подшипники — это подшипники, в которых непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости.

Гидравлические и пневматические подшипники часто используются при больших нагрузках, больших скоростях и при необходимости обеспечить точную посадку вала, когда обычные шарикоподшипники создают слишком большую вибрацию, слишком большой шум или не удовлетворяют условиям размерности оборудования или условиям долговечности. Они всё чаще и чаще используются вследствие снижающейся стоимости. Например, компьютерные жёсткие магнитные диски, у которых вал электродвигателя посажен на гидравлические подшипники, работают тише, и они дешевле, чем те же диски, содержащие шарикоподшипники.

Принцип действия

коэффициент трения
остаётся очень мал (может достигать значений 10−7)
В «фольговом» газодинамическом подшипнике при десятках тысяч об/мин окружающий воздух подсасывается между шейкой вала и упругим лепестком, создавая зазор
устройство «фольгового» подшипника
Несущая способность динамического подшипника линейно растёт с увеличением скорости вращения

Эти подшипники в общем случае могут быть разделены на два типа:

  • гидродинамические и газодинамические;
  • гидростатические.

В гидростатическом подшипнике высокое давление жидкости поддерживается внешним насосом. Жидкостью в них служит обычно масло или вода. Поскольку такие подшипники для своей работы требуют нагнетания жидкости от внешнего насоса, то энергия, подводимая к насосу, для системы в целом является потерянной энергией. Однако, в отсутствие насоса эта энергия расходовалась бы на преодоление сил трения.

В гидродинамическом подшипнике при вращении вала на больших скоростях жидкость увлекается валом в пространство между поверхностями трения, и таким образом осуществляется самосмазывание. Можно рассматривать его как подшипник скольжения, в котором геометрия, достаточная скорость вращения и свободная подача смазки делают масляный слой достаточно толстым, чтобы полностью исключить контактное трение на любых рабочих режимах.

В этих подшипниках жидкость засасывается внутрь подшипника движением вала и нагнетается под вал или вокруг него так же движением вала. Вследствие этого при небольших скоростях вращения вала (в том числе, в момент старта и торможения) слой жидкости под валом имеет недостаточную толщину, а это приводит к непосредственному контакту деталей пары. Если такие режимы случаются достаточно часто, то подшипник имеет меньший срок службы, и в нём происходят большие потери энергии. Иногда для предотвращения указанных проблем в гидродинамических подшипниках используют либо вторичный подшипник, либо внешний насос, которые включаются в работу в момент запуска или торможения. Специальные износостойкие и антифрикционные покрытия (например,алмазоподобные[англ.]) также способны значительно уменьшить пусковой износ. Часто оговаривается число пусков/остановок машины до ремонта с заменой подшипника, которое может быть очень малым в сравнении с общим ресурсом.

Вал может быть окружён не жёсткой втулкой, а несколькими упругими лепестками или разрезным кольцом из пружинящей фольги на упругой опоре («фольговый подшипник») для равномерного распределения нагрузки по поверхности пары. Лепестковые (и вообще газодинамические) подшипники существуют и в торцевом (упорном) исполнении[1].

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Гидравлические и пневматические подшипники, в общем, имеют очень малые коэффициенты трения — намного меньше, чем у механических подшипников. Основной источник трения — это вязкость жидкости или газа. Поскольку у газа вязкость меньше, чем у жидкости, то газостатические подшипники относятся к числу подшипников с наименьшими коэффициентами трения. Однако, чем меньше вязкость жидкости, тем выше утечки, что требует дополнительных затрат на нагнетание жидкости (или газа) в подшипник. Такие подшипники также требуют применения уплотнений и, чем лучше уплотнение, тем выше силы трения.
  • Гидравлические и пневматические подшипники, как правило, работают
    жёсткие диски, изготовленные с использованием гидравлических (пневматических) подшипников, имеют уровень шума подшипников/двигателей порядка 20-24 дБ, что не намного больше, чем фоновый шум в закрытой комнате. Диски с подшипниками качения как минимум на 4 дБ
    более шумные.
Также большинство гидравлических и пневматических подшипников требует небольших затрат на техническое обслуживание или не требует их вовсе. Кроме того, у них практически неограниченный срок службы. Обычные подшипники качения имеют более короткий срок службы и требуют регулярной смазки, проверки и замены.
  • Гидростатические и многие пневматические подшипники более сложны и дороги, чем гидродинамические, вследствие наличия насоса.

Недостатки

  • В гидродинамических подшипниках обычно рассеивается больше энергии, чем в шарикоподшипниках.
  • Рассеивание энергии в подшипниках, а также жёсткость и их демпфирующие свойства очень сильно зависят от температуры, что усложняет разработку подшипников и их работу в широком температурном диапазоне.
  • Гидравлические и пневматические подшипники могут внезапно заклинивать или разрушаться в критических ситуациях. Шарикоподшипники чаще выходят из строя постепенно, этот процесс сопровождается появлением слышимых посторонних шумов и люфта.
  • Дисбаланс вала и других деталей в гидравлических и пневматических подшипниках больше аналогичного дисбаланса в шарикоподшипниках, что приводит к возникновению более сильной прецессии, ведущей к сокращению срока службы и подшипника и ухудшению его показателей качества[источник не указан 3322 дня].
  • Ещё одним недостатком гидравлических и пневматических подшипников являются утечки жидкости или газа наружу подшипника; удержание жидкости или газа внутри подшипника может представлять значительные трудности. Цапфы гидравлических и пневматических подшипников часто устанавливают по две и по три друг за другом во избежание утечек с одной из сторон. Гидравлические подшипники, в которых используется масло, не применяются в тех случаях, когда утечки масла в окружающую среду недопустимы, или когда их обслуживание экономически нецелесообразно.

Применение гидродинамических подшипников

Гидродинамические подшипники получили наиболее широкое применение в машинах благодаря простоте конструкции, хотя в периоды пуска и остановки, на малых оборотах они работают в условиях

граничного смазывания
или даже «сухого» трения.

Применение газодинамических подшипников

Газодинамические подшипники нашли широкое применение в газотурбинной технике и скоростных пневматических турбомашинах. Основные преимущества их в этой области — долговечность в тяжёлых условиях без необходимости смазки, устойчивость к температурным воздействиям, отсутствие вибраций и практически неограниченная скорость вращения. «Воздушные» подшипники используются во вспомогательных авиационных турбинах, энергетических

криогенных температурах делают возможным применение таких подшипников в турбодетандерах на производстве сжиженных газов. Созданы турбокомпрессоры с газодинамическим подшипником для наддува поршневых ДВС. Отсутствие смазочного масла упрощает конструкцию, уменьшает массу и увеличивает надёжность этого проблемного[4]
узла.

По принципу газодинамического подшипника работает пара «головка-магнитная поверхность» жёсткого диска, в которой при вращении создаётся воздушный клин в доли микрона, исключающий контактное трение, а также пара «лента-вращающаяся головка» видеомагнитофона.

Примечания

  1. http://foil-bearing.ru Архивная копия от 31 мая 2022 на Wayback Machine Страница отечественных разработчиков лепестковых подшипников
  2. Воздушные подшипники микротурбин. Дата обращения: 22 апреля 2015. Архивировано 18 февраля 2015 года.
  3. MiTi — Foil Bearing — Oil-Free Bearing — Tribometer — Turbocharger Архивная копия от 16 февраля 2015 на Wayback Machine
  4. http://info.inodetal.ru/avtozapchasti/malenkie-xitrosti/pochemu-gonit-maslo-turbina/ Архивная копия от 24 апреля 2015 на Wayback Machine Почему турбина «гонит масло»? (о неисправностях автомобильного турбокомпрессора)

Литература