Жидкостные подшипники — это подшипники , в которых нагрузка поддерживается тонким слоем быстро перемещающейся жидкости или газа под давлением между поверхностями подшипника. [1] Поскольку между движущимися частями нет контакта, отсутствует трение скольжения , что позволяет жидкостным подшипникам иметь меньшее трение, износ и вибрацию, чем многие другие типы подшипников. Таким образом, при правильной эксплуатации некоторые жидкостные подшипники могут иметь почти нулевой износ. [1]
Их можно разделить на два типа: гидродинамические подшипники (также известные как гидродинамические подшипники ) и гидростатические подшипники . Гидростатические подшипники представляют собой жидкостные подшипники с внешним давлением, в которых жидкостью обычно является масло, вода или воздух, а давление создается насосом. Гидродинамические подшипники полагаются на высокую скорость шейки (части вала, опирающейся на жидкость) для создания давления жидкости в клине между поверхностями. Жидкостные подшипники часто используются в приложениях с высокими нагрузками, высокой скоростью или высокой точностью, где обычные шарикоподшипники сократили бы срок службы или вызвали бы высокий шум и вибрацию. Они также все чаще используются для снижения затрат. Например, жидкостные подшипники двигателя жесткого диска тише и дешевле, чем шарикоподшипники, которые они заменяют. Приложения очень универсальны и могут использоваться даже в изделиях сложной геометрии, таких как ходовые винты . [2]
Гидравлический подшипник, возможно, был изобретен французским инженером-строителем Л.Д. Жираром, который в 1852 году предложил систему железнодорожного движения, включающую гидравлические подшипники с водяным питанием. [3] [1]
Жидкостные подшипники — это бесконтактные подшипники, в которых используется тонкий слой быстро движущейся жидкости под давлением или газообразной жидкости между движущимися поверхностями подшипника, обычно герметизированный вокруг или под вращающимся валом. [1] Движущиеся части не соприкасаются, поэтому трение скольжения отсутствует ; сила нагрузки поддерживается исключительно давлением движущейся жидкости. Существует два основных способа подачи жидкости в подшипник:
Гидростатические подшипники полагаются на внешний насос. Мощность, необходимая для этого насоса, способствует потерям энергии в системе, как и в противном случае трение подшипника. Лучшие уплотнения могут снизить скорость утечек и мощность перекачки, но могут увеличить трение.
Гидродинамические подшипники полагаются на движение подшипника для всасывания жидкости в подшипник и могут иметь высокое трение и короткий срок службы на скоростях ниже расчетных, а также во время запусков и остановок. Для запуска и остановки можно использовать внешний насос или вторичный подшипник, чтобы предотвратить повреждение гидродинамического подшипника. Вторичный подшипник может иметь высокое трение и короткий срок службы, но в целом иметь хороший срок службы, если запуск и остановка подшипника происходят нечасто.
Гидродинамическая (HD) смазка , также известная как жидкостно-пленочная смазка, имеет следующие важные элементы:
Гидродинамическая (полнопленочная) смазка получается, когда две сопрягаемые поверхности полностью разделены когезионной пленкой смазочного материала.
Таким образом, толщина пленки превышает общую шероховатость поверхностей. Коэффициент трения ниже, чем при смазке пограничным слоем. Гидродинамическая смазка предотвращает износ движущихся частей и контакт металла с металлом.
Гидродинамическая смазка требует тонких сходящихся пленок жидкости. Эти жидкости могут быть жидкими или газообразными, при условии, что они обладают вязкостью. В компьютерном вентиляторе и вращающемся устройстве, таком как жесткий диск , головки поддерживаются гидродинамической смазкой, в которой пленка жидкости представляет собой атмосферу.
Масштаб этих пленок порядка микрометров. Их сближение создает давление, нормальное к поверхностям, с которыми они соприкасаются, и раздвигает их.
Три типа подшипников включают в себя:
Концептуально подшипники можно рассматривать как два основных геометрических класса: опорно-опорные (антифрикционные) и плоские ползуны (фрикционные).
Уравнения Рейнольдса можно использовать для вывода основных принципов поведения жидкостей. Обратите внимание, что при использовании газов процесс их получения гораздо сложнее.
Можно думать, что на тонкие пленки действуют силы давления и вязкости. Поскольку существует разница в скорости, будет и разница в векторах поверхностного сцепления. Из-за сохранения массы мы также можем предположить увеличение давления, что приведет к изменению массовых сил.
Характеристический номер подшипника: поскольку вязкость, скорость и нагрузка определяют характеристики гидродинамических условий, характеристический номер подшипника был разработан на основе их влияния на толщину пленки.
Поэтому,
C известен как характеристический номер подшипника .
Величина С в некоторой степени дает представление о том, будет ли гидродинамическая смазка или нет.
Жидкостные подшипники могут быть относительно дешевыми по сравнению с другими подшипниками с аналогичной грузоподъемностью. Подшипник может представлять собой просто две гладкие поверхности с уплотнениями для удержания рабочей жидкости. Напротив, для обычного подшипника качения может потребоваться множество высокоточных роликов сложной формы. Гидростатические и многие газовые подшипники сложнее и дороже, чем внешние насосы.
Большинство жидкостных подшипников практически не требуют обслуживания и имеют практически неограниченный срок службы. Обычные подшипники качения обычно имеют более короткий срок службы и требуют регулярного технического обслуживания. Гидростатические и аэростатические (газовые) подшипники перекачиваемых насосов сохраняют низкое трение вплоть до нулевой скорости и не требуют износа при запуске/остановке при условии, что насос не выйдет из строя.
Жидкостные подшипники обычно имеют очень низкое трение — намного лучше, чем механические подшипники. Одним из источников трения в жидкостном подшипнике является вязкость жидкости, приводящая к динамическому трению, которое увеличивается с увеличением скорости, но статическое трение обычно незначительно. Гидростатические газовые подшипники относятся к числу подшипников с самым низким коэффициентом трения даже на очень высоких скоростях. Однако более низкая вязкость жидкости также обычно означает более быструю утечку жидкости с поверхностей подшипников, что требует увеличения мощности насосов или трения от уплотнений.
Когда ролик или шарик сильно нагружены, зазоры жидкостных подшипников изменяются меньше под нагрузкой (они «жестче»), чем механические подшипники. Может показаться, что жесткость подшипника, как и максимальная расчетная нагрузка, является простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхности подшипника. На практике, когда опорные поверхности прижимаются друг к другу, отток жидкости ограничивается. Это значительно увеличивает давление жидкости между опорными поверхностями. Поскольку поверхности подшипников жидкости могут быть сравнительно больше, чем поверхности качения, даже небольшая разница давления жидкости вызывает большие восстанавливающие силы, поддерживающие зазор.
Однако в слабонагруженных подшипниках, таких как дисковые приводы, типичная жесткость шарикоподшипников составляет ~ 10^7 МН/м. Сопоставимые жидкостные подшипники имеют жесткость ~ 10^6 МН/м. [ нужна ссылка ] Из-за этого некоторые жидкостные подшипники, особенно гидростатические подшипники, намеренно спроектированы так, чтобы обеспечить предварительную нагрузку на подшипник для увеличения жесткости.
Жидкостные подшипники часто по своей сути добавляют значительное демпфирование. Это помогает ослабить резонансы на гироскопических частотах подшипников скольжения (иногда называемые коническими режимами или режимами качания).
Очень трудно сделать механический подшипник, который был бы атомарно гладким и круглым; Механические подшипники деформируются при работе на высоких скоростях из-за центростремительной силы . Напротив, жидкостные подшипники самостоятельно исправляют незначительные дефекты и небольшие деформации.
Жидкостные подшипники обычно более тихие и плавные (более равномерное трение), чем подшипники качения. Например, жесткие диски , изготовленные с жидкостными подшипниками, имеют уровень шума подшипников/двигателей порядка 20–24 дБ , что немного больше, чем фоновый шум в тихой комнате. Приводы на основе подшипников качения обычно шумят как минимум на 4 дБ выше.
Жидкостные подшипники могут быть изготовлены с более низким NRRO (неповторяемым биением), чем шариковые подшипники или подшипники качения. Это может иметь решающее значение для современных жестких дисков и сверхточных шпинделей.
Подшипники с наклонными подушками используются в качестве радиальных подшипников для поддержки и фиксации валов в компрессорах.
Фольгированные подшипники представляют собой тип гидродинамических воздушных подшипников, которые были внедрены в высокоскоростных турбинах в 1960-х годах компанией Garrett AiResearch . В качестве рабочей жидкости в них используется газ, обычно воздух, и они не требуют внешней системы давления, но нуждаются в тщательной конструкции, чтобы предотвратить износ во время раскрутки и замедления, когда подшипник вступает в физический контакт.
Резиновые подшипники с водяной смазкой имеют длинный цилиндрический металлический корпус, в котором размещено несколько резиновых планок , разделенных осевыми канавками. Использование подшипника имеет три основных преимущества: (i) перекачиваемая вода, проходящая через подшипник, удобно используется в качестве смазки, что снижает стоимость эксплуатации насоса; (ii) поток воды отводит тепло и мелкие частицы через канавки подшипника; и (iii) естественная упругость резины придает подшипнику хорошие свойства по поглощению ударов и вибраций, а также износостойкость. Резиновые подшипники с водяной смазкой работают в условиях смешанной смазки. [5]
В отличие от контактных роликовых подшипников, в воздушном подшипнике (или воздушном ролике ) используется тонкая пленка сжатого воздуха, обеспечивающая несущую поверхность с чрезвычайно низким коэффициентом трения между поверхностями. Две поверхности не соприкасаются. Будучи бесконтактными, воздушные подшипники позволяют избежать традиционных проблем, связанных с подшипниками, таких как трение, износ, попадание твердых частиц и обращение со смазкой, и предлагают явные преимущества в точном позиционировании, например, отсутствие люфта и залипания, а также в высокоскоростных приложениях.
Жидкостная пленка подшипника представляет собой воздух, который проходит через сам подшипник к его поверхности. Конструкция воздушного подшипника такова, что, хотя воздух постоянно выходит из зазора подшипника, давления между гранями подшипника достаточно для выдерживания рабочих нагрузок. Это давление может создаваться снаружи (аэростатическое) или внутри (аэродинамическое).
Аэродинамические подшипники могут эксплуатироваться только при высоких скоростях, аэростатические подшипники необходимы для выдерживания нагрузок на низких скоростях. Оба типа требуют высокочистой поверхности и точного изготовления.
Аэрохоккей — это игра, основанная на аэростатическом подшипнике, который подвешивает шайбу и лопасти игроков, чтобы обеспечить низкое трение и, таким образом, поддерживать высокую скорость шайбы. В подшипнике используется плоская плоскость с периодическими отверстиями, через которые подается воздух, давление которого чуть превышает давление окружающей среды. Шайба и ракетки лежат в воздухе.
Гидравлические динамические подшипники с наклоняемыми подушками Michell/Kingsbury были изобретены независимо и почти одновременно австралийцем британского происхождения Энтони Джорджем Малдоном Мичеллом и американским трибологом Альбертом Кингсбери . Обе конструкции были почти идентичны, за исключением различий в способе поворота колодок. Мичелл математически вычислил распределение давления в месте расположения шарнира линии, позволяющего нагрузке действовать через точку максимального давления жидкости. В патенте Кингсбери такой математический подход отсутствовал, и точка поворота колодки была расположена в геометрическом центре подшипника. [6] Патент Мичелла (в Великобритании и Австралии) был выдан в 1905 году, а первая попытка запатентовать Кингсбери была в 1907 году. Патент Кингсбери в США был в конечном итоге выдан в 1911 году после того, как он продемонстрировал, что работал над этой концепцией в течение многих лет. Как заявил Сидни Уокер, давний сотрудник Michell, выдача патента Кингсбери стала «ударом, который Мичеллу было трудно принять».
Подшипник имеет секционные башмаки или подушки на шарнирах. Когда подшипник работает, вращающаяся часть подшипника переносит свежее масло в область колодок за счет вязкого сопротивления . Давление жидкости заставляет колодку слегка наклоняться, создавая узкое сужение между колодкой и другой опорной поверхностью. За этим сужением образуется клин жидкости под давлением, разделяющий движущиеся части. Наклон колодки адаптивно меняется в зависимости от нагрузки на подшипник и скорости. Различные детали конструкции обеспечивают постоянную подачу масла во избежание перегрева и повреждения колодок. [7]
Жидкостные подшипники Michell/Kingsbury используются в широком спектре тяжелого вращающегося оборудования, в том числе на гидроэлектростанциях для поддержки турбин и генераторов весом в сотни тонн. Они также используются в очень тяжелой технике, например, в морских гребных валах .
Вероятно, первый действующий подшипник с наклонной подушкой был построен в 1907 году компанией George Weymoth (Pty) Ltd (под руководством AGM Michell) для центробежного насоса в Кохуне на реке Мюррей, Виктория, Австралия, всего через два года после того, как Мичелл опубликовал и запатентовал свое трехмерное решение уравнения Рейнольдса . К 1913 году большие преимущества подшипников с наклонной опорой для морского применения были признаны. Первым британским кораблем, оснащенным подшипником, был пароход « Париж » , пересекающий Ла-Манш , но во время Первой мировой войны многие военно-морские суда были оборудованы аналогичным образом . Практические результаты были впечатляющими: проблемный упорный блок стал значительно меньше и легче, значительно эффективнее и практически без проблем с обслуживанием. Было подсчитано, что только в 1918 году Королевский флот сэкономил уголь на сумму 500 000 фунтов стерлингов благодаря установке подшипников с наклонными подушками Мичелла.
По данным ASME (см. ссылку), первый жидкостный подшипник Michell/Kingsbury в США был установлен на гидроэлектростанции Холтвуд (на реке Саскуэханна , недалеко от Ланкастера, штат Пенсильвания , США) в 1912 году. Подшипниковые опоры массой 2,25 тонны водяная турбина и электрогенератор с вращающейся массой около 165 тонн и давлением гидротурбины, добавляющим еще 40 тонн. Подшипник находится в практически непрерывной эксплуатации с 1912 года, без замены деталей. ASME сообщило, что по состоянию на 2000 год он все еще находился в эксплуатации . По оценкам производителя, по состоянию на 2002 год подшипники в Холтвуде должны иметь срок службы без обслуживания около 1300 лет.
До сих пор подшипники с наклонными опорами играют важную роль во вращающемся оборудовании, таком как детандеры, насосы, газовые или паровые турбины или компрессоры. Помимо традиционных баббитовых подшипников, которые использовались с начала 20-го века, современные производители, такие как Miba, используют и другие материалы, например бронзу или медно-хромовую бронзу, для улучшения характеристик подшипников. [8]