Жидкостные подшипники — это подшипники , в которых нагрузка поддерживается тонким слоем быстро движущейся жидкости или газа под давлением между поверхностями подшипника. [1] Поскольку между движущимися частями нет контакта, нет и трения скольжения , что позволяет жидкостным подшипникам иметь меньшее трение, износ и вибрацию, чем многие другие типы подшипников. Таким образом, некоторые жидкостные подшипники могут иметь почти нулевой износ при правильной эксплуатации. [1]
Их можно в целом разделить на два типа: гидродинамические подшипники (также известные как гидродинамические подшипники ) и гидростатические подшипники . Гидростатические подшипники представляют собой жидкостные подшипники с внешним давлением, где жидкостью обычно является масло, вода или воздух, и нагнетается насосом. Гидродинамические подшипники полагаются на высокую скорость цапфы (часть вала, покоящаяся на жидкости) для нагнетания давления жидкости в клин между поверхностями. Жидкостные подшипники часто используются в приложениях с высокой нагрузкой, высокой скоростью или высокой точностью, где обычные шарикоподшипники сократили бы срок службы или вызвали бы высокий уровень шума и вибрации. Они также все чаще используются для снижения стоимости. Например, жидкостные подшипники двигателя жесткого диска и тише, и дешевле, чем шарикоподшипники, которые они заменяют. Применения очень универсальны и могут использоваться даже в сложных геометриях, таких как ходовые винты . [2]
Жидкостный 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 или газа под давлением 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, требуемая этим насосом, способствует потере энергии в системе, как и трение подшипника в противном случае. Лучшие уплотнения могут снизить скорость утечки и мощность накачки, 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 проектных или во время пусков и остановок. Внешний насос или вторичный подшипник могут использоваться для пуска и остановок, чтобы предотвратить повреждение гидродинамического подшипника. Вторичный подшипник может иметь высокое трение и короткий срок службы, но хороший общий срок службы, если пуски и остановки подшипника происходят нечасто.
Гидродинамическая (HD) смазка , также известная как смазка жидкой пленкой, имеет следующие основные элементы:
Гидродинамическая (полная пленочная) смазка достигается, когда две сопрягаемые поверхности полностью разделены плотной пленкой смазки.
Толщина пленки, таким образом, превышает суммарную шероховатость поверхностей. Коэффициент трения ниже, чем при смазке граничным слоем. Гидродинамическая смазка предотвращает износ движущихся частей, а также предотвращает контакт металла с металлом.
Гидродинамическая смазка требует тонких, сходящихся пленок жидкости. Эти жидкости могут быть жидкими или газообразными, если они обладают вязкостью. В компьютерном вентиляторе и вращающемся устройстве, таком как жесткий диск , головки поддерживаются гидродинамической смазкой, в которой пленкой жидкости является атмосфера.
Масштаб этих пленок составляет порядка микрометров. Их схождение создает давление, нормальное к соприкасающимся поверхностям, заставляя их раздвигаться.
Существуют три типа подшипников:
Концептуально подшипники можно разделить на два основных геометрических класса: подшипники скольжения (антифрикционные) и подшипники скольжения (фрикционные).
Уравнения Рейнольдса можно использовать для вывода руководящих принципов для жидкостей. Обратите внимание, что при использовании газов их вывод становится гораздо более сложным.
Можно предположить, что на тонкие пленки действуют силы давления и вязкости. Поскольку существует разница в скорости, будет и разница в векторах поверхностного натяжения. Из-за сохранения массы мы также можем предположить увеличение давления, что делает силы тела другими.
Характеристическое число подшипника: поскольку вязкость, скорость и нагрузка определяют характеристики гидродинамического состояния, характеристическое число подшипника было разработано на основе их влияния на толщину пленки.
Поэтому,
C известно как характеристическое число подшипника .
Значение C 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 быть таким же простым, как две гладкие поверхности с уплотнениями для удержания рабочей жидкости. Напротив, обычный роликовый подшипник может потребовать много высокоточных роликов со сложными формами. Гидростатические и многие газовые подшипники имеют сложность и стоимость внешних насосов.
Большинство жидкостных подшипников требуют незначительного или нулевого обслуживания и имеют практически неограниченный срок службы. Обычные роликовые подшипники обычно имеют более короткий срок службы и требуют регулярного обслуживания. Насосные гидростатические и аэростатические (газовые) конструкции подшипников сохраняют низкое трение вплоть до нулевой скорости и не должны подвергаться износу при запуске/остановке, при условии, что насос не выходит 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 со скоростью, но статическое трение обычно незначительно. Гидростатические газовые подшипники являются одними из самых низких по трению подшипников даже на очень высоких скоростях. Однако более низкая вязкость жидкости также обычно означает, что жидкость быстрее вытекает с поверхностей подшипника, что требует повышенной мощности для насосов или трения от уплотнений.
Когда ролик или шарик сильно нагружены, жидкостные подшипники имеют зазоры, которые меньше изменяются под нагрузкой (они «жестче»), чем механические подшипники. Может показаться, что жесткость подшипника, как и при максимальной расчетной нагрузке, будет простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхности подшипника. На практике, когда поверхности подшипника прижимаются друг к другу, отток жидкости ограничивается. Это значительно увеличивает давление жидкости между поверхностями подшипника. Поскольку поверхности подшипника жидкости могут быть сравнительно больше поверхностей качения, даже небольшие различия в давлении жидкости вызывают большие восстанавливающие силы, сохраняя зазор.
Однако в подшипниках с небольшой нагрузкой, таких как дисковые приводы, типичная жесткость шарикоподшипников составляет ~10^7 МН/м. Аналогичные жидкостные подшипники имеют жесткость ~10^6 МН/м. [ необходима цитата ] Из-за этого некоторые жидкостные подшипники, особенно гидростатические подшипники, намеренно проектируются с предварительной нагрузкой подшипника для увеличения жесткости.
Жидкостные подшипники часто изначально добавляют значительное демпфирование. Это помогает ослабить резонансы на гироскопических частотах подшипников скольжения (иногда называемых коническими или качающимися модами).
Очень сложно сделать механический подшипник, который был бы атомарно гладким и круглым; и механические подшипники деформируются при высокоскоростной работе из-за центростремительной силы . Напротив, жидкостные подшипники самокорректируются при незначительных дефектах и небольших деформациях.
Жидкостные подшипники обычно тише и плавнее (более равномерное трение), чем подшипники качения. Например, жесткие диски, изготовленные с жидкостными подшипниками, имеют показатели шума для подшипников/двигателей порядка 20–24 дБ , что немного больше фонового шума тихой комнаты. Диски на основе подшипников качения обычно как минимум на 4 дБ шумнее.
Жидкостные подшипники могут быть изготовлены с более низким NRRO (неповторяющимся биением), чем шариковые или роликовые подшипники. Это может быть критически важным в современных жестких дисках и сверхточных шпинделях.
Шарнирные подшипники используются в качестве радиальных подшипников для поддержки и фиксации валов в компрессорах.
Подшипники из фольги — это тип гидродинамических воздушных подшипников, которые были внедрены в высокоскоростные турбинные приложения в 1960-х годах Garrett AiResearch . Они используют газ в качестве рабочей жидкости, обычно воздух, и не требуют внешней системы наддува, но требуют тщательной конструкции для предотвращения износа во время вращения вверх и вниз, когда подшипник входит в физический контакт.
Подшипники с водяной смазкой из резины имеют длинную цилиндрическую металлическую оболочку, в которой размещены многочисленные резиновые планки , разделенные осевыми канавками. Использование подшипника имеет три основных преимущества: (i) прокачиваемая 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 для поглощения ударов и вибрации и износостойкости. Подшипники с водяной смазкой из резины работают в условиях смешанной смазки. [5]
В отличие от контактных роликовых подшипников, воздушный подшипник (или воздушный ролик ) использует тонкую пленку сжатого воздуха для обеспечения чрезвычайно низкого трения между поверхностями. Две поверхности не соприкасаются. Будучи бесконтактными, воздушные подшипники избегают традиционных проблем, связанных с подшипниками, таких как трение, износ, твердые частицы и обработка смазки, и предлагают явные преимущества в точном позиционировании, такие как отсутствие люфта и залипания, а также в высокоскоростных приложениях.
Жидкостная пленка подшипника представляет собой воздух, который протекает через сам подшипник к поверхности подшипника. Конструкция воздушного подшипника такова, что, хотя воздух постоянно выходит из зазора подшипника, давление между поверхностями подшипника достаточно для поддержки рабочих нагрузок. Это давление может создаваться снаружи (аэростатическое) или изнутри (аэродинамическое).
Аэродинамические подшипники могут работать только в высокоскоростных приложениях, аэростатические подшипники требуются для восприятия нагрузки на низкой скорости. Оба типа требуют высокообработанных поверхностей и точного изготовления.
Воздушный хоккей — игра, основанная на аэростатическом подшипнике, который удерживает шайбу и лопасти игроков, обеспечивая низкое трение и, таким образом, поддерживая высокую скорость шайбы. Подшипник использует плоскую плоскость с периодическими отверстиями, которые подают воздух с давлением чуть выше давления окружающей среды. Шайба и лопасти покоятся на воздухе.
Жидкостные динамические подшипники с наклонными сегментами 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 подходе, используемом для поворота прокладок. Мичелл математически вывел распределение давления, где был размещен линейный шарнир, позволяющий нагрузке действовать через точку максимального давления жидкости. В патенте Кингсбери отсутствовал этот математический подход, и точка поворота прокладки была помещена в геометрический центр подшипника. [6] Патент Мичелла (в Великобритании и Австралии) был выдан в 1905 году, в то время как первая попытка патентования Кингсбери была в 1907 году. Патент США Кингсбери в конечном итоге был выдан в 1911 году после того, как он продемонстрировал, что работал над этой концепцией в течение многих лет. Как заявил Сидни Уокер, давний сотрудник Мичелла, выдача патента Кингсбери была «ударом, который Мичеллу было трудно принять».
Подшипник имеет секционные башмаки или накладки на шарнирах. Когда подшипник работает, вращающаяся часть подшипника переносит свежее масло в область накладки через вязкое сопротивление . Давление жидкости заставляет накладку слегка наклоняться, создавая узкое сужение между башмаком и другой поверхностью подшипника. Клин из находящейся под давлением жидкости образуется за этим сужением, разделяя движущиеся части. Наклон накладки адаптивно изменяется в зависимости от нагрузки на подшипник и скорости. Различные детали конструкции обеспечивают постоянное пополнение масла, чтобы избежать перегрева и повреждения накладки. [7]
Жидкостные подшипники Michell/Kingsbury используются в более широком спектре тяжелого вращающегося оборудования, в том числе на гидроэлектростанциях для поддержки турбин и генераторов весом в сотни тонн. Они также используются в очень тяжелых машинах, таких как валы морских гребных винтов .
Вероятно, первый эксплуатируемый подшипник с наклонными сегментами 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 Michell опубликовал и запатентовал свое трехмерное решение уравнения Рейнольдса . К 1913 году большие достоинства подшипника с наклонными сегментами были признаны для морского применения. Первым британским судном, оснащенным подшипником, был пароход Paris , пересекающий Ла-Манш , но многие военные суда были оснащены аналогичным образом во время Первой мировой войны . Практические результаты были впечатляющими — проблемный упорный блок стал значительно меньше и легче, значительно более эффективным и удивительно свободным от проблем с обслуживанием. Было подсчитано, что Королевский флот сэкономил уголь на сумму 500 000 фунтов стерлингов только в 1918 году в результате установки подшипников с наклонными сегментами Michell.
Согласно ASME (см. ссылку), первый подшипник Michell/Kingsbury в США был установлен на гидроэлектростанции Холтвуд (на реке Саскуэханна , недалеко от Ланкастера, штат Пенсильвания , США) в 1912 году. Подшипник весом 2,25 тонны поддерживает водяную турбину и электрогенератор с вращающейся массой около 165 тонн и давлением водяной турбины, добавляющим еще 40 тонн. Подшипник находится в почти непрерывной эксплуатации с 1912 года, без замены каких-либо деталей. ASME сообщил, что он все еще находился в эксплуатации по состоянию на 2000 год. По оценкам производителя, в 2002 году подшипники в Холтвуде должны были иметь срок службы без технического обслуживания около 1300 лет.
До сих пор подшипники с наклонными сегментами играют важную роль для вращающегося оборудования, такого как расширители, насосы, газовые или паровые турбины или компрессоры. Наряду с традиционными баббитовыми подшипниками, которые использовались с начала 20-го века, современные производители, такие как Miba, используют и другие материалы, например, бронзу или медно-хром, чтобы улучшить работу подшипников. [8]