Жидкий подшипник - Fluid bearing

Жидкостные подшипники находятся подшипники в котором нагрузка поддерживается тонким слоем быстро движущейся жидкости или газа под давлением между опорными поверхностями.[1] Поскольку между движущимися частями нет контакта, нет трение скольжения, что позволяет жидкостным подшипникам иметь более низкое трение, износ и вибрацию, чем у многих других типов подшипников. Таким образом, при правильной эксплуатации некоторые гидравлические подшипники могут иметь практически нулевой износ.[1]

Их можно условно разделить на два типа: гидродинамические подшипники (также известен как гидродинамические подшипники) и гидростатические подшипники. Гидростатические подшипники представляют собой жидкостные подшипники с внешним давлением, в которых текучей средой обычно является масло, вода или воздух, а повышение давления осуществляется с помощью насоса. Гидродинамические подшипники полагаются на высокую скорость журнал (часть вала, опирающаяся на жидкость) для создания давления жидкости в клине между поверхностями. Гидравлические подшипники часто используются при высоких нагрузках, высоких скоростях или высокоточных приложениях, где обычные шарикоподшипники будет иметь короткий срок службы или вызывать высокий уровень шума и вибрации. Они также все чаще используются для снижения стоимости. Например, привод жесткого диска Подшипники с моторной жидкостью работают тише и дешевле, чем заменяемые ими шариковые подшипники. Приложения очень универсальны и могут даже использоваться в сложных геометрических формах, таких как винты.[2]

Гидравлический подшипник, возможно, был изобретен французским инженером-строителем Л. Д. Жираром, который в 1852 году предложил систему движения железной дороги, включающую гидравлические подшипники с подачей воды.[3][1]

Операция

Гидростатический подшипник имеет две поверхности, на одной из которых жидкость проталкивается через ограничительное отверстие, так что она заполняет пространство между поверхностями и разделяет их. Если зазор между поверхностями уменьшается, то утечка через края подшипника уменьшается, а давление возрастает, заставляя поверхности снова расходиться, обеспечивая превосходный контроль зазора и низкое трение.

Гидравлические подшипники - это бесконтактные подшипники, в которых используется тонкий слой быстро движущейся жидкости или газа под давлением. жидкость между движущимися опорными поверхностями, обычно уплотненными вокруг вращающегося вала или под ним.[1] Движущиеся части не соприкасаются, поэтому нет трение скольжения; сила нагрузки поддерживается исключительно давлением движущейся жидкости. Есть два основных способа подачи жидкости в подшипник:

  • В статическая жидкость, гидростатический и много газ или же воздушные подшипникижидкость закачивается через отверстие или через пористый материал. Такие подшипники должны быть оснащены системой контроля положения вала, которая регулирует давление и расход жидкости в зависимости от скорости вращения и нагрузки на вал.[4]
  • В гидродинамические подшипникивращение подшипника всасывает жидкость на внутреннюю поверхность подшипника, образуя смазочный клин под валом или вокруг него.

Гидростатические подшипники опираются на внешний насос. Мощность, необходимая для этого насоса, способствует потере энергии в системе, как и трение в подшипниках. Более качественные уплотнения могут снизить скорость утечки и мощность откачки, но могут увеличить трение.

Гидродинамические подшипники полагаются на движение подшипника для всасывания жидкости в подшипник, и могут иметь высокое трение и короткий срок службы при скоростях ниже расчетных или во время пусков и остановок. Для запуска и останова можно использовать внешний насос или вторичный подшипник, чтобы предотвратить повреждение гидродинамического подшипника. Вторичный подшипник может иметь высокое трение и короткий срок службы, но хороший общий срок службы, если подшипник запускается и останавливается нечасто.

Гидродинамическая смазка

Гидродинамический (HD) смазка, также известный как смазка жидкой пленкой имеет необходимые элементы:

  1. А смазка, который должен быть вязкий жидкость.
  2. Гидродинамический поведение потока жидкости между несущий и журнал.
  3. Поверхности, между которыми движутся жидкие пленки, должны сходиться.

Гидродинамическая (полнопленочная) смазка достигается, когда две сопрягаемые поверхности полностью разделены когезионной пленкой смазочного материала.

Таким образом, толщина пленки превышает совокупную шероховатость поверхностей. Коэффициент трения ниже, чем при пограничной смазке. Гидродинамическая смазка предотвращает износ движущихся частей и предотвращает контакт металла с металлом.

Гидродинамическая смазка требует тонких сходящихся жидких пленок. Эти жидкости могут быть жидкими или газообразными, если они обладают вязкостью. В компьютерный вентилятор и прядильное устройство, подобное привод жесткого диска, 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 контактируют, заставляя их расходиться.

Подшипники трех типов:

  • Самодействующий: пленка существует из-за относительного движения. например подшипники со спиральными канавками.
  • Сжатая пленка: пленка существует из-за относительного нормального движения.
  • Внешнее давление: пленка существует из-за внешнего давления.

Концептуально подшипники можно рассматривать как два основных геометрических класса: подшипники с шейкой (антифрикционные) и плоско-скользящие (трение).

В Уравнения Рейнольдса может быть использован для получения руководящих принципов для жидкостей. Обратите внимание, что когда используются газы, их получение намного сложнее.

Можно подумать, что на тонкие пленки действуют давление и силы вязкости. Поскольку существует разница в скорости, будут отличаться векторы сцепления с поверхностью. Из-за сохранения массы мы также можем предположить увеличение давления, в результате чего силы тела будут другими.

  • Гидродинамическая смазка - характеристики:
    1. Пленка жидкости в точке минимальной толщины уменьшается по толщине при увеличении нагрузки.
    2. Давление в массе жидкости увеличивается по мере уменьшения толщины пленки из-за нагрузки.
    3. Давление в массе жидкости является наибольшим в некоторой точке, приближающейся к минимальному зазору, и самым низким в точке максимального зазора (из-за расхождения)
    4. Вязкость увеличивается с увеличением давления (большее сопротивление сдвигу)
    5. Толщина пленки в точке минимального зазора увеличивается при использовании более вязких жидкостей.
    6. При одинаковой нагрузке давление увеличивается по мере увеличения вязкости жидкости.
    7. С заданной нагрузкой и жидкостью толщина пленки будет увеличиваться с увеличением скорости.
    8. Трение жидкости увеличивается по мере увеличения вязкости смазочного материала.
  • Гидродинамические условия - Скорость жидкости:
    1. Скорость жидкости зависит от скорости цапфы или всадника.
    2. Увеличение относительной скорости ведет к уменьшению эксцентриситета центров подшипников скольжения.
    3. Это сопровождается большей минимальной толщиной пленки.
  • Гидродинамическое состояние - нагрузка:
    1. Увеличение нагрузки уменьшает минимальную толщину пленки
    2. Также увеличивает давление в массе пленки для создания противодействующей силы
    3. Давление действует во всех направлениях, поэтому оно имеет тенденцию выдавливать масло из концов подшипника.
    4. Повышение давления увеличивает вязкость жидкости


Характеристическое число подшипника: поскольку вязкость, скорость и нагрузка определяют характеристики гидродинамических условий, характеристическое число подшипника было разработано на основе их влияния на толщину пленки.

Увеличение скорости увеличивается мин. толщина пленки
Увеличение вязкости увеличивается мин. толщина пленки
Увеличение нагрузки уменьшается мин. толщина пленки

Следовательно,

Вязкость × скорость / удельная нагрузка = безразмерное число = C

C известен как характеристический номер подшипника.

Значение C, в некоторой степени, дает представление о том, будет ли гидродинамическая смазка или нет

Характеристики и принципы[не обсуждается] операции

Жидкостные подшипники могут быть относительно дешевыми по сравнению с другими подшипники с аналогичной грузоподъемностью. Подшипник может быть таким простым, как две гладкие поверхности с уплотнениями, удерживаемыми в рабочей жидкости. В отличие от обычного подшипник качения может потребоваться множество высокоточных роликов сложной формы. Гидростатические и многие газовые подшипники имеют сложность и дороговизну по сравнению с внешними насосами.

Большинство жидких подшипников практически не требуют обслуживания и имеют почти неограниченный срок службы. Обычные подшипники качения обычно имеют более короткий срок службы и требуют регулярного обслуживания. Насосная гидростатическая и аэростатический (газовый) Конструкции подшипников сохраняют низкое трение вплоть до нулевой скорости и не должны страдать от износа при запуске / останове, если 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, приводящей к динамическому трению, которое увеличивается с увеличением скорости, но трением покоя обычно можно пренебречь. 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 подшипника, что требует увеличения мощности для насосов или трения уплотнений.

Когда ролик или шарик сильно нагружены, жидкостные подшипники имеют зазоры, которые меньше меняются под нагрузкой («жестче»), чем механические подшипники. Может показаться, что жесткость подшипника, как и максимальная расчетная нагрузка, будет простой функцией среднего давления жидкости и площади поверхности подшипника. На практике, когда опорные поверхности прижимаются друг к другу, отток жидкости сужается. Это значительно увеличивает давление жидкости между опорными поверхностями. Поскольку поверхности подшипников скольжения могут быть сравнительно больше, чем поверхности качения, даже небольшие перепады давления жидкости вызывают большие восстанавливающие силы, сохраняя зазор.

Однако в слегка нагруженных подшипниках, таких как дисковые приводы, типичная жесткость шарикоподшипников составляет ~ 10-7 МН / м. Сопоставимые гидравлические подшипники имеют жесткость ~ 10-6 МН / м.[нужна цитата ] Из-за этого некоторые гидравлические подшипники, особенно гидростатические подшипники, специально предназначены для предварительной нагрузки подшипника для увеличения жесткости.

Жидкостные подшипники часто сами по себе добавляют значительное демпфирование. Это помогает ослабить резонансы на гироскопических частотах опорных подшипников (иногда называемые коническими или качающимися режимами).

Очень трудно сделать механический подшипник атомарно гладким и круглым; и механические подшипники деформируются при работе на высоких скоростях из-за центростремительная сила. Напротив, гидравлические подшипники самокорректируются при незначительных дефектах и ​​небольших деформациях.

Жидкостные подшипники обычно более тихие и плавные (более стабильное трение), чем подшипники качения. Например, жесткие диски изготовленные с жидкостными подшипниками, имеют уровень шума для подшипников / двигателей порядка 20–24 дБ, что немного больше, чем фоновый шум тихой комнаты. Приводы на основе подшипников качения обычно шумят как минимум на 4 дБ.

Жидкостные подшипники могут изготавливаться с более низким NRRO (неповторяемым биением), чем шариковые подшипники или подшипники качения. Это может быть критичным для современных жестких дисков и сверхточных шпинделей.

Подшипники с поворотными подушками используются в качестве радиальных подшипников для опоры и фиксации валов в компрессорах.

Недостаток

  • Подшипники должны поддерживать давление, чтобы предотвратить износ, а гидростатические типы могут быть полностью неподвижными при сбросе давления.
  • Общая потребляемая мощность обычно выше, чем у шариковых подшипников.
  • Потребляемая мощность и жесткость или демпфирование сильно зависят от температуры, что усложняет конструкцию и работу жидкостного подшипника в широком диапазоне температур.
  • Многие типы жидких подшипников могут катастрофически заклинивать при ударах или неожиданной потере давления питания. Шариковые подшипники изнашиваются более постепенно и вызывают акустические симптомы.
  • Подобно вибрации частоты сепаратора в шарикоподшипнике, вихрь половинной частоты является нестабильностью подшипника, которая приводит к возникновению эксцентрика прецессия что может привести к снижению производительности и сокращению срока службы.
  • Утечка жидкости; удержание жидкости в подшипнике может быть проблемой для жидкостей, в некоторых ситуациях может потребоваться восстановление вакуума и фильтрация.
  • Подшипники с масляной жидкостью непрактичны в средах, где утечка масла может быть разрушительной или где обслуживание не экономично.
  • «Подушечки» подшипников с жидкостью часто приходится использовать парами или тройками, чтобы избежать наклона подшипника и потери жидкости с одной стороны.
  • В отличие от механических подшипников без смазки, гидравлические подшипники не могут работать при чрезвычайно низких температурах, необходимых для некоторых специализированных научных исследований.

Некоторые жидкие подшипники

Подшипники из фольги

Основная статья: Подшипник из фольги

Подшипники из фольги представляют собой тип гидродинамического воздушного подшипника, который был введен в приложениях для высокоскоростных турбин в 1960-х гг. Гаррет АйИсследование. Они используют газ в качестве рабочей жидкости, обычно воздух, и не требуют внешней системы наддува, но требуют тщательного проектирования, чтобы предотвратить износ во время раскрутки и замедления при физическом контакте подшипника.

Подшипники скольжения

Основная статья: Подшипник скольжения

Подшипники скольжения смазываются жидкостью. Рабочая часть подшипника работает путем переноса масла под низким давлением и сжимается, чтобы подшипник мог вращаться вокруг вала без какого-либо контакта.[5]

Резиновые подшипники с водяной смазкой

Резиновые подшипники с водяной смазкой имеют длинный цилиндрический металлический кожух, на котором размещено несколько резиновых деталей. посохи разделены осевыми канавками. Использование подшипника имеет три основных преимущества: (i) прокачиваемая вода, проходящая через подшипник, удобно используется в качестве смазочного материала, что снижает стоимость эксплуатации насоса; (ii) поток воды отводит тепло и мелкие частицы через канавки подшипников; и (iii) естественная упругость резины придает подшипникам хорошие свойства в отношении поглощения ударов и вибрации и износостойкости. Резиновые подшипники с водяной смазкой работают в условиях смешанной смазки.[6]

Воздушные подшипники

Основная статья: воздушный подшипник
Воздушные подшипники сверлильного шпинделя для печатных плат

В отличие от контактных роликоподшипников, воздушный подшипник (или воздушный заклинатель ) использует тонкую пленку сжатого воздуха, чтобы обеспечить несущую границу между поверхностями с чрезвычайно низким коэффициентом трения. Две поверхности не соприкасаются. Благодаря тому, что воздушные подшипники бесконтактны, они позволяют избежать традиционных проблем, связанных с трением, износом, твердыми частицами и обращением со смазкой, и предлагают явные преимущества в точном позиционировании, например, отсутствие люфта и трения, а также в высокоскоростных приложениях.

Пленка текучей среды подшипника представляет собой воздух, который протекает через сам подшипник к поверхности подшипника. Конструкция воздушного подшипника такова, что, хотя воздух постоянно выходит из зазора подшипника, давления между поверхностями подшипника достаточно, чтобы выдерживать рабочие нагрузки. Это давление может создаваться извне (аэростатическое) или внутренне (аэродинамическое).

Аэродинамические подшипники могут эксплуатироваться только на высоких скоростях, аэростатические подшипники необходимы для несения нагрузки на низких скоростях. Оба типа требуют качественной обработки поверхностей и точного изготовления.

Примеры

Аэрохоккей это игра, основанная на аэростатическом подшипнике, который подвешивает шайбу и лопасти игроков, чтобы обеспечить низкое трение и, таким образом, поддерживать высокие скорости шайбы. В подшипнике используется плоская плоскость с периодическими отверстиями, через которые воздух подается чуть выше атмосферного давления. Шайба и весла находятся в воздухе.

Воздушные подшипники, используемые для обеспечения линейного и вращательного движения

Другой пример жидкостного подшипника: кататься на коньках. Коньки образуют гидродинамический жидкостный подшипник, в котором коньки и лед разделены слоем воды.

Жидкостные подшипники Michell / Kingsbury с наклонными подушками

Для использования в других целях см. Упорный блок.

Гидродинамические подшипники качения Michell / Kingsbury были изобретены независимо и почти одновременно обоими британскими австралийцами, Энтони Джордж Малдон Мичелл и американский триболог Альберт Кингсбери. Обе конструкции были почти идентичны, за исключением различий в подходе, используемом для поворота колодок. Мичелл математически вычислила распределение давления в том месте, где была размещена ось поворота по размаху, позволяя нагрузке действовать через точку максимального давления жидкости. В патенте Кингсбери этот математический подход отсутствовал, и точка поворота колодки находилась в геометрическом центре подшипника.[7] Патент Мичелла (в Великобритании и Австралии) был выдан в 1905 году, а первая патентная попытка Кингсбери была сделана 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. По словам Сидни Уокера, давнего сотрудника Michell, выдача патента Кингсбери была «ударом, который Мичелл с трудом мог принять».

Подшипник имеет секционный туфли, или же колодки на шарнирах. Когда подшипник работает, вращающаяся часть подшипника переносит свежее масло в область колодки через вязкое сопротивление. Давление жидкости вызывает подушку, чтобы слегка наклонить, создавая узкое сужение между башмаком и другой опорной поверхностью. За этим сужением образуется клин жидкости под давлением, разделяющий движущиеся части. Наклон колодки адаптивно изменяется в зависимости от нагрузки на подшипник и скорости. Различные детали конструкции обеспечивают постоянное пополнение масла во избежание перегрева и повреждения колодок.

Гидравлические подшипники Michell / Kingsbury используются в широком спектре вращающегося оборудования для тяжелых условий эксплуатации, в том числе в гидроэлектростанции для поддержки турбин и генераторов весом в сотни тонн. Они также используются в очень тяжелой технике, такой как морской карданные валы.

Первый находящийся в эксплуатации подшипник с наклонной подушкой, вероятно, был построен под руководством A.G.M. Руководство Michell от George Weymoth (Pty) Ltd для центробежный насос в Кохуне на реке Мюррей, Виктория, Австралия, в 1907 году, всего через два года после того, как Мичелл опубликовал и запатентовал свое трехмерное решение для Уравнение Рейнольдса. К 1913 году большие достоинства подшипников с качающейся подкладкой были признаны для морского применения. Первым британским кораблем, оснащенным подшипником, был кросс-канал. пароход то Париж, но многие военно-морские корабли во время Первая мировая война. Практические результаты были впечатляющими - неприятные упорный блок стал значительно меньше и легче, значительно более эффективным и значительно избавился от проблем с обслуживанием. Было подсчитано, что только в 1918 году Королевский флот сэкономил уголь на сумму 500 000 фунтов стерлингов в результате установки подшипников качения Michell.

Согласно КАК Я (см. справочную ссылку), первый жидкостный подшипник Michell / Kingsbury в США был установлен в Холтвудская гидроэлектростанция (на Река Саскуэханна, возле Ланкастер, Пенсильвания, США) в 1912 году. Подшипник массой 2,25 тонны поддерживает водяная турбина и электрический генератор 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 деталей. В КАК Я сообщил, что по состоянию на 2000 год он все еще находился в эксплуатации. По оценкам производителя, к 2002 году срок службы подшипников в Холтвуде без обслуживания должен составлять около 1300 лет.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Роу, В. Брайан (2012). Конструкция гидростатического, аэростатического и гибридного подшипника. Баттерворт-Хайнеманн. С. 1–4. ISBN  0123972396.
  2. ^ [1] "Гидростатическая гайка и ходовой винт в сборе, и способ формования указанной гайки", выпущенный 29 декабря 1994 г. 
  3. ^ Жирар, Л. Доминик (1852). Аппликация Hydraulique. Nouveau système de locomotion sur les chemins de fer (Прикладная гидравлика. Новая система передвижения для железных дорог). Ecole Polytechnique.
  4. ^ Ильина Т.Е., Продан Н.В. (2015). «Конструкция элементов струйной системы гидростатического газового контроля». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики. 15 (5): 921–929.
  5. ^ Госал, Ариндам. "Обзор жидкостного пленочного подшипника" В архиве 2016-03-04 в Wayback Machine Общество инженеров-механиков Бангладеш, 2010. Проверено 11 июля 2013.
  6. ^ Лю С. и Ян Б. (2015) «Новая модель резиновых подшипников с водяной смазкой для вибрационного анализа гибких многоступенчатых роторных систем», Журнал звука и вибрации, 349, с. 230–258
  7. ^ Стаховяк, Гвидон; Бэтчелор, Эндрю В. «Инженерная трибология, стр 135–136», Баттерворт-Хайнеманн, Лондон, 31 марта 2011 г. Проверено 23 марта 2013 г.

внешняя ссылка