Использование газовых подшипников в машиностроении

УДК 621.9:658

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ПОДШИПНИКОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ В.А. Рогов, Р.В. Дубровский

Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Рассматриваются преимущества и недостатки использования подшипников с газовой смазкой в машиностроении и основные виды газовых подшипников.

В настоящее время в машиностроении широко используются газовые подшипники, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными подшипниками.

Подшипники скольжения и качения с жидкой смазкой могут работать при относительно низких температурах. При повышении температуры качество жидкой смазки ухудшается из-за снижения ее вязкости, несущая же способность опор с газовой смазкой, как правило, повышается за счёт увеличения вязкости газов.

Подшипники скольжения и качения с жидкой смазкой мало пригодны для работы в сверхбыстроходных машинах. Для газовых подшипников высокая скорость выгодна, так как приводит к увеличению их несущей способности. При этом потери мощности у них на 2-3 порядка ниже, чем у подшипников с жидкой смазкой.

Наиболее широкое применение газовые опоры нашли в машиностроении в шлифовальных шпинделях и сверлильных фрезерных головках.

Шпиндельные узлы с газовыми опорами обладают следующими преимуществами по сравнению со шпиндельными узлами на опорах качения:

а) отсутствием металлического контакта, а, следовательно, долговечностью при неизменном качестве шлифования;

б) малым трением, обусловленным небольшой динамической вязкостью газа и, следовательно, малым тепловыделением. Это позволяет увеличить мощность, передаваемую на шлифовальный круг, исключить время для разогрева шпинделя, т.е. повысить производительность труда;

в) почти полным отсутствием вибрации;

г) возможностью балансировки шлифовального круга непосредственно на шпинделе. Также следует учесть, что большая толщина воздушного слоя (по сравнению с высотой микронеровностей поверхности шейки вала) способствует тому, что неточности изготовления шейки вала практически не влияют на точность вращения шпинделя.

Шпиндель на газостатических опорах можно считать абсолютно жестким по сравнению с жесткостью газового слоя, т.е. он практически не имеет деформации в воздушном зазоре.

Имея большую жесткость и высокие скорости шлифования, шпиндели на газовых опорах обеспечивают высокое качество обрабатываемых поверхностей и способствуют повышению производительности труда.

Но количество видов разработанных конструкций невелико и выпуск их крайне ограничен, поэтому актуальным является вопрос замены подшипников качения на опоры с газовой смазкой для обеспечения высокой точности обрабатываемых изделий.

Опоры с газовой смазкой успешно применяются и в качестве направляющих металлообрабатывающих станков.

У подшипников с газовой смазкой на рабочих режимах практически отсутствует износ. Подшипник не изнашивается, если газ не содержит взвешенных твердых частиц и если они по своей природе не вызывают коррозии.

Газовая смазка предотвращает загрязнение окружающей среды, что особенно важно в ядерных силовых установках.

По сравнению с подшипниками на жидкостной смазке газовые подшипники не требуют сложных агрегатов смазки (насосов), систем возврата смазки, системы охлаждения масла, фильтров. Кроме того, обычные уплотнения здесь оказываются непригодными, громоздки-

ми и малоэффективными.

Газовые подшипники применяются в метрологическом оборудовании для замера чистоты поверхности. В приборостроении эти подшипники нашли применение в гироскопических устройствах.

Подшипники с газовой смазкой успешно применяются в малых вентиляторах для охлаждения электронного оборудования. Газовые сферические подвесы используют в имитаторах космических условий - для имитации стыковки, маневрирования и проверки системы ориентации.

Одним из важных требований, предъявляемых к ручным турбопневмошлифовальным инструментам, является защита операторов от акустических и вибрационных воздействий.

Не следует, однако, полагать, что газовые подшипники универсальны, их следует применять только там, где они совершенно необходимы, так как наряду с преимуществами они имеют и некоторые недостатки, а именно:

а) подшипники этого типа требуют высокой точности обработки;

б) для работы газостатических подшипников нужен источник газа повышенного давления;

в) в связи с небольшой величиной вязкости газа эти подшипники имеют небольшую несущую способность.

Однако исследования показывают, что эти недостатки чаще всего можно преодолеть, поэтому подшипники с газовой смазкой могут широко применяться в различных машинах и приборах, как и подшипники с жидкой смазкой.

Известно большое число радиальных подшипников с газовой смазкой самых различных типов и самой различной конфигурации. По принципу работы эти подшипники можно разделить на два основных класса:

1) газостатические, в которых подъемная сила создается вследствие образующейся в нагруженной и разгруженной частях подшипника разности давлений газа, подводимого через специальные отверстия (рис. 1);

2) газодинамические, в которых подъемная сила создается за счет газодинамического эффекта, возникающего при вращении вала. Иногда эти подшипники называют самогене-рирующими (рис. 2).

В газодинамических опорах несущая способность невелика. Среднее удельное давление в подшипниках не превосходит 10 кПа при ра=100 кПа.

Газодинамические подшипники классифицируются на следующие виды:

а) радиальные подшипники с гладкими поверхностями вала и вкладыша;

б) радиальные подшипники с косыми и шевронными канавками;

в) радиальные подшипники с канавками вдоль образующих;

Рис. 1. Газостатический подшипник

г) радиальные подшипники, поверхность которых образована небольшими ступенчатыми пятами;

д) подпятники или упорные подшипники гладкие и с различными формами канавок;

е) опоры цапф, состоящие из нескольких секторных самоустанавливающихся пят;

ж) ленточные подшипники.

Газостатические опоры и подвесы снабжаются карманами различной и, зачастую, сложной формы. Эти опоры можно разделить на следующие типы в зависимости от вида внешней цепи дросселирования подаваемого под давлением газа:

а) опоры с наддувом через капилляры диаметром 0,3...0,8 мм;

б) опоры, в которых наддув осуществляется через сопло;

в) опоры с наддувом через сопло и канавку малого сечения.

Опоры с пористыми вкладышами можно рассматривать как опоры с наддувом через большое число капилляров.

Все перечисленные типы подшипников имеют свои слабые стороны, исследованию которых посвящаются теоретические и экспериментальные работы.

Газодинамические подшипники, обладающие минимальным трением и большой долговечностью, находят все большее применение в быстроходных машинах. Они не нуждаются в сложной аппаратуре для смазки, так как питаются газом из окружающей среды. Но при пуске и остановке у подшипников возникает сухое трение, они также склонны к потере устойчивости во время работы. Неустойчивость проявляется в форме вихревого движения вала. Это движение получило название полускоростного вихря. Под этим термином подразумевается вращение оси вала вокруг оси подшипника со скоростью, приблизительно равной половине скорости вращения вала вокруг своей оси. При развившемся полускоростном вихре подшипник теряет несущую способность, и шейка вала скользит по стенке вкладыша, к которой она прижата центробежной силой.

В подшипниках с циркулярным наддувом сжатый газ подается через один-два ряда отверстий, расположенных по окружности. Несущая способность, создаваемая циркулярным наддувом, не теряется при вихре, и вращение вала стабилизируется.

Недостатком циркулярных подшипников является быстрое повышение необходимого стабилизирующего давления при увеличении скорости вращения.

Подшипники с дифференциальным наддувом обеспечивают стабилизацию вращения вала, при этом вал имеет большой эксцентриситет за счет одностороннего нагружения.

Нарезание осевой канавки (рис. 3) на той стороне подшипника, которая лежит в зоне пониженного давления, является эффективным методом подавления полускоростного вихря при условии, что необходимое увеличение скорости вращения шипа не слишком велико.

Устройство на поверхности радиального подшипника карманов (рис. 4) обеспечивает увеличение пороговой скорости полускоростного вихря.

I

Рис. 3. Газодинамический подшипник с осевой канавкой

Глубина карманов порядка величины радиального зазора. Когда карманы расположены вблизи концевого сечения подшипника, имеет место малая потеря несущей способности.

Еще одним способом преодоления полускоростного вихря является комбинация частичного цилиндрического подшипника с самоустанавливающимся сегментом (рис. 5). Он представляет собой цилиндрический подшипник, в верхней части которого вырезан сегмент с углом охвата 120° и длиной, составляющей около 80 % общей длины подшипника. Этот сегмент используется как самоустанавливающийся вкладыш, расположенный в образовавшемся окне. За счет регулирования зазора этого вкладыша значительно увеличивается пороговая скорость полускоростного вихря.

Рис. 5. Газодинамический подшипник с самоустанавливающимся сегментом

При вращении быстроходного вала в подшипниках скольжения появляется вибрация, вызванная недостаточной динамической уравновешенностью, т.е. несовпадением геометрической и физической осей вала. Так как вал стремится вращаться вокруг физической оси, то его геометрическая ось вращается вокруг неподвижной оси со скоростью вращения вала, что воспринимается как биение поверхности вала. Амплитуда биения пропорциональна эксцентриситету физической и геометрической осей и уменьшается благодаря возрастающей грузоподъемности подшипника при увеличении скорости вращения вала. Для уменьшения вибрации от динамической неуравновешенности вала при газовой смазке достаточно выполнить балансировку до 0,5 г на 0,01 м, что легко осуществляется на современных балансировочных машинах.

Вибрация, вызванная упругими колебаниями вала, характерна тем, что возникает при скорости вращения, равной первой и второй критической скоростях вала, и исчезает при других скоростях. В установках с газодинамическими подшипниками этот вид вибрации наблюдается редко, так как применяются короткие валы большего диаметра, собственная частота колебаний которых в 6... 10 раз выше частоты вращения.

Недостатком всех типов газодинамических подшипников является контакт поверхности вала и подшипника во время запуска и остановки машины, а также сравнительно низкая несущая способность. Этих недостатков лишен газостатический подшипник, у которого газовая пленка образуется за счет подвода сжатого воздуха извне еще до начала вращения вала. Газостатические подшипники обладают более высокой несущей способностью, поэтому они чаще применяются для тяжелонагруженных роторов различных устройств.

Газостатические подшипники имеют большее число видов и конструктивных форм:

а) самой распространенной конструкцией газостатических подшипников является подшипник с питающими отверстиями, расположенными в один или два ряда по окружности вкладыша и выходящими непосредственно в зазор (см. рис. 1). Газ подается в камеру корпуса под давлением, проходит через питающие отверстия в зазор между шипом и подшипником, течет по направлению к торцам подшипника и выходит в окружающую атмосферу. В нагруженной части подшипника зазор меньше, чем в ненагруженной, поэтому сопротивление течению газа в узкой щели, а значит и давление, будет больше, чем в ненагруженной части. Эта разность давлений и создает подъемную силу;

б) подшипники с простыми диафрагмами, в которых питающее отверстие выходит в небольшую камеру, окружающую это отверстие (рис. 6);

Рис. 6. Газостатический подшипник с простыми диафрагмами

в) сферические и конические подшипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую нагрузку (рис. 7 и 8);

Рис. 7. Сферические газостатические подшипники

штщ

Рис. 8. Конусный газостатический подшипник

г) пористые подшипники, являющиеся разновидностью газостатических подшипников (рис. 9);

ШяшжтшшшуЩ

Рис. 9. Пористый газостатический подшипник

д) подшипники с щелевыми питателями (рис. 10);

Рис. 10. Газостатический подшипник с щелевым питателем

е) подшипники с различными формами питающих отверстий;

ж) подшипники с сегментными самоустанавливающимися вкладышами (рис. 11).

С целью повышения несущей способности подшипников изготавливаются различные камеры. Основной недостаток опорных подшипников с камерой - склонность к клапанной неустойчивости, при которой не вращающийся ротор колеблется за счет высокой жесткости и малого демпфирования газового слоя.

Для повышения устойчивости этих подшипников применяют резонаторы различных размеров (рис. 12).

Газ, вытекающий из зазора, проходя в камеры 1, колеблется с частотой, зависящей от размеров камер. Изменяя длину камер, можно обеспечить совпадение частоты генерируемых колебаний с резонансной частотой ротора. При этом совпадение колебаний по фазе может быть таким, что генерируемые колебания гасят колебания ротора.

Рис. 12. Газостатический подшипник с резонатором

Недостатком конструкции этих подшипников является сложность настройки камер.

Пористый вкладыш равномерно подводит газ к трущимся поверхностям и не требует сверления питающих отверстий. В качестве материала вкладышей традиционно используют пористый графит или металлокерамические материалы. Для повышения порога устойчивости подшипников их вкладыши иногда устанавливают на эластичные кольца, как это показано на рис. 9.

Для уменьшения пористости вкладыша рабочую поверхность покрывают слоем металла, напыляемого в вакууме. Регулируя толщину покрытия, можно создавать оптимальный подшипник, обеспечивающий устойчивую работу ротора.

Стремление объединить в одном узле опорный и упорный подшипники привело к появлению конусных и сферических подшипников. Сферические подшипники обладают свойством самоустановки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Космынин А.В. Виноградов B.C. Газовые подшипники высокоскоростных турбоприводов металлообрабатывающего оборудования. - М.: Машиностроение 2001. - 403с.

2. Легаев В.П. Газовые опоры станков и приборов. - М.: Машиностроение, 1996. - 348с.

USE OF GAS BEARING IN MECHANICAL ENGINEERING V.A. Rogov, R. V. Dubrovsky

Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling Russian Peoples’ Friendship University Micluho-Maklay st.,6,117198, Moscow, Russia

The advantages and disadvantages of gas bearing in mechanical engineering is examined in this paper.

Рогов Владимир Александрович родился в 1956 г., окончил в 1983г. РУДН. Доктор тех. наук, профессор, заведующих кафедрой технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов. Автор 256 научных работ.

Rogov V.A. (b. 1956) graduated from Peoples' Friendship University of Russia in 1983. Dsci (Eng), professor, head of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling Department of PFUR”. Author of 256 publication/