Переваги використання підшипників з газовим мащенням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

\

Переваги використання підшипників з газовим мащенням

Перше припущення про можливість використання повітря для змащування підшипників було зроблене А. Хірсом у 1854 році [1]. Результати перших експериментальних випробувань та теоретичних досліджень опубліковані наприкінці 80-х років минулого століття. Теорія та практика використання газового мащення довгий час не могла знайти ефективного застосування у виробництві, але в середині 90-х років минулого століття у зв'язку з розвитком ядерної енергетики, обчислювальної техніки, точного приладобудування зі збільшенням їх робочих швидкостей дослідження набули масової реалізації.

На основі робіт С.А. Шейнберга у 1949 році були сконструйовані та дослідженні зразки декількох підшипників, що змащувались повітрям та могли технічно використовуватись [2]. На той час такі підшипники не знаходили широкого застосування через велику кількість проблем технічного характеру. Однак в період, коли стрімко почалась розвиватися ядерна енергетика, виявились суттєві переваги підшипників з газовим мащенням в машинах, що застосовувались в ядерних енергетичних установках. Ці підшипники виявилися також вельми перспективними і інших сферах машино - та приладобудування [3].

У зв'язку з цим інтерес до опор з газовим мащенням стрімко піднявся та в 1959 році у Вашингтоні був скликаний перший симпозіум по проблемах газового мащення. Після цієї події, з періодичністю в декілька років, почали проводитися наукові семінари.

На цих семінарах доповідалися результати теоретичних та експериментальних робіт, що виконувалися дослідниками з різних організацій, це допомагало об'єднувати зусилля та координувати роботу, яка проводилася до цього окремими дослідниками [4].

Наприкінці 90-х років було проведено друге координаційне зібрання з питань розвитку газового мащення. На цьому зібранні було показано, що масштаби розвитку досліджень та використання підшипників з газовим мащенням в різних сферах машинобудування та приладобудування значно збільшились.

Переваги газового мащення витікають з двох основних відмінностей газів та рідин:

- Гази хімічно стабільніші в значно більшому інтервалі температур, ніж рідини;

- Гази менш в'язкі, ніж рідини.

Більш детально розглянемо переваги газових підшипників у порівнянні з іншими видами опор та області їх застосування.

1. Працездатність при роботі на високих та низьких температурах.

Підшипники ковзання та кочення з рідинним мащенням можуть працювати при відносно низьких температурах. Зі збільшенням температури якість рідинного мащення погіршується через зниження в'язкості мастил, а несуча спроможність опор з газовим мащенням дещо підвищується за рахунок збільшення в'язкості газів [5,6].

2. Якісні показники опор з газовим мащенням.

Підшипники ковзання та кочення з рідинним мащенням малопридатні для роботи у високошвидкісних машинах та вузлах. Для газових підшипників висока швидкість вигідна, тому що приводить до збільшення несучої здатності. При цьому втрати потужності в них на 2-3 порядки нижчі, ніж у підшипників з рідинним мащенням.

Газові опори успішно використовуються в шпиндельних вузлах верстатів різного призначення, вимірювальних приладах, турбошліфувальних машинах, турбодетандерах, турбокомпресорах тощо [7].

Найбільш широке використання газові опори знайшли в машинобудуванні в шліфувальних шпинделях та свердлильних головках.

Сучасні високошвидкісні та високоточні шліфувальні, розточувальні та інші верстати повинні забезпечувати точність форми робочих поверхонь порядку десятих часток мікрометра при шорсткості поверхні R_a?0,08 мкм. Отримання таких параметрів корелює з експлуатаційними якостями шпиндельних вузлів металорізальних верстатів, що застосовуються для виготовлення деталей.

Досягнення точності обертання шпинделя в межах 0,3…0,5 мкм, встановленого на опорах кочення, вже пов'язано зі значними технологічними труднощами.

Досвід експлуатації шпиндельних вузлів шліфувальних верстатів з опорами різних типів показав, що в ряді випадків використання газостатичних опор більш доцільне та раціональне, оскільки такі опори здатні, за рахунок осереднювального ефекту газового шару, забезпечити точність обертання шпинделя до 0,02…0,04 мкм [7].

Крім того, шпиндельні вузли з газовими опорами мають такі переваги в порівнянні з шпиндельними вузлами на опорах кочення:

- відсутність металевого контакту, а отже, довговічність при незмінній якості шліфування;

- мале тертя, зумовлене малою динамічною в'язкістю газу, а отже, і мале нагрівання вузла. Це дозволяє збільшити потужність різання, виключити час для розігрівання шпинделя, підвищити продуктивність праці;

- рівень вібрації звести до мінімуму;

- можливість балансування шліфувального круга безпосередньо на шпинделі. Також слід врахувати, що велика товщина повітряного шару (в порівнянні з висотою мікронерівностей поверхні шийки вала) сприяє тому, що неточності виготовлення шийки вала практично не впливають на обертання шпинделя. В межах останніх досліджень виявлено, що геометричні параметри вала, а саме, канавки, які можуть бути на ньому нанесені, можуть покращити працездатність газових опор [8].

Шпинделі на газостатичних опорах можна вважати абсолютно жорсткими в порівнянні з жорсткістю газового шару, тобто вони практично не мають деформацій у повітряному шарі.

Маючи високу жорсткість та великі швидкості обертання, шпинделі на газових опорах забезпечують високу якість поверхонь, що оброблюються, сприяють підвищенню продуктивності праці [9].

Але кількість розроблених конструкцій не дуже велика та виробництво їх надто обмежене, тому актуальним є питання заміни підшипників кочення на опори з газовим мащенням, для забезпечення високої точності виробів що виготовляються. В багатьох конструкціях використовувалися в якості газостатичних опор підшипники, які можна поділити на два класи. До першого відносяться підшипники з зовнішнєю компенсацією в вигляді отворів малого діаметра, діафрагм, щілин та пористих вставок [10]. Другий клас складають підшипники з внутрішнєю компенсацією за рахунок східчастої форми робочого зазору або глухих поздовжніх канавок [10,11].

З метою підвищення частоти обертання та статичних характеристик шпиндельного вузла, була запропонована конструкція шпиндельного вузла на газостатичних опорах з канавками змінної глибини на валу опори [3]. Це дозволило створити в підшипниках більш стійкий несучий шар газу, внаслідок збільшення корисної площі подачі газу. Комплекс використаних досліджень дозволив створити математичну модель такого вузла на газостатичних опорах.

Відзначимо, що опори з газовим мащенням також успішно використовуються в якості направляючих металообробних верстатів [12].

3. Довговічність та надійність.

У підшипників з газовим мащенням на робочих режимах практично відсутній знос. Підшипник не зношується, якщо газ не має великих твердих частинок і якщо вони, за своєю природою, не викликають корозії [12].

За результатами експлуатаційних досліджень термін служби опор внутрішньошліфувальних шпинделів на газовому мащенні складає 15-20 тисяч годин, що перевищує термін служби шпинделів на опорах кочення в 3-5 разів. Тому для більшості практичних завдань газові опори можна вважати достатньо довговічними.

4. Стійкість проти радіаційного опромінення.

В газоохолоджувальних редукторах циркуляцію робочого тіла в першому контурі створюють компресори та вентилятори, які працюють при високому рівні радіації. В таких випадках більшість звичайних мастил руйнується, в той час коли більшість газів стійкі проти радіації.

5. Відсутність забруднення.

Газове мащення запобігає забрудненню навколишнього середовища, що особливо важливо в ядерних силових установках. Прикладом є турбомашина з газовими підшипниками, в якій вимагається «нульове» забруднення робочого тіла, може слугувати неоновий компресор для реактора. Установка є високотемпературним газоохолоджуваним реактором, в якому забруднення теплоносія неможливе тому, що може погіршити теплопередачу в реакторі та зменшити термін його служби [8].

6. Спрощення конструкції.

В порівнянні з підшипниками з рідинним мащенням газові підшипники не вимагають складних агрегатів мащення, системи повернення мастила, системи охолодження мастила. Крім того, звичайні ущільнення тут виявляються непридатними, громіздкими та малоефективними.

Газові опори широко використовуються в техніці. В приладобудуванні ці підшипники знайшли своє використання в гіроскопічних пристроях, для опор маховиків [8, 3].

Підшипники з газовим мащенням успішно використовуються в малих вентиляторах для охолодження електронного обладнання. Газові сферичні підвіси використовуються в імітаторах космічних умов - для імітації стикування, маневрування та перевірки системи орієнтації [12, 13].

В харчовій, хімічній та фармацевтичній промисловостях, а також в побутовій техніці газові підшипники знайшли своє застосування в приладах, де є потреба запобігти забрудненню продукту або навколишніх приладів, знизити шум, забезпечити компактність та зручність експлуатації. Значного поширення газові опори отримали в різних конструкціях бормашин.

7. Низький рівень шуму та вібрації.

Одною з важливих вимог, що ставлять до використання обладнання, є захист працівників від акустичних та вібраційних впливів.

Але не слід також уявляти, що газові підшипники універсальні, їх слід застосовувати лише там, де вони дійсно необхідні, так як в ряді їх переваг є деякі недоліки, а саме:

- підшипники такого типу потребують високої точності обробки;

- для роботи газостатичних підшипників потрібен газ підвищеного тиску;

- в зв'язку з невеликою величиною в'язкості газу ці підшипники мають невелику навантажувальну здатність.

Досвід експлуатації та сучасний стан наукових досліджень свідчать про великі перспективи використання підшипників з газовим мащенням. Подальших досліджень та вдосконалення конструкції вимагає проблема їх обмеженої навантажувальної здатності та підвищення зносостійкості в аварійних режимах (втрата тиску, перегрівання, режим пуск-зупинка без тиску газу).

Перелік посилань

підшипник газовий мащення

1. Хирс. Конструирование опорных подшипников с продольными канавками и внешним нагнетанием смазки / Хирс (G.G. Hirs) // Проблемы трения и смазки. 1968. №4. С. 324 331.

2. Шейнберг С.А. Опоры скольжения с газовой смазкой / С.А. Шейнберг, В.П. Жедь, М.Д. Шишеев. М.: Машиностроение, 1969. 331 с.

3. Пинегин С.В. Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. Справочник / С.В. Пинегин, А.В. Орлов, Ю.Б. Табачников. М.: Машиностроение, 1984. 216 с. (Основы проектирования машин).

4. Добровольский Г.Г. Применение опор с газовой смазкой в шпинделях и поворотных столах для станков сверхвысокой точности / Г.Г. Добровольский, В.С. Крячек // Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой: Всесоюзное координационное совещание, 12 14 мая 1983 г.: тезис докл. Винница, 1983. С. 57.

5. Константинеску В.Н. Газовая смазка / В.Н. Константинеску; пер. с рум. под ред. Коровчинского М.В. М.: Машиноведение, 1968. 718 с.

6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1973. 848 с.

7. Карпов В.С. Динамические характеристики вертикальных газовых подшипников с профилированной поверхностью вала / В.С. Карпов, О.Н. Тихоненкова // Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой: Всесоюзное координационное совещание, 12 14 мая 1983 г.: тезис докл. Винница, 1983. С. 46 47.

8. Жедь В.П. Применение в промышленности опор с газовой смазкой / В.П. Жедь, С.В. Пинегин, Ю.Б. Табачников // Станки и инструмент. 1977. №12. С. 1 3.

9. Табачников Ю.Б. Исследование и оптимизация радиальных газостатических подшипников с продольными канавками с учетом угловой жест кости./ Табачников Ю.Б., Шевченко А.В., Степанчук В.И. // Машиноведение. - 1981. - №2. - С. 100-107.

10. Федотов В.А. Эксперементальное исследование радиального газового подшипника с двойным дросселированием потока газовой смазки / В.А. Федотов, Г.В. Киселев // НИИНАВТОПРОМ, серия XII, Подшипниковая промышленность. 1979. №8. С. 11 13.

11. Федотов В.О. Вплив нахилу поздовжніх канавок на характеристики радіальних підвісок / В.О. Федотов, В.В. Савуляк // Проблеми трибології (Problems of Tribology). 2003. №1. С. 54 56.

12. Пинегин С.В. Статические и динамические характеристики газостатических опор. / С.В. Пинегин, Ю.Б. Табачников, И.Е. Синенков. - М.: Наука, 1982. - 265 с.

13. Сергеев С.И. Динамика криогенных турбомашин с подшипниками скольжения / С.И. Сергеев. М.: Машиностроение, 1973. 304 с.

Размещено на Allbest.ru